硅基MEMS制造技術檢測方法國際提案介紹
1. 提案背景
MEMS是指用微電子技術和微加工技術相結合的工藝，制造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。MEMS已經步入我們生活的很多方面，包括汽車電子、消費電子以及醫療等領域。例如，在消費電子領域，蘋果公司頗有想象力地使用MEMS加速度計來支持iPhone顯示器橫向與縱向畫面的自動切換，取得了巨大的成功，從而刺激了智能手機用于探測運動的MEMS傳感器應用的激增。
我國在MEMS的設計和制造領域也取得了長足的發展。北京大學、清華大學、上海微系統所、中電13所、中電49所、中電55所、東南大學和上海交通大學等單位的研究在國內乃至國際均處于領先水平。本文所介紹的《硅基MEMS制造技術微鍵合區剪切和拉壓強度檢測方法》正是基于北京大學的科研成果而提出的一項國際標準提案。
2. 國際標準提案介紹
2.1 概述
MEMS研究內容一般可以歸納為以下三個基本方面：
(1) 理論基礎
在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響，許多物理現象與宏觀世界有很大區別，因此許多原來的理論基礎都會發生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者進行基礎研究。
(2) 技術基礎研究
主要包括微機械設計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術、微測量等技術基礎研究。
(3) 微機械在各學科領域的應用研究
由于MEMS產品結構的特殊性，對其生產過程中的材料、關鍵工藝的控制一直是國際上關注的熱點，作為國際上最為活躍的MEMS標準化組織IEC/TC47/SC47F（MEMS分技術委員會）近年來制定一系列標準，如IEC 62047-17《半導體器件微電子微機械器件第17部分：薄膜材料的膨脹機械性能測量方法》、IEC 62047-18《半導體器件微電子微機械器件第18部分：薄膜材料彎曲試驗方法》等重要的微結構測試方法，滿足了MEMS制造過程中對其微結構進行考核的需求。
隨著試驗方法的成熟，MEMS國際標準也在向著由測試方法標準向產品規范的方向發展。如MEMS陀螺儀應用在汽車上對汽車進行控制，近年隨著技術的進步，MEMS陀螺儀芯片已大量用于手機等終端設備中，IEC/TC47/SC47F也制定IEC 62047-20《半導體器件微電子微機械器件第20部分：陀螺儀》標準來規范手機用MEMS陀螺儀芯片的生產與測試；以及IEC 62047-5《半導體器件微電子微機械器件第5部分：RF MEMS開關》用來規范通信設備用射頻MEMS開關的參數要求和測試方法。可預計，在不久的將來，IEC會制訂越來越多的MEMS產品規范以滿足國際上MEMS產品日益豐富的市場需求。
2.2 標準的意義
2013年初，北京大學張大成教授代表我國向IEC/TC47/SC47F提出了《硅基MEMS制造技術微鍵合區剪切和拉壓強度檢測方法》，并獲得立項。該項標準是我國在IEC/TC47/SC47F第一個獲得立項的標準，它的提出對于MEMS標準化而言也具有非常重要的意義：
(1) 硅基MEMS制造技術
MEMS的制造技術主要分為三類：
● 基于X射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的LIGA技術，以德國為代表；
● 精密機械加工技術，以日本為代表；
● 以集成電路技術和材料基礎上發展而來的硅基MEMS制造技術，起源于美國。硅基MEMS制造技術沿用了半導體技術的工藝和材料，并在微機械加工領域進行了有效的拓展，具有可批量生產、成本低廉以及易與電路集成等優點，成為MEMS制造技術的主流。
由于MEMS器件種類繁多，并且多數具有可動結構，因此，其在設計、材料、制造等方面與半導體技術又有很大不同，這也造成了MEMS研究的方向和內容具有很大的分散性。在這種情況下，MEMS標準化的核心是開發一種或多種適用性較強、穩定的、成品率較高的工藝模塊，并在此基礎上建立相應的設計準則。因此，硅基MEMS制造技術標準代表了目前國際的主流方向，也是MEMS標準化的核心內容，具有極其重要的意義。
(2) 微鍵合區鍵合強度的檢測
鍵合是MEMS中最常用的工藝之一，鍵合強度是鍵合工藝的一個重要的評價指標。傳統鍵合強度檢測方法只能針對圓片級或大面積鍵合結構的評價。在微小鍵合區的鍵合強度測量技術方面有一定的研究成果報道，但多數存在方法復雜、適用范圍有限等問題，還沒有形成被行業廣泛采用的通用、有效的方法。而在MEMS領域，對微小鍵合面積鍵合強度的標準檢測在科研和生產過程中存在明確需求，希望提出一種合理、有效且被廣泛認同的檢測手段。
本標準基于北京大學微米納米加工技術國家級重點實驗室多年來在硅基MEMS制造技術領域的研究成果而提出，可以為鍵合工藝質量的評價提供簡單、有效、可廣泛應用的方法，成為技術研究和產業化發展中討論微結構鍵合強度的共同語言。對鍵合技術的深入研究和微納加工平臺與用戶間加工結果交付提供工藝結果的基礎判據支撐，對MEMS產業的發展具有現實的促進作用。
2.3 標準主要內容
圖1是以微電子工藝為主要技術實現的MEMS結構示意圖。圖1中，圓圈所示的位置為鍵合區域。MEMS中該鍵合區域的尺寸為微米量級。在微米量級下，精確測量鍵合強度難度極大。而我國新提出的國際標準提案中，提出了小尺寸區域剪切和拉壓鍵合強度快速準確測量、判斷鍵合工藝質量的方法。
標準中提出了拉壓法和剪切法。拉壓式微結構鍵合強度檢測方法通過設計一系列不同結構參數的檢測結構，利用微探針對檢測結構施加豎直正壓力（施力方向見圖1），由鍵合面斷裂發生時對應的測試結構計算出拉壓鍵合強度大小。
剪切式微結構鍵合強度檢測通過設計檢測結構和對應的偏轉標尺，利用微探針對檢測結構施加水平推力（施力方向見圖1），由鍵合面斷裂發生時檢測結構末端指針在偏轉標尺上的讀數計算出鍵合強度大小。
該標準中的方法具有以下優點：
(1) 操作設備簡單，只需要一個用于施加壓力的微探針，以及一臺顯微鏡就可進行；
(2) 不需要專門設計樣片；
(3) 讀數簡單，測試過程快速準確。
作者：李博、韓軼、張大成
-
企業風采
