GBT 42895-2023 微机电系统（MEMS）技术 硅基MEMS微结构弯曲强度试验方法

微机电系统(MEMS)技术硅基MEMS微结构弯曲强度试验方法2023-08-06发布国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I 2规范性引用文件 l3术语和定义 14试验要求 24.1原位片上弯曲强度试验机的设计要求 24.2原位片上弯曲强度试验机的制备要求 34.3试验环境要求 45试验方法 45.1概述 45.2微结构弯曲强度试验过程 45.3微结构弯曲强度试验结果计算 5附录A(规范性)测试装置和测试结构设计尺寸 6Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC336)提出并归口。本文件起草单位：北京大学、中机生产力促进中心有限公司、中国电子技术标准化研究院、北京燕东微电子科技有限公司、无锡韦感半导体有限公司、深圳市美思先端电子有限公司、南京飞恩微电子有限公司、广州奥松电子股份有限公司、上海临港新片区跨境数据科技有限公司。1微机电系统(MEMS)技术硅基MEMS微结构弯曲强度试验方法本文件描述了硅基MEMS加工所涉及的微结构弯曲强度原位试验的要求和试验方法。本文件适用于采用微电子工艺制造的微结构弯曲强度测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T26111微机电系统(MEMS)技术术语GB/T34558金属基复合材料术语3术语和定义GB/T26111和GB/T34558界定的以及下列术语和定义适用于本文件。等强度梁beamofconstantstrength各横截面上的最大正应力都相等的梁。硅微加工技术。注：虽然硅工艺一般分为表面微加工和体硅微加工，但其中的许多技术是相同的。弯曲强度bendingstrength试样在弯曲断裂前所承受的最大正应力。由测试结构和测试装置组成，并将二者集成在同一晶圆上采用同一硅加工工艺流程加工形成的用于评估工艺相关微结构弯曲强度的试验机。为了测量材料性能或微结构的性能专门制作的微结构。2[来源：GB/T26111—2010,3.7.19,有修改]测试装置testingdevice将力或位移传递到测试结构同时可以读出力或位移的结构。4试验要求4.1原位片上弯曲强度试验机的设计要求原位片上弯曲强度试验机结构如图1所示，其中测试结构三视图如图2所示，测试结构设计示意如标引序号说明：1——键合锚点；2——等强度梁；3——加载段；4——片上针尖；6——可动框架；测试装置(序号4～11)。8——驱动加载点；9——放大杠杆；10——形变量标尺；11——位移量标尺。图1微结构弯曲强度试验原位片上试验机示意图3标引序号说明：H——等强度梁厚度；h——等强度梁键合锚点高度；A——等强度梁键合锚点边长；L——等强度梁力臂长度，该参数需要序列设计；l——加载段长度；w——加载段宽度。图2测试结构三视图X标引序号说明：h(x)——等强度梁的宽度；x——等强度梁的长度。图3等强度梁设计示意图原位片上弯曲强度试验机的设计应满足以下要求：a)测试结构采用等强度梁结构，以消除应力集中和工艺缺陷带来的误差；b)测试装置的驱动应产生足够的推力，使测试结构发生弯曲形变，可采用片外探针加载、片上热驱加载或片上静电加载等驱动方式；c)测试装置的弹性梁在试验过程中不发生断裂；d)等强度梁部分梁宽设计为h(x)=k√x,其中k为常数；e)测试装置的标尺设计满足分辨率要求，在光学显微镜下能准确分辨标尺示数。4.2原位片上弯曲强度试验机的制备要求原位片上弯曲强度试验机的制备应满足以下要求：4a)测试结构与测试装置在同一晶圆上，采用同一硅加工工艺流程加工形成；b)测试结构材料兼容于试验机制造的硅加工工艺。4.3试验环境要求试验应在MEMS器件芯片实际制造环境中进行。5试验方法5.1概述微结构弯曲强度的试验是利用驱动装置对测试装置施加作用，进而使测试装置的片上针尖对测试结构施加作用，通过观察测试结构的形变和破坏，利用测试装置的形变量标尺读数d确定测试结构的弯曲强度。5.2微结构弯曲强度试验过程如图4所示，微结构弯曲强度试验时，探针台光学显微镜的视野范围应覆盖探针和原位片上弯曲强度试验机的全貌。微结构弯曲强度试验过程如下。a)微结构弯曲强度试验前，应将载有片上试验机的晶圆固定在芯片检测用探针台上，如图4a)所示。b)在驱动加载点处施加沿测试装置中轴线的水平正压力，运动方向如图4b)所示。驱动加载作用的速度应保证能够清楚观察测试结构的变形情况。通过显微镜观测测试结构和形变量标尺，当测试结构发生断裂时，记录此刻形变量标尺的读数d。c)测试结构发生断裂后，应停止驱动加载。为了获得足够的分辨率，测试装置的设计尺寸按附录A中表A.1的规定，测试结构的建议设计尺寸按表A.2的规定。a)驱动施加作用前标引序号说明：1——加载前；2——驱动加载点；3——加载后；d——形变量标尺的读数。b)驱动施加作用后图4微结构弯曲强度试验过程示意图5GB/T42895—20235.3微结构弯曲强度试验结果计算测试前后放大杠杆处变化如图5所示。弹性梁的尺寸如图6所示。标引序号说明：a₁——放大杠杆支架的间距；a₂——放大杠杆的长度；d——形变量标尺的读数。图5放大杠杆示意图标引序号说明：a₀——弹性梁的长度；b——弹性梁的宽度。图6弹性梁示意图等强度梁侧壁表面上的弯曲强度可按公式(1)计算。 (1)式中：σ(x)——等强度梁的弯曲强度，单位为兆帕(MPa);E——硅的杨氏模量，单位为帕(Pa);k—带量纲常数(√μm),取值为5;a₁——放大杠杆支架的间距，单位为微米(μm);a₂——放大杠杆的长度，单位为微米(μm);d——形变量标尺读数，单位为微米(μm)。6(规范性)测试装置和测试结构设计尺寸测试装置的尺寸标注如图A.1和图A.2所示，图A.3为形变量和位移量标尺示数设计，表A.1是7Ⅱ⑲图图A.2测试装置局