DIN EN 62047-16-2015 Semiconductor devices - Micro-electromechanical devices - Part 16 Test methods for determining residual stresses of MEMS films - Wafer curvature and cantilever.pdf

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1、Dezember 2015DEUTSCHE NORM DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDEPreisgruppe 12DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS

2、 31.080.01; 31.220.01!%FDv“2353383www.din.deDDIN EN 62047-16Halbleiterbauelemente Bauelemente der Mikrosystemtechnik Teil 16: Messverfahren zur Ermittlung der Eigenspannungen in Dnnschichten von MEMSBauteilen Substratkrmmungs und BiegebalkenVerfahren(IEC 6204716:2015);Deutsche Fassung EN 6204716:201

3、5Semiconductor devices Microelectromechanical devices Part 16: Test methods for determining residual stresses of MEMS films Wafer curvature andcantileverbeamdeflectionmethods(IEC 6204716:2015);German version EN 6204716:2015Dispositifs semiconducteurs Dispositifs microlectromcaniques Partie 16: Mthod

4、es dessai pour dterminer les contraintes rsiduelles des films de MEMS Mthodes de la courbure de la plaquette et de dviation de poutre en portefaux(IEC 6204716:2015);Version allemande EN 6204716:2015Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 13 SeitenDIN E

5、N 62047-16:2015-12 2 Anwendungsbeginn Anwendungsbeginn fr die von CENELEC am 2015-04-09 angenommene Europische Norm als DIN-Norm ist 2015-12-01. Nationales Vorwort Vorausgegangener Norm-Entwurf: E DIN EN 62047-16:2012-11. Fr dieses Dokument ist das nationale Arbeitsgremium K 631 Halbleiterbauelement

6、e“ der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE (www.dke.de) zustndig. Die enthaltene IEC-Publikation wurde vom SC 47F Micro-electromechanical systems“ erarbeitet. Das IEC-Komitee hat entschieden, dass der Inhalt dieser Publikation bis zu dem Datum (stabil

7、ity date) unverndert bleiben soll, das auf der IEC-Website unter http:/webstore.iec.ch“ zu dieser Publikation angegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt wird entsprechend der Entscheidung des Komitees die Publikation besttigt, zurckgezogen, durch eine Folgeausgabe ersetzt oder gendert. Fr den Fall einer und

8、atierten Verweisung im normativen Text (Verweisung auf ein Dokument ohne Angabe des Ausgabedatums und ohne Hinweis auf eine Abschnittsnummer, eine Tabelle, ein Bild usw.) bezieht sich die Verweisung auf die jeweils aktuellste Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments. Fr den Fall einer datierten Ver

9、weisung im normativen Text bezieht sich die Verweisung immer auf die in Bezug genommene Ausgabe des Dokuments. Der Zusammenhang der zitierten Dokumente mit den entsprechenden Deutschen Dokumenten ergibt sich, soweit ein Zusammenhang besteht, grundstzlich ber die Nummer der entsprechenden IEC-Publika

10、tion. Beispiel: IEC 60068 ist als EN 60068 als Europische Norm durch CENELEC bernommen und als DIN EN 60068 ins Deutsche Normenwerk aufgenommen. Das Original-Dokument enthlt Bilder in Farbe, die in der Papierversion in einer Graustufen-Darstellung wiedergegeben werden. Elektronische Versionen dieses

11、 Dokuments enthalten die Bilder in der originalen Farbdarstellung. EN 62047-16 Juli 2015 EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE ICS 31.080.99 Deutsche Fassung Halbleiterbauelemente Bauelemente der Mikrosystemtechnik Teil 16: Messverfahren zur Ermittlung der Eigenspannungen in Dnnschichten

12、 von MEMS-Bauteilen Substratkrmmungs- und Biegebalken-Verfahren (IEC 62047-16:2015) Semiconductor devices Micro-electromechanical devices Part 16: Test methods for determining residual stresses of MEMS films Wafer curvature and cantilever beam deflection methods (IEC 62047-16:2015) Dispositifs semic

13、onducteurs Dispositifs microlectromcaniques Partie 16: Mthodes dessai pour dterminer les contraintes rsiduelles des films de MEMS Mthodes de la courbure de la plaquette et de dviation de poutre en porte-faux (IEC 62047-16:2015) Diese Europische Norm wurde von CENELEC am 2015-04-09 angenommen. CENELE

14、C-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denen dieser Europischen Norm ohne jede nderung der Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliograph

15、ischen Angaben sind beim CEN-CENELEC Management Centre oder bei jedem CENELEC-Mitglied auf Anfrage erhltlich. Diese Europische Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Englisch, Franzsisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache, die von einem CENELEC-Mitglied in eigener Verantwortung du

16、rch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem CEN-CENELEC Management Centre mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die offiziellen Fassungen. CENELEC-Mitglieder sind die nationalen elektrotechnischen Komitees von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, der ehemaligen jugoslawis

17、chen Republik Mazedonien, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der Tschechischen Republik, der Trk

18、ei, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zypern. CENELEC Europisches Komitee fr Elektrotechnische Normung European Committee for Electrotechnical Standardization Comit Europen de Normalisation Electrotechnique CEN-CENELEC Management Centre: Avenue Marnix 17, B-1000 Brssel 2015 CENELEC Alle Rechte d

19、er Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den Mitgliedern von CENELEC vorbehalten. Ref. Nr. EN 62047-16:2015 DDIN EN 62047-16:2015-12 EN 62047-16:2015 Europisches Vorwort Der Text des Dokuments 47F/209/FDIS, zuknftige 1. Ausgabe der IEC 62047-16, erarbeitet vom SC

20、 47F Microelectromechanical systems“ des IEC/TC 47 Semiconductor devices“, wurde zur parallelen IEC-CENELEC-Abstimmung vorgelegt und von CENELEC als EN 62047-16:2015 angenommen. Nachstehende Daten wurden festgelegt: sptestes Datum, zu dem dieses Dokument auf nationaler Ebene durch Verffentlichung ei

21、ner identischen nationalen Norm oder durch Anerkennung bernommen werden muss (dop): 2016-01-10 sptestes Datum, zu dem nationale Normen, die diesem Dokument entgegenstehen, zurckgezogen werden mssen (dow): 2018-04-09 Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patent

22、rechte berhren knnen. CENELEC und/oder CEN sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Anerkennungsnotiz Der Text der Internationalen Norm IEC 62047-16:2015 wurde von CENELEC ohne irgendeine Abnderung als Europische Norm angenommen. 2 DIN EN 62047-

23、16:2015-12 EN 62047-16:2015 Inhalt SeiteEuropisches Vorwort 2 1 Anwendungsbereich.4 2 Normative Verweisungen.4 3 Begriffe.4 4 Prfverfahren4 4.1 Allgemeines4 4.2 Waferkrmmungsverfahren5 4.3 Biegebalken-Verfahren (Cantilever-Verfahren)7 Literaturhinweise 10 Anhang ZA (normativ) Normative Verweisungen

24、auf internationale Publikationen mit ihren entsprechenden europischen Publikationen11 Bilder Bild 1 Prinzipielle Darstellung einer Krmmung, hervorgerufen durch die Druck-Eigenspannung nach dem Abscheiden der Dnnschicht auf dem Substrat5 Bild 2 Prinzipielle Darstellung einer flchendeckenden Eigenspan

25、nung, welche eine Krmmung verursacht.8 Tabellen Tabelle 1 Pflichtangaben fr das Waferkrmmungsverfahren7 Tabelle 2 Pflichtangaben fr die Prfaufzeichnungen beim Biegebalkenverfahren9 3 DIN EN 62047-16:2015-12 EN 62047-16:2015 1 Anwendungsbereich In diesem Teil der IEC 62047 sind die Prfverfahren zum M

26、essen der Eigenspannungen dnner Schichten mit Dicken im Bereich von 0,01 m bis 10 m in MEMS-Strukturen auf Basis der Waferkrmmung (Substrat-krmmung) oder des Biegebalkens (Cantilever) festgelegt. Die Schichten sollten auf einem Substrat mit bekannten mechanischen Eigenschaften von Elastizittsmodul (

27、Young-Modul) und Querkontraktionszahl (Poissonzahl) abgeschieden werden. Diese Verfahren werden angewendet, um die Eigenspannungen inner-halb von Dnnschichten auf Substrat zu bestimmen 11). 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert wer

28、den, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). IEC 62047-21, Semiconductor devices Micro-electromecha

29、nical devices Part 21: Test method for Poissons ratio of thin film MEMS materials 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 3.1 Eigenspannung Restspannung Schichtspannung f (mechanische) Spannung, die verbleibt, nachdem die Ursache der (mechanischen) Spannungen (von

30、 auen einwirkende Krfte, Wrmequellen) entfernt wurde 3.2 Krmmung Wert, mit dem ein geometrisches Objekt von seiner Ebenheit abweicht Anmerkung 1 zum Begriff: Im Falle eines Kreises ist = 1/R, wenn R der Kreisradius ist. 3.3 Krper Objekt mit Masse, nicht ausschlielich Energie, das dreidimensional (Au

31、sdehnung in den drei Raum-dimensionen) ist, eine Bewegungsbahn der Position sowie Orientierung im Raum hat und fr ein bestimmtes Zeitintervall in diesem Zustand verbleibt 4 Prfverfahren 4.1 Allgemeines Das Aufbringen (Abscheiden) einer Dnnschicht muss wegen der Eigenspannungen in der Dnnschicht eine

32、 gemeinsame Biegung der Zweischichtstruktur verursachen. Der Wert der Durchbiegung ist eine direkte Funktion der Eigenspannungen der Dnnschicht. 1)Ziffern in eckigen Klammern verweisen auf die Literaturhinweise. 4 DIN EN 62047-16:2015-12 EN 62047-16:2015 Es gibt zwei Arten von Prfverfahren zum Besti

33、mmen der Eigenspannung, nmlich das Waferkrmmungs- und das Biegebalken-Verfahren. Im Fall von Zug-Eigenspannungen ist die Verformung des Substrats mit der gebondeten Dnnschicht konkav, whrend sie bei einer Druck-Eigenspannung konvex ist. 4.2 Waferkrmmungsverfahren 4.2.1 Allgemeines Das Waferkrmmungsv

34、erfahren sollte innerhalb des Waferfertigungsprozesses verwendet werden. Ein Wafer sollte biaxial symmetrisch und spannungsfrei sein. Stoney 2, der ein Scheibensystem aus zwei Schichten verwendete, das aus einer spannungserzeugenden Dnnschicht mit einheitlicher Dicke hf, die auf einem relativ dicken

35、 Substrat mit der einheitlichen Dicke hsabgeschieden wurde, zusammengesetzt war, erstellte eine einfache Gleichung (1), die sogenannte Stoney-Gleichung, bezogen auf die Krmmung des Systems, wie in Bild 1 dargestellt, in Abhngigkeit zur Eigen-spannung fder Dnnschicht 3, wie im Folgenden angegeben: ()

36、Ehh=2ssfsf61-(1) Dabei ist f und s die Dnnschicht bzw. das Substrat; E der Elastizittsmodul; die Querkontraktionszahl (siehe IEC 62047-21). Die Gleichung wird hufig in der Literatur verwendet, um die nderungen von Systemkrmmungen infolge von nderungen der Dnnschichtspannungen mithilfe experimentelle

37、r Messungen zu bestimmen 4. a) Substrat vor dem Aufbringen der Dnnschicht b) Substrat nach dem Abscheiden der Dnnschicht Bild 1 Prinzipielle Darstellung einer Krmmung, hervorgerufen durch die Druck-Eigenspannung nach dem Abscheiden der Dnnschicht auf dem Substrat 5 DIN EN 62047-16:2015-12 EN 62047-1

38、6:2015 Die folgenden Voraussetzungen sollten erfllt sein, um die Gleichung (1) zu verwenden 3: a) Sowohl die Dnnschichtdicke hfals auch die Substratdicke hssollten gleichmig und verglichen mit den Lngenabmessungen klein sein; b) die Schicht muss eine Seite der Oberflche eines kreisfrmigen Substrats

39、bedecken; c) Dehnungen und Verdrehungen des Scheibensystems sollten sehr gering sein; d) der Substratwerkstoff sollte homogen, isotrop und linear elastisch sein, und der Schichtwerkstoff sollte isotrop sein; e) die Eigenspannungs-Zustnde der Schicht sollten in der Ebene isotrop oder qui-biaxial (zwe

40、i gleiche Spannungskomponenten in zwei abhngigen gegenseitig rechtwinkligen Richtungen in der Ebene) sein, whrend sich die direkten Spannungen auerhalb der Ebene und alle Scherspannungen aufheben; f) die Komponenten der Systemkrmmung sind qui-biaxial (zwei gleiche direkte Krmmungen), whrend die Verw

41、lbungskrmmungen in allen Richtungen vernachlssigbar sind; g) alle noch vorhandenen Spannungs- und Krmmungskomponenten sind ber die Oberflche des Schei-bensystems raumbezogen konstant, wobei dieser Zustand in der Praxis aber oft nicht erfllt wird; h) der Kanteneffekt nahe am Rand des Substrats sollte

42、 vernachlssigbar sein, und alle krperbezogenen Gren sollten bei einer Positionsnderung gleich bleiben; i) um die Eigenspannung genauer zu messen, werden die Krmmungen vor und nach dem Abscheiden der Dnnschicht gemessen, und die Dnnschicht-Eigenspannung wird entsprechend Gleichung (2) berechnet, die

43、von der Gleichung (1) abgeleitet ist. ()2ssssf61Ehh=(2)Dabei ist die Differenz zwischen der Krmmung vor und nach dem Abscheiden der Dnnschicht. 4.2.2 Prfeinrichtung Zum Messen des Krmmungsradius R werden mehr als eine Messeinrichtung oder ein Messinstrument fr Kontaktmessverfahren (z. B. Profilometr

44、ie) oder kontaktlose Messverfahren (z. B. Video. Laserabtastung) verwendet. In Abhngigkeit von der Messeinrichtung liegt die Messabweichung im Bereich von 0,1 nm bis 0,1 m. 4.2.3 Messdurchfhrungen Die Messdurchfhrungen sind wie folgt: a) Die Substratdicke hsund die Dnnschichtdicke hfsind zu messen;

45、b) der Elastizittsmodul Esund die Querkontraktionszahl sdes Substrats werden bestimmt; c) der Krmmungsradius R vom System ist zu messen und die Krmmung zu berechnen oder es sind die Krmmungsradien R vor und nach dem Abscheiden der Dnnschicht zu messen und die Krmmungs-differenz zu berechnen; d) die

46、Eigenspannung fist entsprechend Gleichung (1) oder Gleichung (2) zu berechnen. 4.2.4 Dokumentation Die Eigenspannung fist entsprechend Gleichung (1) oder Gleichung (2) zu berechnen, und der Wert ist in Tabelle 1 zu dokumentieren. 6 DIN EN 62047-16:2015-12 EN 62047-16:2015 Tabelle 1 Pflichtangaben fr

47、 das Waferkrmmungsverfahren Kenngren Werte Anzahl der Prfeinheiten Substratwerkstoff und -dicke hsElastizittsmodul des Substrats EsQuerkontraktionszahl des Substrats sSchichtwerkstoff und -dicke hfSubstratdicke hsKrmmungsradius R und Krmmung des Systems entsprechend Gleichung (1) Krmmungsradien R vo

48、r und nach dem Abscheiden der Dnnschicht und Berechnung der Krmmungsdifferenz entsprechend Gleichung (2) Eigenspannung der Dnnschicht f4.3 Biegebalken-Verfahren (Cantilever-Verfahren) 4.3.1 Allgemeines Das Biegebalken-Verfahren sollte innerhalb des Bauteil- oder Chip-Fertigungsprozesses verwendet werden. Falls eine kleine Durchbiegung im Verhltnis zur Lnge des Balkens vorliegt, kann der Krmmungsradius aus dem Waferkrmmungsverfahren ersetzt werden, und zwar durch das Quadrat der Biegebalkenlnge, L2, geteilt durch das Zweifache der Durchbiegung, 2. () () ()22