多晶硅薄膜材料楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種多晶硅薄膜材料楊氏模量的測(cè)試結(jié)構(gòu)及方法，主要用于多晶硅結(jié)構(gòu)層的材料測(cè)試。該測(cè)試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成，第一組結(jié)構(gòu)包括靜電驅(qū)動(dòng)的多晶硅懸臂梁(101)、由待測(cè)薄膜材料制作的帶有對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的第一非對(duì)稱十字梁(102)、由待測(cè)薄膜材料制作的第二非對(duì)稱十字梁(103)；第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除第二非對(duì)稱十字梁后的剩余結(jié)構(gòu)；測(cè)量材料的楊氏模量通常需要知道結(jié)構(gòu)受力大小和結(jié)構(gòu)受力所產(chǎn)生的形變或彎曲的撓度。本發(fā)明通過(guò)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)控制測(cè)試結(jié)構(gòu)的彎曲撓度，通過(guò)兩組測(cè)試結(jié)構(gòu)的相同部分受力相同的原理提取出楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)所受到的力，利用力和撓度計(jì)算得到多晶硅薄膜材料的楊氏模量。本發(fā)明的測(cè)試結(jié)構(gòu)、測(cè)量方法和參數(shù)提取的方法極其簡(jiǎn)單。
【專利說(shuō)明】多晶娃薄膜材料楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種多晶娃薄膜材料楊氏模量的測(cè)試結(jié)構(gòu)。屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電器件的性能與材料參數(shù)有密切的關(guān)系，由于加工過(guò)程的影響，一些材料參數(shù)將產(chǎn)生變化，這些由加工工藝所導(dǎo)致的不確定因素，將使得器件設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)出現(xiàn)不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數(shù)測(cè)試目的就在于能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量由具體工藝制造的微機(jī)電器件材料參數(shù)，對(duì)工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，并將參數(shù)反饋給設(shè)計(jì)者，以便對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設(shè)備進(jìn)行的測(cè)試成為工藝監(jiān)控的必要手段。材料力學(xué)性能的物理參數(shù)主要包括楊氏模量、泊松比、殘余應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度等。
[0003]在微機(jī)電器件結(jié)構(gòu)中廣泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，多晶硅薄膜材料是結(jié)構(gòu)材料的主體材料。MEMS工藝中通常有兩到三層多晶硅薄膜，具有不同的應(yīng)用，底層多晶硅往往做墊層或下電極，二層或三層作為結(jié)構(gòu)材料，結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)對(duì)MEMS器件影響最大。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]技術(shù)問(wèn)題:測(cè)量材料的楊氏模量通常需要知道結(jié)構(gòu)受力大小和結(jié)構(gòu)受力所產(chǎn)生的形變或彎曲的撓度。本發(fā)明提出了一種測(cè)試結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量用于多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)層材料的楊氏模量。測(cè)試結(jié)構(gòu)由兩組單元組成:其中一組用于測(cè)量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定彎曲撓度時(shí)所施加力的大??；另一組用于測(cè)量在同樣彎曲撓度條件下，去除特定負(fù)載后所需要施加的力的大小。將所施加的力相減，得到在多晶硅薄膜楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)上實(shí)際受到的力值，根據(jù)該值和彎曲撓度并結(jié)合測(cè)試結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)即可計(jì)算得到該多晶硅薄膜材料的楊氏模量。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]實(shí)際測(cè)試楊氏模量的結(jié)構(gòu)為一個(gè)利用靜電驅(qū)動(dòng)的多晶硅懸臂梁(以下簡(jiǎn)稱為多晶硅懸臂梁)，該多晶硅懸臂梁同時(shí)也是一個(gè)作用力源。兩個(gè)由其他薄膜材料制作的帶對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱十字梁(以下簡(jiǎn)稱為十字梁)作為撓度測(cè)量單元，其他薄膜材料可以是下一層多晶硅或其他能夠被釋放而可以運(yùn)動(dòng)的薄膜材料。十字梁實(shí)際上是一個(gè)兩邊不對(duì)稱的蹺蹺板結(jié)構(gòu)，當(dāng)蹺蹺板一端被壓下，另一端必然翹起，翹起一端的投影長(zhǎng)度縮短，使位于翹起端末的對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，被壓下的一端下壓的越多，對(duì)準(zhǔn)線越靠近，直至對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)位置和蹺蹺板兩端長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)可以控制十字梁下壓端的位移量，該位移量就是需要設(shè)定的測(cè)量撓度。
[0007]采用兩組測(cè)量單元:一組是一個(gè)多晶硅懸臂梁加兩個(gè)十字梁，一組是一個(gè)多晶硅懸臂梁加一個(gè)十字梁。測(cè)量?jī)山M測(cè)量單元達(dá)到同樣撓度時(shí)所需施加的力的值，兩組單元力值的差即為驅(qū)動(dòng)一個(gè)十字梁所需要的力，由此力也可以簡(jiǎn)單計(jì)算得到多晶硅懸臂梁在測(cè)試撓度下所需要的力。由力和測(cè)試撓度即可計(jì)算多晶硅薄膜的楊氏模量。[0008]根據(jù)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種測(cè)量薄膜材料楊氏模量的測(cè)試結(jié)構(gòu)。該測(cè)試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成，第一組結(jié)構(gòu)包括靜電驅(qū)動(dòng)的多晶硅懸臂梁、由待測(cè)薄膜材料制作的帶有對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的第一非對(duì)稱十字梁、由待測(cè)薄膜材料制作的第二非對(duì)稱十字梁；第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除第二非對(duì)稱十字梁后的剩余結(jié)構(gòu)；
[0009]所述第一組結(jié)構(gòu)的多晶硅懸臂梁由第一錨區(qū)、細(xì)長(zhǎng)梁、作為上電極的寬梁、細(xì)短梁自左向右連接而成，在寬梁的下表面是矩形下電極，寬梁和下電極之間是空氣層；在細(xì)短梁的下表面有第一凸點(diǎn)、第二凸點(diǎn)分別作為第二非對(duì)稱十字梁和第一非對(duì)稱十字梁的施力
占.[0010]所述第一組結(jié)構(gòu)中的第一非對(duì)稱十字梁由第四錨區(qū)、第五錨區(qū)、第一豎直短梁、兩根不同長(zhǎng)度的左邊長(zhǎng)梁、右邊長(zhǎng)梁以及一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組成；其中，第一豎直短梁的兩端分別與第四錨區(qū)、第五錨區(qū)相連，在第一豎直短梁中心位置的左右兩邊設(shè)有左邊長(zhǎng)梁和右邊長(zhǎng)梁，從第一豎直短梁的中心到第二凸點(diǎn)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，從豎直短梁的中心到豎直梁B邊的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，L1大于L2 ;在右邊長(zhǎng)梁的右端連接一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)由第二豎直短梁、第三豎直短梁和第六錨區(qū)構(gòu)成，其中第二豎直短梁連接在右邊長(zhǎng)梁的右端，成垂直關(guān)系，第三豎直短梁一端與第六錨區(qū)相連；對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)邊為第三豎直短梁的A邊和第二豎直短梁的B邊，A、B邊有一個(gè)微小的距離Λ，第一非對(duì)稱十字梁的水平軸線和多晶硅懸臂梁的水平軸線重合；
[0011]所述第一組結(jié)構(gòu)的第二非對(duì)稱十字梁由第二錨區(qū)、第三錨區(qū)、第一水平短梁、上半豎直長(zhǎng)梁、下半豎直長(zhǎng)梁以及一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組成，其中，第一水平短梁的左右端分別與第二錨區(qū)、第三錨區(qū)相連，在第一水平短梁中心位置的上下兩邊分別設(shè)有上半豎直長(zhǎng)梁以及下半豎直長(zhǎng)梁；其中，從第一水平短梁的中心線到第二水平短梁的長(zhǎng)度也為L(zhǎng)I，上半豎直長(zhǎng)梁的自由端位于多晶硅懸臂梁的右邊第一凸點(diǎn)之下；下部的下半豎直長(zhǎng)梁的長(zhǎng)度長(zhǎng)于上半豎直長(zhǎng)梁，在下半豎直長(zhǎng)梁的下端有一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平行的第二水平短梁、第三水平短梁第七錨區(qū)構(gòu)成，其中第二水平短梁連接在下半豎直長(zhǎng)梁的下端，成垂直關(guān)系，第三水平短梁和第七錨區(qū)連接，對(duì)準(zhǔn)邊為第三水平短梁的A邊和第二水平短梁的B邊，A、B邊有一個(gè)微小的設(shè)計(jì)距離Λ，第一水平短梁的中心到第二水平短梁的B邊長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，第二非對(duì)稱十字梁與多晶硅懸臂梁垂直放置。
[0012]本發(fā)明的多晶硅薄膜材料楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法是:多晶硅懸臂梁末端的測(cè)試撓度通過(guò)設(shè)計(jì)值Λ、L1、L2進(jìn)行控制，當(dāng)A、B對(duì)準(zhǔn)時(shí)，多晶硅懸臂梁末端第二凸點(diǎn)位置
的
【權(quán)利要求】
1.一種多晶硅薄膜材料楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于該測(cè)試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成，第一組結(jié)構(gòu)包括靜電驅(qū)動(dòng)的多晶硅懸臂梁(101)、由待測(cè)薄膜材料制作的帶有對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的第一非對(duì)稱十字梁(102)、由待測(cè)薄膜材料制作的第二非對(duì)稱十字梁(103);第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除第二非對(duì)稱十字梁(103)后的剩余結(jié)構(gòu)； 所述第一組結(jié)構(gòu)的多晶硅懸臂梁(101)由第一錨區(qū)(101-1)、細(xì)長(zhǎng)梁(101-2)、作為上電極的寬梁(101-3)、細(xì)短梁(101-4)自左向右連接而成，在寬梁(101-3)的下表面是矩形下電極(101-7)，寬梁(101-3)和下電極(101-7)之間是空氣層；在細(xì)短梁(101-4)的下表面有第一凸點(diǎn)(101-5)、第二凸點(diǎn)(101-6)分別作為第二非對(duì)稱十字梁(103)和第一非對(duì)稱十字梁(102)的施力點(diǎn)； 所述第一組結(jié)構(gòu)中的第一非對(duì)稱十字梁(102)由第四錨區(qū)(102-2)、第五錨區(qū)(102-3)、第一豎直短梁(102-4)、兩根不同長(zhǎng)度的左邊長(zhǎng)梁(102-1)、右邊長(zhǎng)梁(102-5)以及一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組成；其中，第一豎直短梁(102-4)的兩端分別與第四錨區(qū)(102-2)、第五錨區(qū)(102-3)相連，在第一豎直短梁(102-4)中心位置的左右兩邊設(shè)有左邊長(zhǎng)梁(102-1)和右邊長(zhǎng)梁(102-5)，從第一豎直短梁(102-4)的中心到第二凸點(diǎn)(101-6)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，從豎直短梁(102-4)的中心到第二豎直短梁(102-6)B邊的長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，LI大于L2 ;在右邊長(zhǎng)梁(102-5)的右端連接一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)由第二豎直短梁(102-6)、第三豎直短梁(102-8)和第六錨區(qū)(102-7)構(gòu)成，其中第二豎直短梁(102-6)連接在右邊長(zhǎng)梁(102-5)的右端，成垂直關(guān)系，第三豎直短梁(102-8) —端與第六錨區(qū)(102-7)相連；對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)邊為第三豎直短梁(102-8)的A邊和第二豎直短梁(102-6)的B邊，A、B邊有一個(gè)微小的距離Λ，第一非對(duì)稱十字梁(102)的水平軸線和多晶硅懸臂梁(101)的水平軸線重合； 所述第一組結(jié)構(gòu)的第二非對(duì)稱十字梁(103)由第二錨區(qū)(103-2)、第三錨區(qū)(103-3)、第一水平短梁(103-4)、上半豎直長(zhǎng)梁(103-1)、下半豎直長(zhǎng)梁(103-5)以及一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組成，其中，第一水平短 梁(103-4)的左右端分別與第二錨區(qū)(103-2)、第三錨區(qū)(103-3)相連，在第一水平短梁(103-4)中心位置的上下兩邊分別設(shè)有上半豎直長(zhǎng)梁(103-1)以及下半豎直長(zhǎng)梁(103-5);其中，從第一水平短梁(103-4)的中心線到第二水平短梁(103-6)的長(zhǎng)度也為L(zhǎng)I，上半豎直長(zhǎng)梁(103-1)的自由端位于多晶硅懸臂梁(101)的右邊第一凸點(diǎn)(101-5)之下；下部的下半豎直長(zhǎng)梁(103-5)的長(zhǎng)度長(zhǎng)于上半豎直長(zhǎng)梁(103-1)，在下半豎直長(zhǎng)梁(103-5)的下端有一個(gè)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平行的第二水平短梁(103-6)、第三水平短梁(103-8)第七錨區(qū)(103-7)構(gòu)成，其中第二水平短梁(103-6)連接在下半豎直長(zhǎng)梁(103-5)的下端，成垂直關(guān)系，第三水平短梁(103-8)和第七錨區(qū)(103-7)連接，對(duì)準(zhǔn)邊為第三水平短梁(103-8)的A邊和第二水平短梁(103-6)的B邊，A、B邊有一個(gè)微小的設(shè)計(jì)距離Λ，第一水平短梁(103-4)的中心到第二水平短梁(103-6)的B邊長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，第二非對(duì)稱十字梁(103)與多晶硅懸臂梁(101)垂直放置。
2.一種如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜材料楊氏模量測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法，其特征在于多晶硅懸臂梁(101)末端的測(cè)試撓度通過(guò)設(shè)計(jì)值Λ、L1、L2進(jìn)行控制，當(dāng)A、B對(duì)準(zhǔn)時(shí)，多晶硅懸臂梁(ιο?)末端第二凸點(diǎn)(101-6)位置的撓度=Jj^lzi￡z^Lxi/7.LI… 利用第一組結(jié)構(gòu)和第二組結(jié)構(gòu)相同部分在相同的測(cè)試撓度下受力相同的原理，提取出驅(qū)動(dòng)多晶硅懸臂梁(101)末端達(dá)到測(cè)試撓度時(shí)所需要的靜電力， 所述第一組結(jié)構(gòu)在測(cè)試撓度下的靜電力Fl包含了三部分:多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；第一非對(duì)稱十字梁(102)扭轉(zhuǎn)所需要的力；第二非對(duì)稱十字梁(103)扭轉(zhuǎn)所需要的力， 所述第二組結(jié)構(gòu)在測(cè)試撓度下的靜電力F2包括了兩部分:多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；第一非對(duì)稱十字梁(102)扭轉(zhuǎn)所需要的力， 2倍的F2減去Fl即為 多晶硅懸臂梁(101)彎曲到測(cè)試撓度所需要的力。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK104034574SQ201410243632
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】李偉華, 王雷, 張璐, 周再發(fā) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)