硅基MEMS制造技术检测方法国际提案介绍
2018-03-08 19:32:07   来源：微迷   评论：0   点击：

中国电子技术标准化研究院 李博、韩轶

北京大学 张大成

摘要：介绍了由我国提出的国际标准提案IEC 62047-25《硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法》的重要意义和主要技术内容。该标准对于微米级微小键合区的键合强度测量提供了通用、有效的方法。标准提出了拉压法和剪切法两种测试方法的测试流程。此外还介绍了MEMS理论基础、技术研究基础和国际上MEMS标准化的相关情况。

1. 提案背景

MEMS是指用微电子技术和微加工技术相结合的工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。MEMS已经步入我们生活的很多方面，包括汽车电子、消费电子以及医疗等领域。例如，在消费电子领域，苹果公司颇有想象力地使用MEMS加速度计来支持iPhone显示器横向与纵向画面的自动切换，取得了巨大的成功，从而刺激了智能手机用于探测运动的MEMS传感器应用的激增。

我国在MEMS的设计和制造领域也取得了长足的发展。北京大学、清华大学、上海微系统所、中电13所、中电49所、中电55所、东南大学和上海交通大学等单位的研究在国内乃至国际均处于领先水平。本文所介绍的《硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法》正是基于北京大学的科研成果而提出的一项国际标准提案。

2. 国际标准提案介绍

2.1 概述

MEMS研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：

(1) 理论基础

在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。

(2) 技术基础研究

主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。

(3) 微机械在各学科领域的应用研究

由于MEMS产品结构的特殊性，对其生产过程中的材料、关键工艺的控制一直是国际上关注的热点，作为国际上最为活跃的MEMS标准化组织IEC/TC47/SC47F（MEMS分技术委员会）近年来制定一系列标准，如IEC 62047-17《半导体器件微电子微机械器件第17部分：薄膜材料的膨胀机械性能测量方法》、IEC 62047-18《半导体器件微电子微机械器件第18部分：薄膜材料弯曲试验方法》等重要的微结构测试方法，满足了MEMS制造过程中对其微结构进行考核的需求。

随着试验方法的成熟，MEMS国际标准也在向着由测试方法标准向产品规范的方向发展。如MEMS陀螺仪应用在汽车上对汽车进行控制，近年随着技术的进步，MEMS陀螺仪芯片已大量用于手机等终端设备中，IEC/TC47/SC47F也制定IEC 62047-20《半导体器件微电子微机械器件第20部分：陀螺仪》标准来规范手机用MEMS陀螺仪芯片的生产与测试；以及IEC 62047-5《半导体器件微电子微机械器件第5部分：RF MEMS开关》用来规范通信设备用射频MEMS开关的参数要求和测试方法。可预计，在不久的将来，IEC会制订越来越多的MEMS产品规范以满足国际上MEMS产品日益丰富的市场需求。

2.2 标准的意义

2013年初，北京大学张大成教授代表我国向IEC/TC47/SC47F提出了《硅基MEMS制造技术微键合区剪切和拉压强度检测方法》，并获得立项。该项标准是我国在IEC/TC47/SC47F第一个获得立项的标准，它的提出对于MEMS标准化而言也具有非常重要的意义：

(1) 硅基MEMS制造技术

MEMS的制造技术主要分为三类：

● 基于X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA技术，以德国为代表；

● 精密机械加工技术，以日本为代表；

● 以集成电路技术和材料基础上发展而来的硅基MEMS制造技术，起源于美国。硅基MEMS制造技术沿用了半导体技术的工艺和材料，并在微机械加工领域进行了有效的拓展，具有可批量生产、成本低廉以及易与电路集成等优点，成为MEMS制造技术的主流。

由于MEMS器件种类繁多，并且多数具有可动结构，因此，其在设计、材料、制造等方面与半导体技术又有很大不同，这也造成了MEMS研究的方向和内容具有很大的分散性。在这种情况下，MEMS标准化的核心是开发一种或多种适用性较强、稳定的、成品率较高的工艺模块，并在此基础上建立相应的设计准则。因此，硅基MEMS制造技术标准代表了目前国际的主流方向，也是MEMS标准化的核心内容，具有极其重要的意义。

(2) 微键合区键合强度的检测

键合是MEMS中最常用的工艺之一，键合强度是键合工艺的一个重要的评价指标。传统键合强度检测方法只能针对圆片级或大面积键合结构的评价。在微小键合区的键合强度测量技术方面有一定的研究成果报道，但多数存在方法复杂、适用范围有限等问题，还没有形成被行业广泛采用的通用、有效的方法。而在MEMS领域，对微小键合面积键合强度的标准检测在科研和生产过程中存在明确需求，希望提出一种合理、有效且被广泛认同的检测手段。

本标准基于北京大学微米纳米加工技术国家级重点实验室多年来在硅基MEMS制造技术领域的研究成果而提出，可以为键合工艺质量的评价提供简单、有效、可广泛应用的方法，成为技术研究和产业化发展中讨论微结构键合强度的共同语言。对键合技术的深入研究和微纳加工平台与用户间加工结果交付提供工艺结果的基础判据支撑，对MEMS产业的发展具有现实的促进作用。

2.3 标准主要内容

图1是以微电子工艺为主要技术实现的MEMS结构示意图。图1中，圆圈所示的位置为键合区域。MEMS中该键合区域的尺寸为微米量级。在微米量级下，精确测量键合强度难度极大。而我国新提出的国际标准提案中，提出了小尺寸区域剪切和拉压键合强度快速准确测量、判断键合工艺质量的方法。

标准中提出了拉压法和剪切法。拉压式微结构键合强度检测方法通过设计一系列不同结构参数的检测结构，利用微探针对检测结构施加竖直正压力（施力方向见图1），由键合面断裂发生时对应的测试结构计算出拉压键合强度大小。

图1 典型的MEMS键合结构示意图

剪切式微结构键合强度检测通过设计检测结构和对应的偏转标尺，利用微探针对检测结构施加水平推力（施力方向见图1），由键合面断裂发生时检测结构末端指针在偏转标尺上的读数计算出键合强度大小。

该标准中的方法具有以下优点：

(1) 操作设备简单，只需要一个用于施加压力的微探针，以及一台显微镜就可进行；

(2) 不需要专门设计样片；

(3) 读数简单，测试过程快速准确。

延伸阅读：

《MEMS封装市场及技术发展趋势-2017版》