一種提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)（MEMS)工藝質(zhì)量監(jiān)控和可靠性測試領(lǐng)域，涉及提取 體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法及系統(tǒng)，特別應(yīng)用在定量提取體硅工藝制造的微 梁拉伸斷裂強度和預(yù)測器件機械可靠性的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 九十年代以來，微電子機械系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)進入了高速發(fā)展階段，不僅是因為概 念新穎，而且是由于MEMS器件跟傳統(tǒng)器件相比，具有小型化、集成化以及性能更優(yōu)的前景 特點。如今MEMS已經(jīng)廣泛用于汽車、航空航天、信息控制、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。
[0003] 利用體硅MEMS工藝制造的MEMS器件，其機械結(jié)構(gòu)基本都是利用干法刻蝕（或濕 法腐蝕）釋放形成的。由于刻蝕（腐蝕）工藝的特殊性，表面必然存在損傷或微裂紋，導(dǎo)致 其斷裂強度遠遠達不到理想的硅材料的值，嚴(yán)重影響器件的機械可靠性。所以為了預(yù)測器 件可靠性，在MEMS器件規(guī)模制造過程中需要對這種微機械結(jié)構(gòu)的斷裂強度進行參數(shù)提取。 其中，微梁的拉伸斷裂強度就是非常重要的一項參數(shù)。
[0004] 現(xiàn)有的測量材料拉伸強度的方法主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的拉伸強度試驗機（萬 能試驗機），此方法適用于宏觀結(jié)構(gòu)的測量，而對于MEMS中的微梁結(jié)構(gòu)，卻因為夾取和定位 的困難，無法進行拉伸強度的測量；另外一種是設(shè)計相應(yīng)的片上試驗機結(jié)構(gòu)，此方法雖然解 決了定位和夾取的問題，但是卻無法提供足夠的負載力（通常是利用靜電吸引或者熱驅(qū)的 方式提供負載力），無法測量體硅工藝制作的這種尺寸稍大的結(jié)構(gòu)（無法使其斷裂）。故需 要提出更加合理的方法來提取體硅工藝制造的微梁的拉伸斷裂強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 通過上面的分析可知，傳統(tǒng)的拉伸斷裂強度提取方法無法應(yīng)用在體硅工藝制造的 微梁結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的目的是提出一種提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法及系 統(tǒng)，利用新設(shè)計的片上試驗機結(jié)構(gòu)和微電子工藝檢測分析用探針臺相結(jié)合的系統(tǒng)，提取微 梁的拉伸斷裂強度參數(shù)。此方法可用來進行刻蝕（腐蝕）工藝監(jiān)測，也可用來預(yù)測器件的 機械可靠性。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的系統(tǒng)，包括片上試驗機和用于對片 上試驗機施加負載力的探針臺，所述片上試驗機包括被測微梁、圓柱形鉸接支座、彈性結(jié) 構(gòu)、防撞塊、可動框架、測力標(biāo)尺和襯底，所述被測微梁的一端通過彈性結(jié)構(gòu)連接在片上試 驗機可動框架上，一端通過環(huán)形結(jié)構(gòu)套在圓柱形鉸接支座上。所述圓柱形鉸接支座通過錨 腿（anchor)固定在襯底上。所述防撞塊遍布在片上試驗機可動框架周圍，通過銷腿固定在 襯底上，所述測力標(biāo)尺連接在彈性結(jié)構(gòu)上。
[0008] 其中，所述彈性結(jié)構(gòu)用于傳遞負載力，所述防撞塊用于保證片上試驗機在工作時 的行進路線，所述測力標(biāo)尺用于記錄所述彈性結(jié)構(gòu)的形變信息。
[0009] 進一步地，所述圓柱形鉸接支座通過錨腿與襯底形成剛性連接，所述防撞塊通過 錨腿剛性固定在襯底上，所述測力標(biāo)尺剛性連接在彈性結(jié)構(gòu)上。
[0010] 進一步地，所述錨腿可為圓截面錨腿、矩形截面錨腿或多錨腿組合。
[0011] -種提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法，其步驟包括：
[0012] 1)制作片上試驗機；
[0013] 2)利用探針臺探針對所述片上試驗機施加位移負載，直至片上試驗機中被測微梁 斷裂，記錄片上試驗機中測力標(biāo)尺的讀數(shù)；
[0014] 3)測量并計算出被測微梁斷裂時被測微梁上所受的拉伸力，得到拉伸斷裂強度。
[0015] 進一步地，步驟1)中通過鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝制作片上試驗機。
[0016] 進一步地，步驟1)具體包括以下步驟：
[0017] (1)錨腿制造：在硅片上利用光刻和刻蝕技術(shù)，形成錨腿結(jié)構(gòu)；
[0018] (2)將錨腿剛性固定在襯底上：利用陽極鍵合技術(shù)使帶有錨腿的硅面鍵合在襯底 玻璃片上；
[0019] (3)利用背面（非錨腿面）光刻和深刻蝕技術(shù)，釋放結(jié)構(gòu)，制成
[0020] 片上試驗機。
[0021] 進一步地，所述圓柱形鉸接支座與環(huán)形結(jié)構(gòu)共同形成微梁與圓柱形鉸接支座的 鉸接結(jié)構(gòu)，在片上試驗機工作中只向微梁提供力而不能提供彎矩，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性 (只受拉伸力作用）。
[0022] 進一步地，所述測力標(biāo)尺用來記錄所述彈性結(jié)構(gòu)的形變信息，然后通過ANSYS等 有限元仿真工具得到彈性結(jié)構(gòu)的受力，即是被測微梁上所受的拉伸力。
[0023] 進一步地，利用所述拉伸力，除以所述微梁的橫截面積，即可得到拉伸斷裂強度。
[0024] 本發(fā)明為了提取體硅工藝制造微梁的拉伸斷裂強度，設(shè)計了相應(yīng)的片上試驗機結(jié) 構(gòu)，提出了一種利用片上試驗機和微電子工藝檢測分析用探針臺相結(jié)合提取體硅工藝制造 的微梁拉伸斷裂強度的方法及系統(tǒng)。與現(xiàn)有的拉伸強度提取方法及系統(tǒng)相比，有如下優(yōu) 占 .
[0025] 1)具備自定位、自測力能力；
[0026] 2)鉸接連接有效地減小了探針偏差對測量準(zhǔn)確度的影響；
[0027] 3)具備施加大負載的能力（mN以上的力），滿足各種測量要求；
[0028] 4)方法簡單，不需要大型高精密儀器。
【附圖說明】
[0029] 圖1是整體示意圖；1為片上試驗機，2為探針臺探針。
[0030] 圖2是被測微梁部分的俯視圖（a)和側(cè)視圖（b) ; 101為被測微梁，105為圓柱形 銷點。
[0031] 圖3是整個片上試驗機的俯視圖（a)和側(cè)視圖（b) ;101為被測微梁，102為彈性 梁，103為測力標(biāo)尺，104為防撞塊，105為圓柱形錨點。
[0032] 圖4是片上試驗機的制備流程圖，3為錨腿，4為硅片，5為防footing電極，6為玻 璃。
【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明提出了一種提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法。下面就結(jié)合北 京大學(xué)的鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝，描述如何利用此方法來提取此工藝制造的微梁的拉伸 斷裂強度，主要的步驟如下：
[0034] (1)工藝流片。采用的工藝為鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝，如圖4所示，主要包括：
[0035] (a) ASE硅片4,4 μ m，刻出錨腿臺階，形成錨腿3 ;
[0036] (b)BHF 腐蝕玻璃 6,1000 ~1200A，濺射 Ti/Pt/Au，形成防 footing 電極 5 ;
[0037] (c)硅片和玻璃片陽極鍵合；
[0038] (d)KOH 減薄硅面，余厚 75±5ym;
[0039] (e)ASE硅片，結(jié)構(gòu)釋放，得到如圖3中描述的整個片上試驗機結(jié)構(gòu)，陰影部分為錨 腿，錨腿固定在底下襯底玻璃上（襯底玻璃片未畫），非陰影部分為懸空可動結(jié)構(gòu)。
[0040] ⑵探針臺測試。如圖1所示，利用探針臺探針2,對片上試驗機1緩慢勻速地施加 位移負載，不斷增加位移，直至被測微梁斷裂，記錄下被測微梁斷裂時測力標(biāo)尺的指數(shù)（也 可實時記錄整個過程測力標(biāo)尺的指數(shù)），再通過ANSYS有限元仿真工具，得到被測梁斷裂時 受到的力，再結(jié)合材料力學(xué)很容易得到斷裂時微梁中的拉伸應(yīng)力。多次重復(fù)上述過程進行 測量，即可得到經(jīng)過此次工藝制造的微梁的統(tǒng)計拉伸斷裂強度值，此次的測量結(jié)果平均為 I. 3GPa(但由于工藝的不穩(wěn)定性，不同制造批次的測量結(jié)果將不同）。
[0041] 以上通過一個實施例描述了本發(fā)明方法的一個應(yīng)用，即提取鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn) 工藝制造的微梁的拉伸斷裂強度。但需要說明的是，本發(fā)明方法適合經(jīng)過其他體硅加工工 藝制造的微梁的拉伸斷裂強度的提取。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本專利實質(zhì) 的范圍內(nèi)，保持本專利中利用片上試驗機與微電子工藝檢測分析用探針臺相結(jié)合這個特征 外，可對結(jié)構(gòu)做一定的變化和修改，其工藝制備方法也不限于本實施例中的鍵合深刻蝕釋 放標(biāo)準(zhǔn)工藝。本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 一種提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的系統(tǒng)，包括片上試驗機和用于對片上 試驗機施加負載力的探針臺，所述片上試驗機包括被測微梁、圓柱形鉸接支座、彈性結(jié)構(gòu)、 防撞塊、可動框架、測力標(biāo)尺和襯底，所述被測微梁的一端通過彈性結(jié)構(gòu)連接在片上試驗機 可動框架上，一端通過環(huán)形結(jié)構(gòu)套在圓柱形鉸接支座上，所述圓柱形鉸接支座通過錨腿固 定在襯底上，所述防撞塊遍布在片上試驗機可動框架周圍，通過錨腿固定在襯底上，所述測 力標(biāo)尺連接在彈性結(jié)構(gòu)上。
2. 如權(quán)利要求1所述的提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的系統(tǒng)，其特征在于， 所述圓柱形鉸接支座通過錨腿與襯底形成剛性連接，所述防撞塊通過錨腿剛性固定在襯底 上，所述測力標(biāo)尺剛性連接在彈性結(jié)構(gòu)上。
3. 如權(quán)利要求1所述的提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的系統(tǒng)，其特征在于， 所述錨腿為圓截面錨腿、矩形截面錨腿或多錨腿組合。
4. 采用權(quán)利要求1-3任一所述的系統(tǒng)提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法， 其步驟包括： 1) 制作片上試驗機； 2) 利用探針臺探針對所述片上試驗機施加位移負載，直至片上試驗機中被測微梁斷 裂，記錄片上試驗機中測力標(biāo)尺的讀數(shù)； 3) 測量并計算出被測微梁斷裂時被測微梁上所受的拉伸力，得到拉伸斷裂強度。
5. 如權(quán)利要求4所述的提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法，其特征在于， 步驟1)中通過鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝制作片上試驗機。
6. 如權(quán)利要求4所述的提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法，其特征在于， 步驟1)具體包括以下步驟： i) 在硅片上利用光刻和刻蝕技術(shù)，形成錨腿結(jié)構(gòu)； ii) 利用陽極鍵合技術(shù)使帶有錨腿的硅面鍵合在襯底玻璃片上； iii) 利用非錨腿面光刻和深刻蝕技術(shù)，釋放結(jié)構(gòu)，制成片上試驗機。
7. 如權(quán)利要求4所述的提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法，其特征在于， 所述圓柱形鉸接支座與環(huán)形結(jié)構(gòu)共同形成微梁與圓柱形鉸接支座的鉸接結(jié)構(gòu)，在片上試驗 機工作中只向微梁提供力而不能提供彎矩，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
8. 如權(quán)利要求4所述的提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法，其特征在于， 所述測力標(biāo)尺用來記錄所述彈性結(jié)構(gòu)的形變信息，然后通過有限元仿真工具得到彈性結(jié)構(gòu) 的受力，即是被測微梁上所受的拉伸力。
9. 如權(quán)利要求4所述的提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法，其特征在于， 利用所述拉伸力，除以所述被測微梁的橫截面積，即可得到拉伸斷裂強度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提取體硅工藝制造的微梁拉伸斷裂強度的方法及系統(tǒng)，利用新設(shè)計的片上試驗機結(jié)構(gòu)和微電子工藝檢測分析用探針臺相結(jié)合的系統(tǒng)，提取微梁的拉伸斷裂強度參數(shù)。此方法可用來進行刻蝕(腐蝕)工藝監(jiān)測，也可用來預(yù)測器件的機械可靠性。具備自定位、自測力能力；具備施加大負載的能力(mN以上的力)，滿足各種測量要求；方法簡單，不需要大型高精密儀器。
【IPC分類】G01N3-08
【公開號】CN104729919
【申請?zhí)枴緾N201510108879
【發(fā)明人】何軍, 張大成, 張立, 王瑋, 楊芳, 田大宇, 劉鵬, 李婷
【申請人】北京大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月12日