GB-T 42896-2023 微機電系統(tǒng)（MEMS）技術 硅基MEMS納尺度結構沖擊試驗方法

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術硅基MEMS納尺度結構沖擊試驗方法2023-08-06發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局I前言 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 14要求 25試驗方法 4附錄A(資料性)原位片上沖擊試驗機尺寸建議 6附錄B(資料性)原位片上熱驅動納尺度結構沖擊試驗機測試實例 7本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國微機電技術標準化技術委員會(SAC/TC336)提出并歸口。本文件起草單位：北京大學、中機生產力促進中心有限公司、中國電子技術標準化研究院、北京燕東微電子科技有限公司、寧波芯健半導體有限公司、深圳市美思先端電子有限公司、上海臨港新片區(qū)跨境數據科技有限公司、廣州奧松電子股份有限公司。微機電系統(tǒng)(MEMS)技術硅基MEMS納尺度結構沖擊試驗方法本文件描述了硅基MEMS制造技術中所涉及的納尺度膜結構沿厚度方向沖擊試驗的要求和試驗方法。本文件適用于采用微電子工藝制造的納尺度結構在一次沖擊負荷作用下的耐沖擊性能的測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T2900.28電工術語電動工具GB/T26111微機電系統(tǒng)(MEMS)技術術語GB/T36416.1試驗機詞匯第1部分：材料試驗機3術語和定義GB/T2900.28、GB/T26111和GB/T36416.1界定的以及下列術語和定義適用于本文件。硅加工工藝siliconprocess硅微加工技術。注：雖然硅工藝一般分為表面微加工和體硅微加工，但其中的許多技術是相同的。原位片上沖擊試驗機insituon-chipimpacttester由測試結構和測試裝置組成，并將二者集成在同一晶圓上采用同一工藝流程加工形成的用于評估工藝相關微納結構抗沖擊性能的試驗機。為了測量材料性能或微結構的性能專門制作的微納結構(例如，懸臂梁或者是固定梁)。測試裝置testingdevice將力或位移傳遞到測試結構同時可以讀出力或位移的微結構。試樣產生彎曲變形時，橫截面中心在垂直于變形前軸線方向上的位移。K沖擊類工具的沖擊體在規(guī)定條件下，沖擊達到工作位置時所具有的能量。注：本文件中沖擊體為沖擊錘。4要求4.1原位片上沖擊試驗機的設計要求原位片上沖擊試驗機的示意圖和三視圖如圖1和圖2所示。標引序號說明：1——納米測試結構；2——沖擊錘；3——儲能梁；4——錨點；5——擋板；6——釋放結構；7——負載梁；8——驅動加載點。圖1原位片上沖擊試驗機示意圖2HHa)試驗機三視圖!aRBb)俯視圖中的測試結構區(qū)標引序號說明：H——鍵合錨點高度；w——儲能梁寬度；h——懸空結構厚度；a——測試結構長度；L—-釋放結構長度；W——釋放結構寬度；d——沖擊錘到測試結構的距離；D——擋板到錨點的距離，該參數需要序列設計；R——沖擊錘頭半徑。l——儲能梁長度；圖2原位片上沖擊試驗機結構三視圖4.1.2結構適用性設計要求在原位片上沖擊試驗機設計的沖擊能量范圍內，儲能梁不被破壞，在儲能梁加載撓度達到D前釋放結構不斷裂。同時，在所能提供驅動力的范圍內釋放結構能夠斷裂以釋放沖擊錘。在整個測試過程中，測試裝置其他結構不被破壞。原位片上沖擊試驗機的尺寸設計可見附錄A;按照上述要求的示例見附錄B。4.1.3結構可加工性設計要求原位片上沖擊試驗機應采用穩(wěn)定重復、可用于芯片產品加工的標準硅加工工藝流程制造。在非產業(yè)化標準硅加工工藝環(huán)境中，本文件規(guī)定的內容可作為定性或參比檢測方法。34.1.4結構有效性設計要求原位片上沖擊試驗機為軸對稱結構，驅動裝置提供的驅動力保證沖擊錘運動方向沿試驗機對稱軸方向，對準測試結構中線。在驅動所能輸出的力和位移范圍內，儲能梁的設計剛度保證擋板能夠移動到4.2原位片上沖擊試驗機的制備要求原位片上沖擊試驗機的制備應滿足以下要求：a)測試結構和測試裝置的制備與MEMS器件芯片制造工藝相同，以保證原位片上試驗效果；b)測試結構材料兼容于試驗機制造的硅加工工藝。4.3試驗環(huán)境要求試驗應在MEMS器件芯片實際制造環(huán)境中進行。5試驗方法5.1概述納尺度結構耐沖擊性能的試驗是利用驅動裝置(如片外探針加載、片上熱驅加載或片上靜電加載)在顯微鏡觀察下給負載梁施加如圖1所示方向的驅動力，通過觀察原位片上試驗機的測試結構的破壞，利用試驗機的結構參數確定沖擊能量。5.2納尺度結構沖擊能量試驗5.2.1納尺度結構沖擊能量試驗過程沖擊能量檢驗方法過程如圖3所示，具體操作如下：a)對負載梁施加從零緩慢增大的軸向驅動力，擋板開始在牽引下運動；b)擋板的位移達到D后，與固定錨點相接觸；c)保持驅動力持續(xù)增加，釋放結構斷裂并釋放沖擊錘，停止驅動加載；d)觀測測試結構在沖擊之后的損傷情況。需要對一序列的試驗機進行試驗。當測試結構第一次發(fā)生破壞時，記錄對應的D值為D+(D+?>D;)判定測試結構能夠承受的最大沖擊能量為Kp,。4圖3試驗過程示意圖5.2.2納尺度結構沖擊試驗結果計算沖擊后在顯微鏡下檢查測試結構損傷情況，按損傷程度分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個等級。利用測試結構在沖擊斷裂時所在原位片上試驗機的最大加載撓度D,沖擊能量可按公式(1)計算。式中：K——沖擊能量，單位為焦耳(J);E——楊氏模量，單位為帕(Pa);D——擋板到錨點的距離，單位為微米(μm);d——沖擊錘到測試結構的距離，單位為微米(μm);l——儲能梁長度，為實際工藝測量得到，單位為微米(μm);w——儲能梁寬度，為實際工藝測量得到，單位為微米(μm);h——儲能梁厚度，為實際工藝測量得到，單位為微米(μm);R錘頭半徑，為實際工藝測量得到，單位為微米(μm)。5(資料性)原位片上沖擊試驗機尺寸建議操作時試驗機的D值是一個范圍，表A.1僅取D=30μm的數值。在表中的建議尺寸下測試結構可以被沖擊破壞。該標準測試方法同樣適用于微米尺度測試結構的抗沖擊性能測試，但需要對測試裝置尺寸進行適當調整以匹配測試結構。表A.1原位片上沖擊試驗機尺寸建議lwhDdabR666666(資料性)原位片上熱驅動納尺度結構沖擊試驗機測試實例外加驅動方式選取為熱驅動，整體結構及三視圖如圖B.1和圖B.2所示，表B.1給出了該試驗機關鍵尺寸的建議值。標引序號說明：U——熱驅動梁加載電壓。圖B.1熱驅動沖擊試驗機示意圖L?L?H標引序號說明：h——懸空結構厚度；L,——放大杠桿長度；θ?——放大杠桿與負載梁夾角；W?——放大杠桿寬度；L?—-熱驅動梁長度；θ?——熱驅動梁與負載梁夾角；W?——熱驅動梁寬度；L?——釋放結構長度；W?——釋放結構寬度；l——儲能梁長度；w——儲能梁寬度；H——鍵合錨點高度；D——擋板到錨點的距離；a——測試結構長度。圖B.2熱驅動沖擊試驗機三視圖78表B.1試驗機結構設計尺寸h/μmL?/μmW?/μmL?/μmW?/μmLa/μmW?/μmw/μmR/μm3表中膜的尺寸給出，釋放結構選取寬度為3μm。單晶硅的電阻率為0.002Ω·cm。級聯(lián)的熱驅動梁數目為30組，經過有限元仿真，在加載電壓為5V時，符合該尺寸的試驗機可以在圖1所示運動方向上提供40μm的位移，在高于該值時，放大杠桿會發(fā)生彎曲，最大加載撓度D不超過40μm。對加載撓度做序列設計，長度為10μm～40μm,間隔為5μm。檢測時，從加載撓度最大(40μm)的試驗機開始，用探針在兩端錨點對熱驅動梁同步施加電壓，并同時用探針臺的顯微鏡