微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)硅基MEMS納尺度結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)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(shù)語和定義 14要求 25試驗(yàn)方法 4附錄A(資料性)原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)尺寸建議 6附錄B(資料性)原位片上熱驅(qū)動納尺度結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)機(jī)測試實(shí)例 7ⅢGB/T42896—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由全國微機(jī)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC336)提出并歸口。本文件起草單位：北京大學(xué)、中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、北京燕東微電子科技有限公司、寧波芯健半導(dǎo)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(shù)據(jù)科技有限公司、廣州奧松電子股份有限公司。1微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)硅基MEMS納尺度結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)方法本文件描述了硅基MEMS制造技術(shù)中所涉及的納尺度膜結(jié)構(gòu)沿厚度方向沖擊試驗(yàn)的要求和試驗(yàn)方法。本文件適用于采用微電子工藝制造的納尺度結(jié)構(gòu)在一次沖擊負(fù)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(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(yīng)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GB/T2900.28電工術(shù)語電動工具GB/T26111微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)術(shù)語GB/T36416.1試驗(yàn)機(jī)詞匯第1部分：材料試驗(yàn)機(jī)3術(shù)語和定義GB/T2900.28、GB/T26111和GB/T36416.1界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。硅加工工藝siliconprocess硅微加工技術(shù)。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(shù)是相同的。原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)insituon-chipimpacttester由測試結(jié)構(gòu)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(guān)微納結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的試驗(yàn)機(jī)。為了測量材料性能或微結(jié)構(gòu)的性能專門制作的微納結(jié)構(gòu)(例如，懸臂梁或者是固定梁)。注：本文件中為雙端固定梁。將力或位移傳遞到測試結(jié)構(gòu)同時可以讀出力或位移的微結(jié)構(gòu)。2試樣產(chǎn)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(dá)到工作位置時所具有的能量。注：本文件中沖擊體為沖擊錘。4.1原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計要求原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)的示意圖和三視圖如圖1和圖2所示。標(biāo)引序號說明：1——納米測試結(jié)構(gòu)；2——沖擊錘；3——儲能梁；4——錨點(diǎn)；5——擋板；6——釋放結(jié)構(gòu)；7——負(fù)載梁；8——驅(qū)動加載點(diǎn)。圖1原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)示意圖3hta)試驗(yàn)機(jī)三視圖aBdRb)俯視圖中的測試結(jié)構(gòu)區(qū)標(biāo)引序號說明：H——鍵合錨點(diǎn)高度；w——儲能梁寬度；h——懸空結(jié)構(gòu)厚度；a——測試結(jié)構(gòu)長度；L——釋放結(jié)構(gòu)長度；W——釋放結(jié)構(gòu)寬度；d——沖擊錘到測試結(jié)構(gòu)的距離；D——擋板到錨點(diǎn)的距離，該參數(shù)需要序列設(shè)計；R——沖擊錘頭半徑。l——儲能梁長度；圖2原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)三視圖4.1.2結(jié)構(gòu)適用性設(shè)計要求在原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)設(shè)計的沖擊能量范圍內(nèi)，儲能梁不被破壞，在儲能梁加載撓度達(dá)到D前釋放結(jié)構(gòu)不斷裂。同時，在所能提供驅(qū)動力的范圍內(nèi)釋放結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不被破壞。原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)的尺寸設(shè)計可見附錄A;按照上述要求的示例見附錄B。4.1.3結(jié)構(gòu)可加工性設(shè)計要求原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)應(yīng)采用穩(wěn)定重復(fù)、可用于芯片產(chǎn)品加工的標(biāo)準(zhǔn)硅加工工藝流程制造。在非產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)硅加工工藝環(huán)境中，本文件規(guī)定的內(nèi)容可作為定性或參比檢測方法。44.1.4結(jié)構(gòu)有效性設(shè)計要求原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)為軸對稱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動裝置提供的驅(qū)動力保證沖擊錘運(yùn)動方向沿試驗(yàn)機(jī)對稱軸方向，對準(zhǔn)測試結(jié)構(gòu)中線。在驅(qū)動所能輸出的力和位移范圍內(nèi)，儲能梁的設(shè)計剛度保證擋板能夠移動到4.2原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)的制備要求原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)的制備應(yīng)滿足以下要求：a)測試結(jié)構(gòu)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(yàn)效果；b)測試結(jié)構(gòu)材料兼容于試驗(yàn)機(jī)制造的硅加工工藝。4.3試驗(yàn)環(huán)境要求試驗(yàn)應(yīng)在MEMS器件芯片實(shí)際制造環(huán)境中進(jìn)行。5試驗(yàn)方法納尺度結(jié)構(gòu)耐沖擊性能的試驗(yàn)是利用驅(qū)動裝置(如片外探針加載、片上熱驅(qū)加載或片上靜電加載)在顯微鏡觀察下給負(fù)載梁施加如圖1所示方向的驅(qū)動力，通過觀察原位片上試驗(yàn)機(jī)的測試結(jié)構(gòu)的破壞，利用試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定沖擊能量。5.2納尺度結(jié)構(gòu)沖擊能量試驗(yàn)5.2.1納尺度結(jié)構(gòu)沖擊能量試驗(yàn)過程沖擊能量檢驗(yàn)方法過程如圖3所示，具體操作如下：a)對負(fù)載梁施加從零緩慢增大的軸向驅(qū)動力，擋板開始在牽引下運(yùn)動；b)擋板的位移達(dá)到D后，與固定錨點(diǎn)相接觸；c)保持驅(qū)動力持續(xù)增加，釋放結(jié)構(gòu)斷裂并釋放沖擊錘，停止驅(qū)動加載；d)觀測測試結(jié)構(gòu)在沖擊之后的損傷情況。需要對一序列的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)測試結(jié)構(gòu)第一次發(fā)生破壞時，記錄對應(yīng)的D值為D;(D+?>D;)判定測試結(jié)構(gòu)能夠承受的最大沖擊能量為Kp;。5GB/T42896—2023圖3試驗(yàn)過程示意圖5.2.2納尺度結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)結(jié)果計算沖擊后在顯微鏡下檢查測試結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在沖擊斷裂時所在原位片上試驗(yàn)機(jī)的最大加載撓度D,沖擊能量可按公式(1)計算?！?1)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(diǎn)的距離，單位為微米(μm);d——沖擊錘到測試結(jié)構(gòu)的距離，單位為微米(μm);L儲能梁長度，為實(shí)際工藝測量得到，單位為微米(μm);w——儲能梁寬度，為實(shí)際工藝測量得到，單位為微米(μm);h——儲能梁厚度，為實(shí)際工藝測量得到，單位為微米(μm);R——錘頭半徑，為實(shí)際工藝測量得到，單位為微米(μm)。6(資料性)原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)尺寸建議操作時試驗(yàn)機(jī)的D值是一個范圍，表A.1僅取D=30μm的數(shù)值。在表中的建議尺寸下測試結(jié)構(gòu)可以被沖擊破壞。該標(biāo)準(zhǔn)測試方法同樣適用于微米尺度測試結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能測試，但需要對測試裝置尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以匹配測試結(jié)構(gòu)。表A.1原位片上沖擊試驗(yàn)機(jī)尺寸建議單位為微米lwhDdabR666667(資料性)原位片上熱驅(qū)動納尺度結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)機(jī)測試實(shí)例外加驅(qū)動方式選取為熱驅(qū)動，整體結(jié)構(gòu)及三視圖如圖B.1和圖B.2所示，表B.1給出了該試驗(yàn)機(jī)關(guān)鍵尺寸的建議值。標(biāo)引序號說明：U——熱驅(qū)動梁加載電壓。圖B.1熱驅(qū)動沖擊試驗(yàn)機(jī)示意圖標(biāo)引序號說明：h——懸空結(jié)構(gòu)厚度；L?——放大杠桿長度；θ?——放大杠桿與負(fù)載梁夾角；W?——放大杠桿寬度；L?—-熱驅(qū)動梁長度；θ?——熱驅(qū)動梁與負(fù)載梁夾角；W?——熱驅(qū)動梁寬度；L?——釋放結(jié)構(gòu)長度；W?——釋放結(jié)構(gòu)寬度；l——儲能梁長度；w——儲能梁寬度；H——鍵合錨點(diǎn)高度；D——擋板到錨點(diǎn)的距離；a——測試結(jié)構(gòu)長度。圖B.2熱驅(qū)動沖擊試驗(yàn)機(jī)三視圖8表B.1試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸h/μmL?/μmW?/μmL?/μmW?/μmLa/μmW?/μmw/μmR/μm3表中膜的尺寸給出，釋放結(jié)構(gòu)選取寬度為3μm。單晶硅的電阻率為0.002Ω·cm。級聯(lián)的熱驅(qū)動梁數(shù)目為30組，經(jīng)過有限元仿真，在加載電壓為5V時，符合該尺寸的試驗(yàn)機(jī)可以在圖1所示運(yùn)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(shè)計，長度為10μm～40μm,間隔為5μm。檢測時，從加載撓度最大(40μm)的試驗(yàn)機(jī)開始，用探針在兩端錨點(diǎn)對熱驅(qū)動梁同步施加電壓，并同時用探針臺的顯微鏡