GBT 42897-2023 微机电系统（MEMS）技术 硅基MEMS纳米厚度膜抗拉强度试验方法

微机电系统(MEMS)技术硅基MEMS纳米厚度膜抗拉强度试验方法Micro-electromechanicalsystems(MEMS)technology-Tensilestrengthtestmethodfornano-scalemembranesof2023-08-06发布2023-12-01实施国家标准化管理委员会I前言 12规范性引用文件 l3术语和定义 4试验要求 5试验方法 附录A(资料性)推荐形变量标尺结构及其指示数值读取方法 5附录B(资料性)纳米厚度膜抗拉强度原位片上试验机体硅工艺制备实例 6附录C(资料性)纳米厚度膜抗拉强度原位片上试验机尺寸建议 7ⅢGB/T42897—2023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、厦门市智慧健康研究院有限公司、宁波瑞成包装材料有限公司、四川富生电器有限责任公司、深圳市美思先端电子有限公司、无锡韦感半导体有限公司、广州奥松电子股份有限公司、江门市润宇传感器科技有限公司。本文件主要起草人：张大成、杨芳、李根梓、顾枫、刘鹏、李凤阳、王旭峰、高程武、陈艺、于志恒、1微机电系统(MEMS)技术硅基MEMS纳米厚度膜抗拉强度试验方法本文件描述了硅基MEMS加工过程中所涉及的纳米厚度膜轴向抗拉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纳米厚度膜抗拉强度测试。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(句括所有的修改单)适用干本文件。GB/T26111微机电系统(MEMS)技术术语3术语和定义GB/T26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。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。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纳结构抗拉强度的试验机。为了测量材料性能或微结构的性能专门制作的微纳结构。注：例如，悬臂梁或者是固定梁。[来源：GB/T26111—2010,3.7.19,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微结构。4试验要求4.1原位片上抗拉强度试验机的设计要求原位片上抗拉强度试验机的结构示意图如图1所示。2a)原位片上试验机示意图b)原位片上试验机三视图c)原位片上试验机局部放大图标引序号说明：1——折叠梁；L₁——测试结构同测试装置交叠部分长度；2——测试结构；L₂——测试结构端部的宽度；3——折叠梁；L₃——测试结构中间部分宽度；8——游标；La——形变量标尺主尺的宽度；9——主尺；Lg—-形变量标尺主尺的间隔；10——驱动加载点；L₁0——形变量标尺游标的宽度；H₁——测试装置硅结构层厚度；N₁——折叠梁的根数；H₂——测试结构厚度；N₂——形变量标尺主尺的根数。图1纳米厚度膜抗拉强度原位片上试验机3原位片上抗拉强度试验机的设计应满足以下要求。a)测试结构同测试装置交叠部分长度L₁大于30μm。b)测试结构端部的宽度L₂大于测试结构中间部分的宽度L₃。c)折叠梁刚度系数比测试结构刚度系数至少低一个数量级。d)圆形锚点同圆环结构层成共同一圆心，且圆环结构层内环与圆形锚点弧面间的间距取工艺允许最小值。e)测力梁的长宽比L₇/Ls同测试结构截面积L₃H₂相匹配，以保证应力的测量分辨率小于等于f)形变量标尺设计满足相应试验的分辨率要求，并在光学显微镜下能准确分辨标尺指示数值d。推荐的一种形变量标尺结构及其指示数值d读取方法在附录A的图A.1中给出。4.2原位片上抗拉强度试验机的制备要求原位片上抗拉强度试验机制备应满足以下要求：a)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)除测试结构和衬底外，纳米厚度膜抗拉强度原位片上试验机结构的构成材料为单晶硅。注：一种基于硅玻璃阳极键合的体硅工艺流程制备的纳米厚度膜抗拉强度原位片上试验机实例在附录的B图B.1中给出。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试验方法纳米厚度膜抗拉强度的试验是利用驱动加载对测试装置施加作用；测试结构的形变和破坏，利用测试装置自带形变量标尺(游标尺)指示数值d确定测试结构的抗拉强度。5.2纳米厚度膜抗拉强度试验过程如图2所示，进行纳米厚度膜抗拉强度试验时，探针台上光学显微镜的视野范围应覆盖探针和原位片上抗拉强度试验机的全貌。纳米厚度膜抗拉强度试验过程如下。a)纳米厚度膜抗拉强度试验前，应将载有片上试验机的晶圆固定在微电子芯片检测用探针台上，如图2a)所示。b)在驱动加载点处用探针沿测试装置的中轴线施加水平推力，运动方向如图2b)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指示数值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，测试结构设计的建议尺寸见附录C的表C.1。4GB/T42897—2023a)探针施加作用前标引序号说明：2——测试结构；b)测试结构发生断裂时，形变量标尺指示数值为d图2纳米厚度膜抗拉强度试验过程示意图5.3硅基MEMS纳米厚度膜抗拉强度试验结果计算利用测试结构发生断裂时形变量标尺的指示数值d,其抗拉强度R。可按公式(1)计算。式中：Rm——抗拉强度，单位为兆帕(MPa);E——结构层硅的杨氏模量，单位为帕(Pa);H₁——测试装置硅结构层厚度，单位为微米(μm);H₂——测试结构厚度，单位为纳米(nm);L₃——测试结构中间部分宽度，单位为微米(μm);L₆——测力梁宽度，单位为微米(μm);L₇——测力梁长度，单位为微米(μm);d——测试结构发生断裂时，形变量标尺的指示数值，单位为微米(μm);k测试结构发生断裂时，形变量标尺的指示数值同抗拉强度间的换算系数，单位为兆帕每微米(MPa/μm),在表C.1中给出了不同推荐尺寸下的k值以供用户查阅使用5(资料性)推荐形变量标尺结构及其指示数值读取方法图A.1给出了推荐形变量标尺结构及其指示数值读取方法。初始位置标引序号说明：1——固定刻度；2——标尺指针。b)图A.1推荐形变量标尺结构及其指示数值读取方法6硅结构层硅结构层(资料性)纳米厚度膜抗拉强度原位片上试验机体硅工艺制备实例图B.1给出了纳米厚度膜抗拉强度原位片上试验机体硅工艺制备实例。a)刻蚀形成硅台阶b)PVD或CVD图形化后形成膜结构c)硅玻璃阳极键合d)图形化硅结构层后D