GB T 28277-2012 硅基MEMS制造技术.微键合区剪切和拉压强度检测方法.pdf

1、ICS 3 1. 200 L 55 道雪和国国家标准11: ./、中华人民GB/T 28277-2012 硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法Silicon-based MEMS fabrication technology一Measurement method of cutting and pull-press strength of micro bonding area 2012-05-11发布中华人民共和国国家质量监督检验检菇总局中国国家标准化管理委员会2012-12-01实施发布GB/T 28277-2012 目次前言. . . . III 1 范围-2 规范性引用文件3

2、 术语和定义4 要求-4. 1 检测结构的设计要求4.2 检测结构制备要求.4 4. 3 检测环境要求.4 5 检测方法5. 1 总则.5.2 拉压式微结构键合强度检测.5.3 剪切式微结构键合强度检测附录A(资料性附录)拉压式检测结构设计尺寸和断裂强度对应表8附录B(资料性附录)拉压式检测结构测试实例.I G/T 28277一-2012目。吕本标准按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本标准由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC336)提出并归口。本标准起草单位:北京大学、中机生产力促进中心、中国电子科技集团第十三研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国电子科技集团

3、第四十九研究所。本标准主要起草人z张大戚、王琦、刘伟、杨芳、姜森林、崔波、熊斌、田雷。E G/T 28277-2012 硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法1 范围本标准规定了硅基MEMS加工过程中所涉及的微小键合区域键合强度检测的要求和试验方法。本标准适用于采用微电子工艺及相关微细加工技术制造的微小键合区的剪切和拉压强度测试。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是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/T 26111-2010微机电系统CMEMS)技术术语和定义GB/T 190

4、22-2003 测量管理体系测量过程和测量设备的要求3 术语和定义3. 1 3.2 3.3 3.4 GB/T 26111-2010和GB/T19022-2003界定的以及下列术语和定义适用于本文件。体微加工工艺bulk micromachining 通过选择性去除部分基底材料实现微结构的微机械加工方法。注:体微机械工艺是通过化学方法刻蚀去除基底不需要部分的加工方法。通过使用SiOz或S13陀掩模可以保护表面不被刻蚀。跚掺杂层也可以停止表面层以下部分的刻蚀。GB/T 26111-2010，定义3.5.16J干法真l蚀dry etching 利用可产生物理和/或化学反应的气体或等离子体进行刻蚀的技

5、术。注z电子能量所产生的可反应气体与衬底反应并移除材料，形成所需的形状或尺寸。干法刻蚀可分为利用化学反应的各向同性腐蚀(等离子刻蚀和利用物理反应的直接刻蚀(离子刻蚀)。GB/T 26111-2010，定义3.5. 18J 湿法3日l蚀wet etching 利用与待刻材料可产生化学反应的溶液对薄膜或器件结构进行腐蚀的技术。注2在进行湿法刻蚀时，将不需要腐蚀的一部分掩模，暴露其余的部分，然后将材料浸入反应溶液中。可分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。GB/T 26111-2010，定义3.5.17J各向同性J蚀isotropic etching 刻蚀速度不随晶向或能量束方向改变的腐蚀过程。GB/T

6、26111-2010，定义3.5.19J1 飞、GB/T 28277-2012 3.5 3.6 3. 7 3.8 3.9 各向异性J蚀anisotropic etching 随晶向或能量束方向不同，刻蚀速度不同的刻蚀过程。GB/T 26111-2010，定义3.5.20J锚点anchor 悬空结构与基底连接的点。GB/T 26111-2010，定义3.7.20J工艺窑差machining allowance 版图设计过程中给工艺加工留出的固定余量。加工误差machining error 加工出的硅结构的纵、横向尺寸实测值与设计值之间的差值。反应离子J蚀reactive ion etching;

7、 RIE 通过等离子体产生的离子和原子团对被刻蚀材料同时进行化学腐蚀和物理轰击实现干法刻蚀。3. 10 感应藕合等离子体J蚀inductively coupled plasma; ICP 在RIE反应室的上方加置线圈状的电极，达到增强等离子密度和能量的效果。4 要求4. 1 检测结构的设计要求检测结构的结构图如图1和图2所示。a) 拉压式检测结构示意图图1拉压式检测结构2 L E口 L b) 拉压式检测结构三视图说明zH 检测结构力臂厚度;h 键合区支持梁高度pa一一键合区边长pL一一检测结构力臂长度，该参数需要序列设计;W 检测结构力臂宽度zd一一探针作用点宽度。圄1(续)a) 剪切检测结构

8、示意图图2剪切式检测结构t口阳飞毛主GB/T 28277-2012 W a 3 GB/T 28277-2012 L 旨主t口皿L b) 剪切式检测结构三视图说明zH一一检测结构力臂厚度;h一一键合区支持梁高度za 键合区边长;L一一检测结构力臂长度;W一一检测结构力臂宽度;8-偏转置标尺最小刻度;d一-探针作用点宽度。 c。=口心=a 图2(续)4. 1. 1 为保证断裂不过早发生在检测结构的力臂中，检测结构力臂的设计强度应大于与键合面等截面的体硅材料的断裂强度。4.1.2 拉压式微检测结构要求以力臂长度为参数做序列设计。序列间距(力臂长度间距)应满足相应键合面积检测的分辨率要求。设计的同时也

9、应考虑检测结构所占面积要求。4.1.3 扭转式微检测结构键合区支持梁高度不应过大。扭转式微检测结构的卡尺设计应满足相应检测的分辨率要求，并要求在光学显微镜下能准确分辨卡尺示数。4. 1.4 检测结构的设计应该充分考虑加工误差而预留足够的加工容差。检测结构的设计还应考虑干法和湿法刻蚀中各向同性和各向异性腐蚀对结构表面的粗糙度影响。4.2 检测结构制备要求4.2.1 检测结构的制备应满足体硅工艺要求。4.2.2 检测结构的力臂材料为硅。其物理化学性能参数应参考实际工艺所用硅片参数。4.2.3 建议用反应离子刻蚀或感应搞合等离子体刻蚀工艺制备检测结构锚点，以保证键合区的形貌。4.3 检测环境要求4.

10、3.1 检测中应确保没有明显的空气流动。检测平台要求稳定不抖动。4 G/T 28277-2012 4.3.2 检测中应充分考虑检测结构断裂所产生的碎片和粉尘对周围环境的影响。5 检测方法5. 1 总则微结构键合强度的检测是利用微探针台的探针在显微镜监测下对检测结构施加作用，通过监测检测结构的形变和破坏，利用检测结构的结构参数确定键合强度。5.2 拉压式微结构键合强度检测拉压式微结构键合强度检测方法是在力臂作用点对检测结构施加竖直作用力。当检测结构的力臂末端产生设定的位移h时，根据检测结构断裂与否标定键合面键合强度。5.2. 1 拉压式微结构键合强度检测过程如图3所示，拉压式微结构键合强度检测时

11、，将检测结构的芯片固定在微电子工艺用分析探针台上，用探针在力臂作用点(A点)施加竖直正压力，通过显微镜观测当力臂悬臂梁底部接触玻璃面时，测试结构在键合根部CB或C)处是否断裂。该检测需要对一序列的检测结构进行试验。当悬臂梁长度为Li的测试结构没有发生断裂，而悬臂梁长度为L忡1(LiLi+1)的测试结构发生拉伸(或挤压)断裂时，判定此时的键合强度大于拉伸强度险.T(或挤压强度险.c)。挤压断裂点B点未断裂)拉f申断裂点C点(未断裂)探针力臂作用点A点挤压断裂点B点(未断裂)拉伸断裂点C点(未断裂)圄3剪切式微结构键合强度检测过程示意固5.2.2 拉压式微结构键合强度检测操作要求检测过程中，探针的

12、作用方向应保持与玻璃表面垂直，作用速度要求足够缓慢。探针台光学显微镜的视野范围应包括探测和检测结构全貌。力臂接触玻璃衬底后，或键合面发生断裂后，应及时停止探针压力，并缓慢抬高探针直至与检测结构分离。5 GB/T 28277-2012 5.2.3 拉压式微结构键合强度检测结果处理对于不同的键合面积，在力臂序列设计中，应计算各个力臂在达到设计位移(即键合区台阶高度的时，键合面的最大拉伸应力和挤压应力。强度检测后，对应发生结构断裂时的力臂长度，查阅设计时的计算结果，得到键合强度。一二对于没有条件在设计中计算应力的用户，可以参照附录A中的数据设计检测结构，并在检测强度后查阅表A.l表A.16得到键合区

13、拉压强度。一一对于各个键合面积，力臂长度序列没有出现在上述表格中时，可以根据各表数据插值得到。若断裂首先发生在测试结构的体硅中，此时可认定键合强度大于体硅强度。5.3 剪切式微结构键合强度检测剪切式微结构键合强度检测方法是通过对检测结构的力臂施加与键合面平行的作用力，从而产生对键合面的剪切弯矩。通过光学显微镜直观读取键合面断裂时力臂自由端的位移，定量确定键合面的剪切强度。5.3.1 剪切式微结构键合强度检测过程如图4所示，剪切式微结构键合强度检测时，将检测结构的芯片固定在微电子工艺用分析探针台上，用探针在力臂作用点(A点)施加水平正压力，通过显微镜观测当检测结构断裂时，记录力臂末端卡尺指示的偏

14、移位移D。扭转方向6 力臂作用点A点a) 探针施加作用前b) 键合面断裂时，力臂末端偏转量为D图4拉压式微结构键合强度检测过程示意图偏转量标只GB/T 28277-2012 5.3.2 剪切式微结构键合强度检测操作要求检测过程中，探针的作用方向应保持与玻璃表面水平，并与检测结构保持垂直，作用速度要求足够缓慢。探针台光学显微镜的视野范围应包括探测和检测结构全貌。键合面或力臂发生断裂后，应及时停止探针压力，并缓慢释放探针直至与检测结构分离。5.3.3 剪切式检测结构尺寸建议为了获得足够的分辨率和合适的探针压力，表1给出了在不同键合面积下，检测结构的建议尺寸。键合区支持梁高度h为4m。表1剪切式键合

15、强度检测结构尺寸aXa WXH L m m m 13X13 33X80 243 17X17 37X80 241 20X20 40X80 240 25X25 45X80 238 30X30 50X80 240 40X40 100X80 565 50X50 150X80 607 60X60 200X80 596 70X70 250X 80 605 80X80 250X 80 614 90X90 300X 80 1456 100X100 400X 80 1423 110 X 110 400X 80 1444 120X120 400X 80 1449 5.3.4 剪切式微结构键合强度检测结果处理利用检

16、测结构在键合面处断裂时偏转量卡尺的读数D.键合强度Tmax可以按公式(1)计算:式中:阻四=0.14X粤ZD(MPa) aL max一一键合强度，单位为兆帕(MPa); H 检测结构力臂厚度，单位为微米(m);a 键合区边长，单位为微米(m);L一一检测结构力臂长度，单位为微米(flm); D一一偏转标尺偏转量，单位为微米(m);W一检测结构力臂宽度，单位为微米(m)。检测中若断裂首先发生在测试结构的体硅中，此时可认定键合强度大于体硅强度。. ( 1 ) 7 GB/T 28277-2012 附录A(资料性附录拉压式检测结构设计尺寸和断裂强度对应表表A.1检测结构设计尺寸L a 3002 000

17、 10150 说明zH 检测结构力臂厚度;h一一键合区支持梁高度pa 键合区边长3H 20(a:(70) 70(a70) L一一检测结构力臂长度，该参数需要序列设计pW一检测结构力臂宽度;d 探针作用点宽度。w 200 h 80(a:(70) 80(a70) 表A.2键合面积为10mX10m的挤压强度和拉伸强度单位为微米d 100 力臂长度L/m拉伸强度饨.T/MPa挤压强度饨.c/MPa800 1 072. 1 1 135.8 850 1 008. 3 -1067.9 900 95 1. 6 一1007. 6 950 900. 7 -953.5 1 000 855.1 -905.0 1 05

18、0 813.7 86 1. 0 1 100 776.0 -821. 0 1 150 74 1. 6 784.4 1 200 710.0 一750.91 250 680.9 720.0 1 300 654.2 -691. 7 1 350 629. 3 -665.3 1400 606.2 -640.8 8 GB/T 28277-2012 表A.3键合面积为20mX20J1m的挤压强度和拉伸强度力臂*度L/m拉伸强度饨.T/MPa挤压强度L.C/MPa800 1 883.4 1 751. 9 850 1 699.4 1 576.6 900 1 541. 1 一1426.5 950 1 403.8 1

19、 296.7 1 000 1 284.2 一1184.1 1 050 1 179.4 一1085.5 1 100 1 086.5 -998.6 1 150 1 004.5 -921. 9 1 200 93 1. 5 -853.8 1 250 866.0 一792.81 300 807.4 738. 3 1 350 754.4 689.1 1400 706.4 -644.7 表A.4键合面积为30mX30m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/fLm拉伸强度饨.T/MPa挤压强度L.C/MPa800 1 558.3 一1598.8 850 1 416.3 1 496.4 900 1 296.4 一13

20、28. 1 950 1 188.5 1 253. 9 1000 1 096.4 1 121. 7 1 050 1 012.2 -1066.7 1 100 939.8 -960.5 1 150 874.0 -892.8 1 200 814.9 832. 1 1 250 760. 7 -800.3 1 300 712. 7 -749.5 1 350 669.1 一703.41 400 629.4 一661.5 9 GB/T 28277-2012 表A.5键合面积为40mX40tJ.m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/flrn 拉伸强度吨，T/MPa挤压强度L，c/MPa500 2 036.2 -2

21、142.1 550 1 736.4 -1822.0 600 1 499, 2 -1569.7 650 1 306.9 1 365 , 9 700 1 149.8 1 199. 7 750 1 019.3 -1062.1 800 910.0 -947.1 850 817.4 -849.8 900 738, 4 766, 9 950 670.2 695, 5 1000 61 1. 1 -633.7 表A.6键合面积为50mX50m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/flrn拉伸强度吨，T/MPa挤压强度饨，c/MPa500 1 241. 9 一1294. 9 550 1 046.0 1 087. 1

22、600 893.4 926. 1 650 770.9 797.9 700 672.6 694.8 750 592. 3 610.3 800 525.2 一540.4850 469.0 -481. 9 900 42 1. 0 -432.5 950 380.3 390.2 1000 345.2 353.8 表A.7键合面积为60mX60tJ.m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/flrn拉伸强度饨，T/MPa挤压强度饨.c/MPa300 1 690.1 一1813.2 320 1 505.5 -1608.7 340 1 35 1. 1 1 438.6 360 1 219.2 1 294.1 380 1

23、 104.3 1 168.7 10 GB/T 28277-2012 表A.7(续)力臂长度L/-，m拉伸强度饨.T/MPa挤压强度饨.c/MPa400 1 005.9 1 06 1. 9 420 920. 1 -969.0 440 844. 3 887.2 460 777.9 -815.8 480 719.0 752.7 500 666.0 -696.0 表A.8键合面积为70mX70m的挤压强度和拉f申强度为臂长度L/m拉伸强度饨.T/MPa挤压强度L.C/MPa300 1 136.0 -1206.6 320 1 008.2 一1065. 9 340 901. 6 -949.4 360 81

24、1. 3 851. 0 380 733.0 一766.3400 665.9 -694.1 420 607.9 -631. 8 440 556.6 -577.1 460 51 1. 9 -529.4 480 472.3 -487.4 500 436.7 -449.8 表A.9键合面积为80mX80m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/m拉伸强度饨.T/MPa挤压强度L.C/MPa800 2 547.6 2 633.9 900 2 128.7 -2189.6 1 000 1 804.8 1 850.6 1 100 1 547.9 -1585.4 1 200 1 346.3 1 374. 1 1 300

25、 1 180.1 1 202.3 1 400 1 043.2 -1061. 2 1 500 929.0 -943.7 1 600 831. 5 -844.9 1 700 750. 7 一761.0 11 GB/T 28277-2012 表A.9(续)力臂长度L/m拉伸强度吨.T/MPa挤压强度L.c!MPa1800 680.3 688.9 1 900 618.5 626. 7 2000 566.4 一572.6表A.10键合面积为90mX90m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/m拉伸强度饨.T/MPa挤压强度饨.c/MPa800 2 170.8 2 257.1 900 1 79 1. 2 1 8

26、54.4 1000 1 503. 7 1 551. 3 1 100 1 280.5 1 317.2 1200 1 103.7 1 132.6 1 300 96 1. 1 -984.2 1400 844.6 -863.4 1 500 748.1 一763.51 600 667.3 680. 1 1700 598.9 609. 7 1800 540. 5 549.7 1 900 490. 3 498. 1 2000 446.8 -453.5 表A.11键合面积为100.mX 100m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/P.ffi拉伸强度饨.T/MPa挤压强度L.c/MPa800 1 883.4 -17

27、51. 9 850 1 699.4 -1576.6 900 1 54 1. 1 1 426.5 950 1 403.8 1 296.7 1000 1 284.2 1 184.1 1050 1 179.4 -1085.5 1 100 1 086. 5 -998.6 1 150 1 004. 5 92 1. 9 1 200 93 1. 5 853.8 1 250 866.0 792. 8 1 300 807.4 一738.31 350 754.4 689. 1 1400 706.4 -644.7 12 GB/T 28277-2012 表A.12键合面积为110mX110m的挤压强度和拉伸强度力臂长

28、度L/1ffi拉伸强度吨.T/MPa挤压强度饨.c/MPa800 1 41 1. 3 一1413.9 850 1 268.7 -1267.7 900 1 147.4 1 143.4 950 1 042.2 -1036.3 1 000 950.9 一943.6 1 050 871. 3 -862.8 1 100 801. 0 一791.9 1 150 739.1 一729.51200 684.0 674.2 1250 634.9 624. 9 1300 590.8 一580.8 1 350 551. 2 54 1. 3 1 400 515.5 -505.6 表A.13键合面积为120mX120m

29、的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/1ffi拉伸强度饨.T/MPa挤压强度吨.c/MPa700 1 355.1 -1309.5 750 1 199.5 1 154.3 800 1 069.4 -1025.5 850 959.3 917.1 900 865.5 824.9 950 784.2 一745.81 000 714.4 -677.7 1 050 653.3 一618.5 1 100 599.8 一566.71 150 552. 6 一521.2 1200 510. 7 一480.91 250 473.4 445.2 1 300 439. 9 -413.1 13 GB/T 28277-2012

30、 表A.14键合面积为130Jm X 130m的挤压强度和拉伸强度力臂*度L/m拉伸强度L.T/MPa挤压强度L.C/MPa600 1 636. 1 -1466.8 625 1 522.9 1 361. 1 650 1 419.7 1 265.5 675 1 327. 5 -1 180.3 700 1 244.1 1 103.4 725 1 167.7 1 033.4 750 1 098. 6 -970.1 775 1 035.7 912.8 800 977.7 -860.0 825 924.0 -811. 4 850 875.2 767.2 875 830.2 726.6 900 788.5

31、 689.1 表A.15键合面积为140flmX 140m的挤压强度和拉伸强度千T臂长度L/.um拉伸强度L.，./MPa挤压强度汀./MP. 600 1 340.4 1 356.2 625 1 246.0 -1256.6 650 1 160.9 -1167.2 675 1 084.3 1 087.3 700 1 014.9 一1015.1 725 952.1 949.7 750 894. 9 890.5 775 842.8 836. 9 800 795.1 787.8 825 75 1. 1 742.8 850 710. 9 70 1. 7 875 673.7 -663.8 900 639.

32、3 一629.114 GB/T 28277-2012 表A.16键合面积为150mX150m的挤压强度和拉伸强度力臂长度L/f-Lm拉伸强度饨.T/MPa挤压强度饨.c/MPa500 1 652.7 1 538.9 525 1 515.2 1 449.6 550 1 393.7 1 285.5 575 1 286.8 1 220.4 600 1 19 1. 6 -1 125.8 625 1 106.8 一1009.3 650 1 030.2 -966.7 675 96 1. 6 -871. 3 700 899.4 -812.6 725 843.0 一784.1 750 79 1. 9 一734

33、.8775 745.3 668. 3 800 702. 7 -628.6 825 663. 5 一592.1 850 627.5 577.0 875 594.4 545.6 900 563.9 一500.5 15 GB/T 28277-2012 附录B(资料性附录)拉压式检测结构测试实例需要检测面积为110mX110m硅-玻璃键合面的键合强度，用拉压式检测结构。结构关键尺寸如表B.l所示。并对力臂长度做序列设计，长度从800ml400m，间隔为50m。表B.1检测结构设计尺寸单位为微米L A H w h d 800-1400 10-150 70 200 80 100 说明zH 检测结构力臂厚度

34、ph 键合区支持梁高度za一一键合区边长;L一一检测结构力臂长度，该参数需要序列设计FW 检测结构力臂宽度sd 探针作用点宽度。检测时，从力臂最长(1400m)的检测结构开始，用探针在探针作用点竖直对检测结构施加压力，并同时用探针台的显微镜观察。在检测结构末端接触到底部基片时，判断测试结构是否断裂。如果没有断裂，缓慢抬起并移动探针，对下一个力臂稍短(1350m)的检测结构进行测试。重复上面的操作。在力臂长为1050m时，检测结构仍然没有断裂F但在力臂长为1000m时，结构断裂。此时参照表A.12，查出键合强度为950.9MPa。如需要更加精确地分辨强度大小，可以将力臂的长度间隔设计得更小。通过

35、将表A.12中的数值做差值处理，可以得到没有在表中出现的力臂长度对应的键合强度大小。检测中，若断裂发生在测试结构的体硅中，此时可认定键合强度大于体硅强度。16 NFON|hhNNH阁。华人民共和国家标准硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法GB/T 28277-2012 国中* 中国标准出版社出版发行北京市朝阳区和平里西街甲2号(100013)北京市西城区三里河北街16号(10004日网址总编室:(010)64275323发行中心:(010)51780235读者服务部:(010)68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销* 开本880X 1230 1/16 印张1.5字数33千字2012年11月第一版2012年11月第一次印刷争书号:155066. 1-45574定价24.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68510107GB/T 28277-2012 打印日期:2012年12月18日F008AOO