微力学测试仪在MEMS键合强度测试中的应用

　　1　引言

　　键合(bonding)是微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)工艺中最为常用的连接方法。键合强度的好坏直接决定MEMS器件的可靠性,是工程上非常关心的问题。然而,多年来由于缺乏对键合结构进行强度测试的技术,因此MEMS工艺中多凭借经验来估计所需锚点的形状和尺寸,而不是根据键合结构的强度要求进行设计。显然,这种设计方式会给MEMS的研制带来很多不必要的麻烦和浪费。因此迫切需要发展相关测试技术对键合强度进行表征。

　　但是,MEMS器件的特征尺寸一般在微米量级,键合结构的破坏载荷在1 N以下甚至更小。因此,传统的材料试验机受载荷分辨力和结构尺寸的限制,不适合对锚点键合强度进行测试。近年来,纳米压入仪凭借其极高的载荷和位移分辨力[2],越来越多地应用到微尺度力学测试领域[1]。例如,MTSNano-Indenter XP的载荷分辨力为50 nN,位移分辨力<0.01 nm。然而,该类设备的工作方式主要为压入或划入,难以完成剪切和扭转测试,且不能在测试中实时监视试样破坏过程。基于以上原因,采用自行研制的微力学测试仪(Super Micro-Tester)来完成该测试。

　　2　实验设备

　　微力学测试仪是由中国科学院力学研究所张泰华等人自行研制的仪器,主要用于微尺度力学性能的测试。该仪器的电磁驱动机构主要由线圈和磁钢组成,是仪器的驱动部分和载荷计量部分。线圈在均匀磁场中受到的电磁力和线圈中通过的电流成正比,因此测量线圈中的电流即可以计量电磁力的大小。位移测量部分采用电容式位移传感器。两平行极板之间的电容变化和其之间的距离变化在一定条件下近似成线性关系[3],因此当两极板之间的距离变化时,通过测量代表电容变化的电压信号就可以测量位移。

　　测试仪最大载荷量程为1.4 N;当量程为450 mN时,载荷最高分辨力可以达到10μN。位移最大量程为600μm,分辨力为15 nm。

　　由于该仪器载荷和位移分辨力高,工作方式灵活,因此该仪器实际上提供了一个微小载荷和微小位移的测量平台,针对不同试样的测试需要,可以完成拉伸、弯曲、扭转、剪切等测试。

　　3　实验

　　由于硅—玻璃键合是MEMS工艺中常用的键合方式[4],因此本工作采用键合在玻璃基底上的硅悬臂梁作为测试对象,该试样由北京大学微电子学研究所制作提供。测试结构在加工时,先采用KOH湿法腐蚀来形成4μm的键合台阶;之后硅—玻璃阳极键合,键合是在1200V电压、一个大气压380℃下完成的;硅—玻璃键合后用KOH减薄,硅结构余76μm。具体结构尺寸如图1所示。

　　如图2所示,在微力学测试仪作用轴的上端安装探针。将悬臂梁试样用502胶固定在试样板上,将试样板竖直安装在微力学测试仪的XYZ定位台的下面,使探针运动方向和试样的玻璃基底平面平行。调节XYZ定位台,将试样上待测悬臂梁的位置调整到针尖行程之内。在试样前面放置体视显微镜进行观察,调节过程在显微镜观察下完成。为避免产生摩擦力,需确保针尖和玻璃基底之间不接触。