一種利用表面斷裂強(qiáng)度檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用表面斷裂強(qiáng)度檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的方法及裝置。該方法采用包含刻蝕表面的等強(qiáng)度梁，利用探針臺(tái)探針對(duì)所述等強(qiáng)度梁的刻蝕表面施加位移負(fù)載，直至所述等強(qiáng)度梁斷裂；然后測(cè)量所述等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)刻蝕表面受到的應(yīng)力，得到表面斷裂強(qiáng)度，利用該斷裂強(qiáng)度判定刻蝕表面的質(zhì)量。該裝置包括等強(qiáng)度梁和片上多功能針頭；所述片上多功能針頭包括針尖，支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)，以及測(cè)量所述針尖的位移的測(cè)力標(biāo)尺。本發(fā)明從斷裂強(qiáng)度角度去檢測(cè)和評(píng)價(jià)表面質(zhì)量，能夠反映刻蝕表面的粗糙、微裂紋水平，對(duì)器件性能、可靠性具有更高的參考價(jià)值，操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。
【專利說明】一種利用表面斷裂強(qiáng)度檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)工藝質(zhì)量監(jiān)測(cè)和可靠性測(cè)試領(lǐng)域，涉及對(duì)刻蝕表面進(jìn)行檢測(cè)和定量評(píng)價(jià)，采用的是對(duì)等強(qiáng)度梁進(jìn)行彎曲斷裂測(cè)試的方法，特別應(yīng)用在定量評(píng)價(jià)刻蝕工藝水平和器件機(jī)械可靠性的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]九十年代以來，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，不僅是因?yàn)楦拍钚路f，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(diǎn)。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]干法刻蝕工藝是MEMS制造領(lǐng)域非常重要的一項(xiàng)工藝，在各種不同的標(biāo)準(zhǔn)工藝?yán)锩娑际潜夭豢缮俚慕巧?。而干法刻蝕工藝的刻蝕水平嚴(yán)重影響了器件的功能以及后續(xù)的可靠性，尤其是深刻蝕，因?yàn)樯羁涛g通常會(huì)有例如footing效應(yīng)、表面縱向螺紋、橫向粗糙、微裂紋等非理想因素。一方面，為了縮短器件設(shè)計(jì)加工周期，避免不必要的返工操作，器件加工方必須向器件設(shè)計(jì)方提供該工藝的加工能力。對(duì)于刻蝕工藝，現(xiàn)有的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法有刻蝕深寬比、垂直度參數(shù)，但僅僅這兩項(xiàng)參數(shù)并不能完全代表刻蝕工藝的水平，需要另外的參數(shù)來定量評(píng)價(jià)刻蝕面的表面質(zhì)量。利用表面粗糙是可行的一個(gè)方案，但由于測(cè)量表面粗糙通常需要很復(fù)雜的儀器系統(tǒng)，而且需要特殊制備樣品才能觀測(cè)到刻蝕側(cè)壁的粗糙程度，非常不利于工藝的在線監(jiān)測(cè)，故需要利用其他可行的參數(shù)來評(píng)價(jià)刻蝕表面質(zhì)量。另一方面，作為器件設(shè)計(jì)方，必須知道所設(shè)計(jì)的器件的可靠性。而利用干法刻蝕工藝制造出來的器件，正如前文所描述的，由于粗糙、裂紋的存在，器件的機(jī)械參數(shù)(如斷裂強(qiáng)度、疲勞等)已經(jīng)不再是體硅材料的值。為了研究器件的可靠性，必須要提取此類非理想表面(刻蝕表面)的機(jī)械特性，而現(xiàn)有的方法，例如等截面梁的斷裂測(cè)試，并不能完全反映整個(gè)刻蝕表面的機(jī)械特性，故需要設(shè)計(jì)更加合理的結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]通過上面的分析可知，作為器件加工方，需要向器件設(shè)計(jì)方提供干法刻蝕工藝的刻蝕水平，而現(xiàn)有的深寬比、垂直度等參數(shù)，不能反映刻蝕表面的粗糙、微裂紋水平，需要其他的參數(shù)來定量檢測(cè)和評(píng)價(jià)刻蝕表面質(zhì)量。本發(fā)明的目的是提出一種利用表面斷裂強(qiáng)度來檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的方法及裝置，通過對(duì)等強(qiáng)度梁進(jìn)行彎曲斷裂測(cè)試，利用等強(qiáng)度梁的彎曲斷裂強(qiáng)度參數(shù)來定量評(píng)價(jià)干法刻蝕工藝之后的刻蝕表面質(zhì)量，此方法同樣也可以用來研究刻蝕之后結(jié)構(gòu)的機(jī)械可靠性。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種利用表面斷裂強(qiáng)度檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的方法，其步驟包括:
[0007]I)制作包含刻蝕表面的等強(qiáng)度梁；
[0008]2)利用探針臺(tái)探針對(duì)所述等強(qiáng)度梁的刻蝕表面施加位移負(fù)載，直至所述等強(qiáng)度梁斷裂；[0009]3)測(cè)量所述等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)刻蝕表面受到的應(yīng)力，得到表面斷裂強(qiáng)度，利用該斷裂強(qiáng)度判定刻蝕表面的質(zhì)量。
[0010]進(jìn)一步地，步驟1)所述等強(qiáng)度梁上任意位置的寬度h與其到受力位置的距離X的關(guān)系為:h(x) = k√x 。[0011]進(jìn)一步地，步驟2)所述探針臺(tái)探針通過片上多功能針頭對(duì)所述等強(qiáng)度梁的刻蝕表面施加位移負(fù)載，所述片上多功能針頭包括針尖，支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)，以及測(cè)量所述針尖的位移的測(cè)力標(biāo)尺。
[0012]進(jìn)一步地，所述支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)為與所述針尖固定連接的彈性梁或者彈簧。
[0013]進(jìn)一步地，所述片上多功能針頭還包括外圍的框架結(jié)構(gòu)與防撞塊，用于減少探針臺(tái)探針施加方向的偏差對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。
[0014]進(jìn)一步地，記錄等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)片上多功能針尖的測(cè)力標(biāo)尺的指數(shù)，或者實(shí)時(shí)記錄整個(gè)過程中測(cè)力標(biāo)尺的指數(shù)，然后通過ANSYS等有限元仿真工具得到等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)受到的力，再結(jié)合材料力學(xué)得到斷裂時(shí)刻蝕表面所受到的應(yīng)力。
[0015]一種采用上述方法檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的裝置，包括等強(qiáng)度梁和片上多功能針頭；所述片上多功能針頭包括針尖，支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)，以及測(cè)量所述針尖的位移的測(cè)力標(biāo)尺。
[0016]進(jìn)一步地，所述等強(qiáng)度梁上任意位置的寬度h與其到受力位置的距離X的關(guān)系為:h(x) = k√x。
[0017]進(jìn)一步地，所述支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)為與所述針尖固定連接的彈性梁或者彈簧。
[0018]進(jìn)一步地，所述片上多功能針頭還包括外圍的框架結(jié)構(gòu)與防撞塊，用于減少探針臺(tái)探針施加方向的偏差對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。
[0019]本發(fā)明為了定量評(píng)價(jià)干法刻蝕表面的質(zhì)量，建立MEMS加工與設(shè)計(jì)之間的橋梁，提出了利用表面斷裂強(qiáng)度參數(shù)來評(píng)價(jià)刻蝕表面質(zhì)量的方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的提取表面斷裂強(qiáng)度的器件結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有的評(píng)價(jià)刻蝕表面質(zhì)量的方法相比，有如下優(yōu)點(diǎn):
[0020]1)從斷裂強(qiáng)度角度去檢測(cè)和評(píng)價(jià)表面質(zhì)量，能夠反映刻蝕表面的粗糙、微裂紋水平，對(duì)器件性能、可靠性具有更高的參考價(jià)值；
[0021]2)能夠在測(cè)試過程中自定位，避免傳統(tǒng)微力微位移測(cè)量中的定位難的問題；
[0022]3)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量施加到懸臂梁(等強(qiáng)度梁)上的力的大?。?br> [0023]4)本發(fā)明所采用的方法不需要復(fù)雜的儀器，操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是檢測(cè)結(jié)構(gòu)的示意圖；其中I為探針臺(tái)探針，2為片上多功能針尖，3為等強(qiáng)度梁。
[0025]圖2是等強(qiáng)度梁的俯視圖和側(cè)視圖。
[0026]圖3是片上多功能針尖的俯視圖和側(cè)視圖；其中21為針尖，22為彈性梁，23為測(cè)力標(biāo)尺，24為防撞塊。
[0027]圖4是鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝流程圖；其中4為硅，5為玻璃，6為防footing金屬電極?！揪唧w實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明通過提取刻蝕表面的斷裂強(qiáng)度來檢測(cè)和定量評(píng)價(jià)刻蝕表面質(zhì)量。下面將結(jié)合實(shí)施例和附圖來說明本發(fā)明所采用的檢測(cè)裝置及方法。
[0029]如圖1所示為刻蝕表面質(zhì)量的檢測(cè)裝置的整體結(jié)構(gòu)框架，主要包括:片上多功能針尖2和等強(qiáng)度梁3。提取斷裂強(qiáng)度的主要操作方法是利用探針臺(tái)探針I(yè)對(duì)片上多功能針尖2施加位移負(fù)載，通過多功能針尖2的緩沖作用，將負(fù)載傳遞到等強(qiáng)度梁3上，直至等強(qiáng)度梁3斷裂，從而得到刻蝕表面的斷裂強(qiáng)度。進(jìn)而將斷裂強(qiáng)度值作為檢測(cè)和定量評(píng)價(jià)刻蝕表面質(zhì)量的參數(shù)。下面結(jié)合圖2與圖3來詳細(xì)介紹兩部分結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
[0030]圖2所示為等強(qiáng)度梁3的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可知，設(shè)等強(qiáng)度梁上任意位置的寬度為h，與受力位置的距離為X，則當(dāng)梁寬
h(x) = k^時(shí)(k為系數(shù)，k的大小決定斷裂力的大小，可根據(jù)測(cè)力裝置的量程進(jìn)行合理設(shè)
計(jì))，在梁受到橫向彎曲時(shí)，側(cè)壁表面正應(yīng)力處處相等。若梁側(cè)壁表面發(fā)生斷裂，則必然發(fā)生在強(qiáng)度最薄弱點(diǎn)，而此薄弱點(diǎn)正是由于刻蝕工藝造成的?？紤]數(shù)據(jù)可靠程度，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量之后，即可得到該種刻蝕工藝造成的側(cè)壁表面斷裂強(qiáng)度。由于該強(qiáng)度與表面粗糙、缺陷、裂紋等因素有關(guān)，故可將該斷裂強(qiáng)度作為定量評(píng)價(jià)刻蝕表面質(zhì)量的參數(shù)。圖2中陰影部分表示錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)，非陰影部分表示懸空結(jié)構(gòu)層。
[0031]圖3所示為片上多功能針尖2的結(jié)構(gòu)，其中(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。該結(jié)構(gòu)主要由針尖21、彈性梁22 (也可以采用彈簧實(shí)現(xiàn))、測(cè)力標(biāo)尺23、防撞塊24、框架結(jié)構(gòu)25等構(gòu)成。圖3中陰影部分表示錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)，非陰影部分表示懸空結(jié)構(gòu)層。在測(cè)量過程中，探針臺(tái)探針I(yè)在框架底部施加位移，針尖21則向懸臂梁即等強(qiáng)度梁3提供一定大小的力負(fù)載，該力負(fù)載大小可從測(cè)力標(biāo)尺23的指數(shù)反映出來，即結(jié)合彈性梁22的尺寸與標(biāo)尺23的指數(shù)，利用ANSYS等有限元工具，得到力的仿真值。防撞塊24的作用是減少探針臺(tái)探針的施加方向偏差的影響，提高測(cè)量準(zhǔn) 確度。
[0032]其中，測(cè)力標(biāo)尺23的具體作用是檢測(cè)針尖的縱向位移，圖3中采用的結(jié)構(gòu)是利用杠桿進(jìn)行位移放大，以便于檢測(cè)。針尖的縱向位移(沿針尖方向)很小，比較難檢測(cè)，為了提高測(cè)量的精度，需要對(duì)這個(gè)位移進(jìn)行放大。如圖3所示，測(cè)力標(biāo)尺23采用的是杠桿的原理，針尖向下移動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)位移，通過杠桿，標(biāo)尺位置處的指針則移動(dòng)相對(duì)多的距離，比如可以通過調(diào)節(jié)杠桿的長(zhǎng)度將位移放大20倍，以便于觀察。具體實(shí)施時(shí)，針尖受到的力可以通過ANSYS仿真得到，即結(jié)合上面所說的位移信息和彈性梁的尺寸和變形量得到針尖受到的力(四根彈性梁受到的力之和)。除圖3所示杠桿方式外，其它實(shí)施例中也可采取其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移放大。
[0033]其中，多功能針尖2的功能特點(diǎn)有:
[0034]I)自定位。該片上針尖2與被測(cè)等強(qiáng)度梁3同時(shí)隨片一起加工，故不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)微力、微位移測(cè)量的定位困難的問題；
[0035]2)測(cè)力。結(jié)合彈性梁22的尺寸參數(shù)與測(cè)力標(biāo)尺23的指數(shù)可以計(jì)算出施加到懸臂梁即等強(qiáng)度梁3上的力大小，并且由于框架結(jié)構(gòu)和防撞塊24的存在，使得測(cè)量準(zhǔn)確度不受探針臺(tái)探針的施加方向偏差的影響，且所測(cè)力僅為“實(shí)際”施加到梁上的力，不包含任何其他力。[0036]下面結(jié)合北京大學(xué)的鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝，描述如何利用本發(fā)明的方法來評(píng)價(jià)ASE (advanced silicon etching)之后的娃表面質(zhì)量,主要的步驟如下:
[0037](I)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:
[0038](a) ASE硅片，厚度4um，刻出ANCHOR臺(tái)階；
[0039](b) BHF腐蝕玻璃，腐蝕深度1000~1200A,濺射Ti/Pt/Au，防footing效應(yīng)；
[0040](c)娃片和玻璃片陽極鍵合,并對(duì)娃片進(jìn)行減薄，余厚75±5um ；
[0041](d)ASE硅片，結(jié)構(gòu)釋放，得到如圖1中描述的片上多功能針尖2和等強(qiáng)度梁3 (圖4(d)中的硅)。
[0042](2)探針臺(tái)測(cè)試。
[0043]如圖1所示，利用探針臺(tái)探針1，對(duì)片上多功能針尖2施加位移負(fù)載，不斷增加位移，直至等強(qiáng)度梁3的斷裂，記錄下梁斷裂時(shí)片上多功能針尖2的測(cè)力標(biāo)尺23的指數(shù)(也可實(shí)時(shí)記錄整個(gè)過程測(cè)力標(biāo)尺的指數(shù))，再通過ANSYS有限元仿真工具，得到等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)受到的力，再結(jié)合材料力學(xué)得到斷裂時(shí)表面所受到的應(yīng)力。具體計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種利用表面斷裂強(qiáng)度檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的方法，其步驟包括: 1)制作包含刻蝕表面的等強(qiáng)度梁； 2)利用探針臺(tái)探針對(duì)所述等強(qiáng)度梁的刻蝕表面施加位移負(fù)載，直至所述等強(qiáng)度梁斷裂; 3)測(cè)量所述等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)刻蝕表面受到的應(yīng)力，得到表面斷裂強(qiáng)度，利用該斷裂強(qiáng)度判定刻蝕表面的質(zhì)量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)所述等強(qiáng)度梁上任意位置的寬度h與其到受力位置的距離X的關(guān)系為:h(x) 二 k石。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟2)所述探針臺(tái)探針通過片上多功能針頭對(duì)所述等強(qiáng)度梁的刻蝕表面施加位移負(fù)載，所述片上多功能針頭包括針尖，支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)，以及測(cè)量所述針尖的位移的測(cè)力標(biāo)尺。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)為與所述針尖固定連接的彈性梁或者彈簧；所述測(cè)力標(biāo)尺采用杠桿結(jié)構(gòu)測(cè)量針尖的位移。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:在所述片上多功能針頭上設(shè)置外圍的框架結(jié)構(gòu)與防撞塊，用于減少探針臺(tái)探針施加方向的偏差對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:記錄等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)片上多功能針尖的測(cè)力標(biāo)尺的指數(shù)，或者實(shí)時(shí)記錄整個(gè)過程中測(cè)力標(biāo)尺的指數(shù)，然后通過有限元仿真工具得到等強(qiáng)度梁斷裂時(shí)受到的力，再結(jié)合材料力學(xué)得到斷裂時(shí)刻蝕表面所受到的應(yīng)力。
7.一種利用表面斷裂強(qiáng)度檢測(cè)刻蝕表面質(zhì)量的裝置，其特征在于，包括等強(qiáng)度梁和片上多功能針頭；所述片上多功能針頭包括針尖，支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)，以及測(cè)量所述針尖的位移的測(cè)力標(biāo)尺。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于:所述等強(qiáng)度梁上任意位置的寬度h與其到受力位置的距離X的關(guān)系為:h(x) = kf。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于:所述支撐針尖的彈性結(jié)構(gòu)為與所述針尖固定連接的彈性梁或者彈簧；所述測(cè)力標(biāo)尺采用杠桿結(jié)構(gòu)測(cè)量針尖的位移。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于:所述片上多功能針頭還包括外圍的框架結(jié)構(gòu)與防撞塊，用于減少探針臺(tái)探針施加方向的偏差對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。
【文檔編號(hào)】G01N3/20GK103884605SQ201410119092
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】何軍, 張大成, 黃賢, 張立, 趙丹淇, 王瑋, 楊芳, 田大宇, 劉鵬, 李婷, 羅葵 申請(qǐng)人:北京大學(xué)