IEC 62047-21：半导体器件——微机电系统——第21部分：MEMS薄膜试验方法

IEC 62047-21于2014年发布，是MEMS器件系列标准IEC 62047的一部分，规定了确定MEMS制造中使用的薄膜力学性能的标准化试验方法。该标准由IEC第47技术委员会制定，解决了MEMS工程中的一个关键挑战：微米尺度下薄膜材料的力学性能可能与块体材料有显著差异，而这些性能直接决定器件的性能、良率和长期可靠性。随着MEMS技术从汽车传感器扩展到消费电子、生物医学植入物、光网络和5G射频前端等领域，对可靠薄膜表征的需求变得越来越重要。

该标准涵盖确定关键力学参数的测试方法：杨氏模量、残余应力、断裂强度、硬度和蠕变行为。这些参数是MEMS设计仿真、工艺优化和可靠性预测的基本输入。涉及的薄膜材料包括多晶硅、氮化硅、二氧化硅、铝、铜、金、镍以及MEMS制造工艺中常用的各种介电和压电薄膜。测试方法设计与标准半导体制造工艺兼容，并且可以使用与器件组件一起制造的片上测试结构来实施。

力学性能测试方法

IEC 62047-21规定了几种互补的测试方法，每种方法在测量不同力学性能方面具有特定优势。拉伸试验方法使用片上测试结构，其中薄膜试样具有专门设计的夹持特征。微力执行器施加拉伸载荷，同时位移传感器测量伸长量。从应力-应变曲线可以确定杨氏模量、屈服强度、极限抗拉强度和断裂应变。标准规定了试样几何要求，包括标距长度（通常100-500微米）、宽度（10-50微米）和厚度（0.1-10微米）。加载方向与试样轴之间的对准精度必须在1度以内，以避免弯曲伪影。

梁弯曲法为测量杨氏模量和断裂强度提供了另一种途径。标准规定了悬臂梁和固定-固定梁两种配置。在悬臂梁法中，使用纳米压痕仪或原子力显微镜探针在自由端施加已知力，并测量产生的挠度。悬臂梁的弹簧常数通过梁几何直接关联到杨氏模量。固定-固定梁法使用压力加载或静电驱动使梁偏转，并从偏转-电压关系中提取力学性能。标准提供了从测量的力-挠度数据中提取材料属性的详细公式，考虑了残余应力、梁几何缺陷和基底柔度等因素。对于纳米压痕法，标准规定压痕深度不得超过薄膜厚度的10%，以避免基底效应的影响。

谐振法通过测量由待测薄膜制成的微谐振器结构的谐振频率，为杨氏模量测定提供最高的精度。标准规定了静电和压电驱动两种方法，使用光学或电容检测振动幅度。根据测量的谐振频率和已知几何形状，杨氏模量的计算精度可达约+/- 2%。这种方法特别有吸引力，因为它无损、可在晶圆级进行，并且与半导体制造中使用的自动化测试设备兼容。但需谨慎设计谐振器结构以隔离所需的振动模式并避免与基底和支撑结构的寄生模式耦合。

试样制备与数据分析要求

可靠的薄膜测试从正确的试样制备开始。IEC 62047-21规定了测试结构设计和制造的详细要求，以确保测量的性能代表材料的固有行为，而非测试结构或测量方法的伪影。试样必须没有工艺引起的损伤，包括刻蚀残留物、干法刻蚀的离子注入损伤以及沉积或退火工艺的热应力。对于表面微机械加工的试样，释放过程必须在不损坏测试结构的情况下去除牺牲层。标准规定了可接受的释放方法，包括用于二氧化硅牺牲层的HF蒸汽刻蚀和用于硅牺牲层的XeF2干法刻蚀。

数据分析过程被详细规定以确保不同实验室之间的一致性。对于拉伸试验，必须校正系统柔度、试样-夹持系统中的初始松弛和测量期间的热漂移。对于梁弯曲法，当挠度超过梁厚度的10%时，必须使用大挠度理论分析力-挠度数据，因为线性梁理论变得不准确。标准为每种情况提供了校正公式，并规定了应用简化分析模型与需要有限元分析进行数据解释的可接受范围。

MEMS薄膜工程设计要点

从MEMS设计角度来看，理解和控制薄膜力学性能对于实现可靠的器件性能至关重要。首先，通过膜厚度的残余应力梯度通常比平均应力值更为关键。应力梯度导致悬臂梁向上或向下弯曲，影响加速度计、陀螺仪和微镜中的器件性能。标准建议测量不同长度悬臂梁阵列释放后的曲率，使用修正的Stoney方程提取平均应力和应力梯度。

其次，薄膜的断裂强度遵循威布尔分布而非正态分布，反映了微尺度下缺陷控制的脆性断裂的统计特性。标准建议在报告平均断裂强度的同时报告威布尔模量（m），因为威布尔模量直接指示材料强度的可靠性和可预测性。高威布尔模量（m > 10）表示一致、可预测的强度，低模量（m < 5）表示高变异性，需要设计中更大的安全裕度。对于多晶硅，典型威布尔模量值范围为5至12，取决于沉积条件和表面粗糙度。

第三，薄膜的疲劳行为与块体材料有根本不同。在块体金属中，疲劳失效通常在10^3至10^7次循环后发生。在MEMS薄膜中，特别是在硅基材料中，在高频驱动下观察到极高循环次数（10^9至10^12次循环）的疲劳，其机制涉及渐进氧化和表面水分辅助裂纹扩展，而非经典的位错介导疲劳。标准提供了使用谐振结构进行加速疲劳测试的指南，使得能够预测在运行寿命中经历数十亿次循环的MEMS器件的寿命。

第四，力学性能的温度依赖性对于在宽温度范围内运行的MEMS器件至关重要。硅的杨氏模量以约50 ppm/deg C的速率下降，而热膨胀系数为2.6 ppm/deg C。尽管这些温度系数很小，但在精密MEMS传感器中可能导致显著的性能漂移，必须使用标准中规定的测试方法在多个温度下进行表征。温度依赖性数据使设计人员能够实现补偿算法并在整个工作温度范围内预测器件行为。