GB/T 42896-2023 微机电系统（MEMS）技术 硅基MEMS纳尺度结构冲击试验方法（正式版）

ICS31.200微机电系统(MEMS)技术硅基MEMS纳尺度结构冲击试验方法国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T42896—2023 Ⅲ 12规范性引用文件 1 14要求 2 4附录A(资料性)原位片上冲击试验机尺寸建议 6附录B(资料性)原位片上热驱动纳尺度结构冲击试验机测试实例 7ⅢGB/T42896—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。微电子科技有限公司、宁波芯健半导体有限公司、深圳市美思先端电子有限公司、上海临港新片区跨境数据科技有限公司、广州奥松电子股份有限公司。1GB/T42896—2023微机电系统(MEMS)技术硅基MEMS纳尺度结构冲击试验方法本文件描述了硅基MEMS制造技术中所涉及的纳尺度膜结构沿厚度方向冲击试验的要求和试验本文件适用于采用微电子工艺制造的纳尺度结构在一次冲击负荷作用下的耐冲击性能的测试。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GB/T2900.28电工术语电动工具GB/T26111微机电系统(MEMS)技术术语GB/T36416.1试验机词汇第1部分：材料试验机GB/T2900.28、GB/T26111和GB/T36416.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1硅加工工艺siliconprocess硅微加工技术。3.2原位片上冲击试验机insituon-chipimpacttester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工艺流程加工形成的用于评估工艺相关微纳结构抗冲击性能的试验机。3.3测试结构testingstructure3.4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。2GB/T42896—2023挠度deflection试样产生弯曲变形时，横截面中心在垂直于变形前轴线方向上的位移。冲击能量impactenergyK冲击类工具的冲击体在规定条件下，冲击达到工作位置时所具有的能量。[来源：GB/T2900.28—2007,7.1,有修改]4.1原位片上冲击试验机的设计要求4.1.1结构说明原位片上冲击试验机的示意图和三视图如图1和图2所示。标引序号说明：1纳米测试结构；2——冲击锤；3-——储能梁；5—-—挡板； 7—-—负载梁；8——驱动加载点。图1原位片上冲击试验机示意图3HHWLGB/T42896—2023a)试验机三视图b)俯视图中的测试结构区H—-—键合锚点高度；w——储能梁宽度；h——悬空结构厚度；a——测试结构长度；L-—释放结构长度；W——释放结构宽度；d——冲击锤到测试结构的距离；D-—挡板到锚点的距离，该参数需要序列设计；l——储能梁长度；R—-—冲击锤头半径。图2原位片上冲击试验机结构三视图在原位片上冲击试验机设计的冲击能量范围内，储能梁不被破坏，在储能梁加载挠度达到D前释放结构不断裂。同时，在所能提供驱动力的范围内释放结构能够断裂以释放冲击锤。在整个测试过程中，测试装置其他结构不被破坏。原位片上冲击试验机的尺寸设计可见附录A;按照上述要求的示例见附录B。原位片上冲击试验机应采用稳定重复、可用于芯片产品加工的标准硅加工工艺流程制造。在非产业化标准硅加工工艺环境中，本文件规定的内容可作为定性或参比检测方法。4GB/T42896—20234.1.4结构有效性设计要求原位片上冲击试验机为轴对称结构，驱动装置提供的驱动力保证冲击锤运动方向沿试验机对称轴方向，对准测试结构中线。在驱动所能输出的力和位移范围内，储能梁的设计刚度保证挡板能够移动到4.2原位片上冲击试验机的制备要求原位片上冲击试验机的制备应满足以下要求：a)测试结构和测试装置的制备与MEMS器件芯片制造工艺相同，以保证原位片上试验效果；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。5.1概述纳尺度结构耐冲击性能的试验是利用驱动装置(如片外探针加载、片上热驱加载或片上静电加载)在显微镜观察下给负载梁施加如图1所示方向的驱动力，通过观察原位片上试验机的测试结构的破坏，利用试验机的结构参数确定冲击能量。5.2纳尺度结构冲击能量试验5.2.1纳尺度结构冲击能量试验过程冲击能量检验方法过程如图3所示，具体操作如下：a)对负载梁施加从零缓慢增大的轴向驱动力，挡板开始在牵引下运动；b)挡板的位移达到D后，与固定锚点相接触；c)保持驱动力持续增加，释放结构断裂并释放冲击锤，停止驱动加载；d)观测测试结构在冲击之后的损伤情况。需要对一序列的试验机进行试验。当测试结构第一次发生破坏时，记录对应的D值为D+1(Di+1>D₁)判定测试结构能够承受的最大冲击能量为Kp。5GB/T42896—2023图3试验过程示意图5.2.2纳尺度结构冲击试验结果计算冲击后在显微镜下检查测试结构损伤情况，按损伤程度分为弹性变形、塑性变形和断裂三个等级。利用测试结构在冲击断裂时所在原位片上试验机的最大加载挠度D,冲击能量可按公式(1)计算。…………(1)式中：K——冲击能量，单位为焦耳(J);E——杨氏模量，单位为帕(Pa);D——挡板到锚点的距离，单位为微米(μm);d——冲击锤到测试结构的距离，单位为微米(μm);l——储能梁长度，为实际工艺测量得到，单位为微米(μm);w——储能梁宽度，为实际工艺测量得到，单位为微米(μm);h——储能梁厚度，为实际工艺测量得到，单位为微米(μm);R——锤头半径，为实际工艺测量得到，单位为微米(μm)。6GB/T42896—2023(资料性)原位片上冲击试验机尺寸建议操作时试验机的D值是一个范围，表A.1仅取D=30μm的数值。在表中的建议尺寸下测试结构可以被冲击破坏。该标准测试方法同样适用于微米尺度测试结构的抗冲击性能测试，但需要对测试装置尺寸进行适当调整以匹配测试结构。表A.1原位片上冲击试验机尺寸建议单位为微米lwhDdabR666667(资料性)原位片上热驱动纳尺度结构冲击试验机测试实例键尺寸的建议值。标引序号说明：U热驱动梁加载电压。标引序号说明：h——悬空结构厚度；L₁——放大杠杆长度；θ₁——放大杠杆与负载梁夹角；L₂——热驱动梁长度；θ₂——热驱动梁与负载梁夹角；W₂——热驱动梁宽度；L₃——释放结构长度；W₃——释放结构宽度；l———储能梁长度；H——键合锚点高度；D--——挡板到锚点的距离；a——测试结构长度。8GB/T42896—2023表B.1试验机结构设计尺寸h/μmL₁/μmW₁/μmL₂/μmW₂/μmL₃/μmW₃/μmw/μmR/μm3表中膜的尺寸给出，释放结构选取宽度为3μm。单晶梁数目为30组，经过有限元仿真，在加载电压为5V时，符合该尺寸的试验机可以在图1所示运动方向检测时，从加载挠度最大(40μm)的试验机开始，用探针在两端锚点对热驱动梁同步施加电压，并同时用探针台的显微镜观察。在冲击锤冲击一次测试结