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1. 提案背景

MEMS是指用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。MEMS已經(jīng)步入我們生活的很多方面，包括汽車電子、消費(fèi)電子以及醫(yī)療等領(lǐng)域。例如，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，蘋果公司頗有想象力地使用MEMS加速度計(jì)來支持iPhone顯示器橫向與縱向畫面的自動(dòng)切換，取得了巨大的成功，從而刺激了智能手機(jī)用于探測(cè)運(yùn)動(dòng)的MEMS傳感器應(yīng)用的激增。

我國(guó)在MEMS的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海微系統(tǒng)所、中電13所、中電49所、中電55所、東南大學(xué)和上海交通大學(xué)等單位的研究在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際均處于領(lǐng)先水平。本文所介紹的《硅基MEMS制造技術(shù)微鍵合區(qū)剪切和拉壓強(qiáng)度檢測(cè)方法》正是基于北京大學(xué)的科研成果而提出的一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案。

2. 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案介紹

2.1 概述

MEMS研究?jī)?nèi)容一般可以歸納為以下三個(gè)基本方面：

(1) 理論基礎(chǔ)

在當(dāng)前MEMS所能達(dá)到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等，因此有必要對(duì)微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)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(xué)科的學(xué)者進(jìn)行基礎(chǔ)研究。

(2) 技術(shù)基礎(chǔ)研究

主要包括微機(jī)械設(shè)計(jì)、微機(jī)械材料、微細(xì)加工、微裝配與封裝、集成技術(shù)、微測(cè)量等技術(shù)基礎(chǔ)研究。

(3) 微機(jī)械在各學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用研究

由于MEMS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)其生產(chǎn)過程中的材料、關(guān)鍵工藝的控制一直是國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)，作為國(guó)際上最為活躍的MEMS標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC/TC47/SC47F（MEMS分技術(shù)委員會(huì)）近年來制定一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 62047-17《半導(dǎo)體器件微電子微機(jī)械器件第17部分：薄膜材料的膨脹機(jī)械性能測(cè)量方法》、IEC 62047-18《半導(dǎo)體器件微電子微機(jī)械器件第18部分：薄膜材料彎曲試驗(yàn)方法》等重要的微結(jié)構(gòu)測(cè)試方法，滿足了MEMS制造過程中對(duì)其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核的需求。

隨著試驗(yàn)方法的成熟，MEMS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也在向著由測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)向產(chǎn)品規(guī)范的方向發(fā)展。如MEMS陀螺儀應(yīng)用在汽車上對(duì)汽車進(jìn)行控制，近年隨著技術(shù)的進(jìn)步，MEMS陀螺儀芯片已大量用于手機(jī)等終端設(shè)備中，IEC/TC47/SC47F也制定IEC 62047-20《半導(dǎo)體器件微電子微機(jī)械器件第20部分：陀螺儀》標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范手機(jī)用MEMS陀螺儀芯片的生產(chǎn)與測(cè)試；以及IEC 62047-5《半導(dǎo)體器件微電子微機(jī)械器件第5部分：RF MEMS開關(guān)》用來規(guī)范通信設(shè)備用射頻MEMS開關(guān)的參數(shù)要求和測(cè)試方法?？深A(yù)計(jì)，在不久的將來，IEC會(huì)制訂越來越多的MEMS產(chǎn)品規(guī)范以滿足國(guó)際上MEMS產(chǎn)品日益豐富的市場(chǎng)需求。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)的意義

2013年初，北京大學(xué)張大成教授代表我國(guó)向IEC/TC47/SC47F提出了《硅基MEMS制造技術(shù)微鍵合區(qū)剪切和拉壓強(qiáng)度檢測(cè)方法》，并獲得立項(xiàng)。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)在IEC/TC47/SC47F第一個(gè)獲得立項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)，它的提出對(duì)于MEMS標(biāo)準(zhǔn)化而言也具有非常重要的意義：

(1) 硅基MEMS制造技術(shù)

MEMS的制造技術(shù)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(shù)，以德國(guó)為代表；

● 精密機(jī)械加工技術(shù)，以日本為代表；

● 以集成電路技術(shù)和材料基礎(chǔ)上發(fā)展而來的硅基MEMS制造技術(shù)，起源于美國(guó)。硅基MEMS制造技術(shù)沿用了半導(dǎo)體技術(shù)的工藝和材料，并在微機(jī)械加工領(lǐng)域進(jìn)行了有效的拓展，具有可批量生產(chǎn)、成本低廉以及易與電路集成等優(yōu)點(diǎn)，成為MEMS制造技術(shù)的主流。

由于MEMS器件種類繁多，并且多數(shù)具有可動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此，其在設(shè)計(jì)、材料、制造等方面與半導(dǎo)體技術(shù)又有很大不同，這也造成了MEMS研究的方向和內(nèi)容具有很大的分散性。在這種情況下，MEMS標(biāo)準(zhǔn)化的核心是開發(fā)一種或多種適用性較強(qiáng)、穩(wěn)定的、成品率較高的工藝模塊，并在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。因此，硅基MEMS制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)代表了目前國(guó)際的主流方向，也是MEMS標(biāo)準(zhǔn)化的核心內(nèi)容，具有極其重要的意義。

(2) 微鍵合區(qū)鍵合強(qiáng)度的檢測(cè)

鍵合是MEMS中最常用的工藝之一，鍵合強(qiáng)度是鍵合工藝的一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。傳統(tǒng)鍵合強(qiáng)度檢測(cè)方法只能針對(duì)圓片級(jí)或大面積鍵合結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)。在微小鍵合區(qū)的鍵合強(qiáng)度測(cè)量技術(shù)方面有一定的研究成果報(bào)道，但多數(shù)存在方法復(fù)雜、適用范圍有限等問題，還沒有形成被行業(yè)廣泛采用的通用、有效的方法。而在MEMS領(lǐng)域，對(duì)微小鍵合面積鍵合強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)在科研和生產(chǎn)過程中存在明確需求，希望提出一種合理、有效且被廣泛認(rèn)同的檢測(cè)手段。

本標(biāo)準(zhǔn)基于北京大學(xué)微米納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多年來在硅基MEMS制造技術(shù)領(lǐng)域的研究成果而提出，可以為鍵合工藝質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供簡(jiǎn)單、有效、可廣泛應(yīng)用的方法，成為技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中討論微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度的共同語言。對(duì)鍵合技術(shù)的深入研究和微納加工平臺(tái)與用戶間加工結(jié)果交付提供工藝結(jié)果的基礎(chǔ)判據(jù)支撐，對(duì)MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的促進(jìn)作用。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

圖1是以微電子工藝為主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)的MEMS結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，圓圈所示的位置為鍵合區(qū)域。MEMS中該鍵合區(qū)域的尺寸為微米量級(jí)。在微米量級(jí)下，精確測(cè)量鍵合強(qiáng)度難度極大。而我國(guó)新提出的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案中，提出了小尺寸區(qū)域剪切和拉壓鍵合強(qiáng)度快速準(zhǔn)確測(cè)量、判斷鍵合工藝質(zhì)量的方法。

標(biāo)準(zhǔn)中提出了拉壓法和剪切法。拉壓式微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度檢測(cè)方法通過設(shè)計(jì)一系列不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)構(gòu)，利用微探針對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)施加豎直正壓力（施力方向見圖1），由鍵合面斷裂發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)構(gòu)計(jì)算出拉壓鍵合強(qiáng)度大小。

圖1 典型的MEMS鍵合結(jié)構(gòu)示意圖

剪切式微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度檢測(cè)通過設(shè)計(jì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)標(biāo)尺，利用微探針對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)施加水平推力（施力方向見圖1），由鍵合面斷裂發(fā)生時(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)末端指針在偏轉(zhuǎn)標(biāo)尺上的讀數(shù)計(jì)算出鍵合強(qiáng)度大小。

該標(biāo)準(zhǔn)中的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 操作設(shè)備簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)用于施加壓力的微探針，以及一臺(tái)顯微鏡就可進(jìn)行；

(2) 不需要專門設(shè)計(jì)樣片；

(3) 讀數(shù)簡(jiǎn)單，測(cè)試過程快速準(zhǔn)確。

作者：李博、韓軼、張大成