絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比測試結構及方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種測量絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比的測試結構及方法。該測試結構由兩組結構構成，其中第一組結構由一個多晶硅懸臂梁(101)、一個薄膜硅十字梁(103)和一個由薄膜硅制作的墊板(102)組成；第二組結構由一個多晶硅懸臂梁和一個薄膜硅制作的墊板組成；實際測量薄膜硅泊松比的單元是薄膜硅十字梁，而兩組結構的差別僅在于是否包括薄膜硅十字梁，兩組結構中其他對應單元結構和幾何尺寸完全相同。施加靜電力使多晶硅懸臂梁下彎并進而下壓薄膜硅十字梁和墊板接觸襯底。通過兩組測試結構的測試提取出單獨驅動薄膜硅十字梁扭轉到測試角度所需要的力，由力、測試角度、楊氏模量和幾何尺寸可以計算得到絕緣襯底上薄膜硅材料的泊松比。
【專利說明】絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比測試結構及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供了一種絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比的測試結構。屬于微機電系統(MEMS)材料參數測試【技術領域】。
【背景技術】
[0002]微機電器件的性能與材料參數有密切的關系，由于加工過程的影響，一些材料參數將產生變化，這些由加工工藝所導致的不確定因素，將使得器件設計與性能預測出現不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數測試目的就在于能夠實時地測量由具體工藝制造的微機電器件材料參數，對工藝的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，并將參數反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設備進行的測試成為工藝監(jiān)控的必要手段。材料力學性能的物理參數主要包括楊氏模量、泊松比、殘余應力、斷裂強度等。
[0003]在MEMS【技術領域】內，絕緣襯底上的硅膜(一種SOI材料)是一種常用的襯底材料，主要由三層材料疊合而成，自下而上為大襯底，絕緣層(通常為二氧化硅)，硅膜層。這類SOI材料通常采用兩類方法制造:注氧和鍵合。注氧SOI材料所形成的硅膜比較薄，大約為幾百納米，鍵合形成的SOI材料上的硅膜相對注氧結構要厚一些，幾微米到幾十微米。SOI材料中的絕緣層主要是二氧化硅，其中注氧形成的二氧化硅通常只有幾十納米，鍵合形成SOI的二氧化硅則相對厚一些，厚度范圍也大一些。這些二氧化硅常作為制作MEMS器件的犧牲層，即這層二氧化硅在結構下的部分最終將被腐蝕掉，這樣，上層硅膜所制作的結構可以做離面或面內運動。不論是注氧工藝還是鍵合工藝，都將在上面的硅膜中形成應力。絕緣襯底上的硅膜為單晶硅薄膜，其薄膜材料的力學參數和晶向有關。采用絕緣襯底上的薄膜硅所制作的MEMS器件通常是離面運動形式，而絕緣襯底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面內運動形式。
[0004]目前大多數微機電材料參數在線測試結構主要是測量微機械表面加工工藝所制作的薄膜材料，如各層多晶硅、金屬層等。隨著絕緣襯底上的硅膜材料在MEMS加工中越來越多的得到應用，對于絕緣襯底上硅膜材料的楊氏模量、泊松比、殘余應力、斷裂強度等力學參數的在線測量需求越來越大。
[0005]本發(fā)明提供了一種測量絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比的測試結構。測試結構由兩組結構構成。其中第一組由一個多晶硅懸臂梁、一個薄膜硅十字梁、一個由薄膜硅制作的墊板組成；第二組由一個多晶硅懸臂梁和一個由薄膜硅制作的墊板組成。實際測量薄膜硅楊氏模量的單元是薄膜硅十字梁，而兩組結構的差別僅在于是否包括薄膜硅十字梁，兩組結構中其他對應單元結構和幾何尺寸完全相同。施加靜電力使多晶硅懸臂梁下彎并進而下壓薄膜硅十字梁和墊板接觸襯底。通過兩組測試結構的測試提取出單獨驅動薄膜硅十字梁扭轉到測試角度所需要的力，由力、測試角度、楊氏模量和幾何尺寸可以計算得到絕緣襯底上薄膜硅材料的泊松比。本發(fā)明的測試結構、測量方法和參數提取的方法極其簡單。
【發(fā)明內容】
:[0006]技術問題:測量材料的泊松比通常需要知道結構受力大小和結構受力所產生的形變或扭轉的角度。本發(fā)明提出了一種測量絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比的測試結構及方法，用于測量絕緣襯底上薄膜硅材料的泊松比。利用兩組測試單元提取出泊松比測量單元所受到的力的大小，利用SOI材料中二氧化硅層的厚度設置泊松比測量單元受力扭轉的角度。
[0007]技術方案:為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0008]測試結構由兩組單元組成:其中一組用于測量包含了薄膜硅泊松比測量單元的結構產生一定上下位移時所施加力的大??；另一組用于測量在同樣位移條件下，去除薄膜硅的泊松比測量單元后所需要施加的力的大小。將兩次所施加的力相減，得到在薄膜硅的泊松比測量單元上實際受到的力值，根據該值和設計的扭轉角度并結合測試結構的幾何參數、物理參數，即可計算得到該絕緣襯底上薄膜硅材料的泊松比。另一方面，由于SOI材料制作的MEMS結構在犧牲層腐蝕時很容易使結構的錨區(qū)受到鉆蝕，使錨區(qū)的強度受到影響，必須對其進行加固。
[0009]實際測試絕緣襯底上的薄膜硅材料泊松比的單元，為一個由該薄膜硅材料制作的十字梁；驅動薄膜硅十字梁發(fā)生扭轉的作用力源是一個利用靜電驅動的多晶硅懸臂梁；扭轉角度由SOI中二氧化硅層厚度決定，也即當薄膜硅十字梁扭轉到一端接觸到大襯底時測試結束。
[0010]根據上述技術方案，本發(fā)明提出了一種測量絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比的測試結構。該測試結構由兩組結構構成，其中第一組結構由一個多晶硅懸臂梁、一個薄膜硅十字梁和一個由薄膜硅制作的墊板組成；第二組結構由一個多晶硅懸臂梁和一個薄膜硅制作的墊板組成；
[0011]所述第一組測試結構的多晶硅懸臂梁由第一錨區(qū)、細長梁、作為上電極的寬梁、細短梁和下電極組成，自左向右，第一錨區(qū)、細長梁、寬梁和細短梁依次連接，下電極位于作為上電極的寬梁之下，寬梁和下電極之間是空氣層，在細短梁的下部設有第一凸點、第二凸點，分別作為對于薄膜硅十字梁和墊板的施力點；
[0012]所述第一組結構中由絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅十字梁包括第二錨區(qū)、第三錨區(qū)、被該兩個錨區(qū)連接的作為扭轉梁的水平短梁和上豎直長梁、下豎直長梁組成，上豎直長梁、下豎直長梁與多晶硅懸臂梁垂直，上豎直長梁的上自由端位于多晶硅懸臂梁中細短梁的左邊第一凸點之下；
[0013]所述第一組測試結構中的墊板包括矩形板、兩個支撐矩形板的第一折疊梁、第二折疊梁、分別連接第一折疊梁、第二折疊梁的第四錨區(qū)、第五錨區(qū)；墊板材料與薄膜硅十字梁相同，均采用絕緣襯底上的薄膜硅制作，矩形板的中心位于多晶硅懸臂梁中細短梁的右邊第二凸點之下；
[0014]所述第二組測試結構中的多晶硅懸臂梁和墊板的幾何形狀、尺寸以及相對位置均與第一組的多晶硅懸臂梁和墊板相同。
[0015]所述的第二錨區(qū)、第三錨區(qū)、第四錨區(qū)、第五錨區(qū)均采用加固結構，即在這些錨區(qū)之上設有一層包裹材料，包裹材料覆蓋住全部錨區(qū)并向外延伸至二氧化硅層區(qū)域，包裹材料圖形大于錨區(qū)的部分直接生長在SOI材料中的二氧化硅層上。
[0016]本發(fā)明的絕緣襯底上的薄膜硅材料泊松比測試結構的測試方法是:[0017]利用第一組結構和第二組結構相同部分在相同測試位移下受力相同的原理，提取出驅動絕緣襯底上薄膜硅材料制作的十字梁繞水平短梁扭轉到測試角度時所需要的靜電力，
[0018]由絕緣襯底上薄膜硅制作的十字梁繞水平短梁扭轉的測試角度為:
【權利要求】
1.一種測量絕緣襯底上薄膜硅材料泊松比的測試結構，其特征在于該測試結構由兩組結構構成，其中第一組結構由一個多晶硅懸臂梁(101)、一個薄膜硅十字梁(103)和一個由薄膜硅制作的墊板(102)組成；第二組結構由一個多晶硅懸臂梁(101)和一個薄膜硅制作的墊板(102)組成； 所述第一組測試結構的多晶硅懸臂梁(101)由第一錨區(qū)(101-1)、細長梁(101-2)、作為上電極的寬梁(101-3)、細短梁(101-4)和下電極(101-7)組成，自左向右，第一錨區(qū)(101-1)、細長梁(101-2)、寬梁(101-3)和細短梁(101-4)依次連接，下電極(101-7)位于作為上電極的寬梁(101-3)之下，寬梁(101-3)和下電極(101-7)之間是空氣層，在細短梁(101-4)的下部設有第一凸點(101-5)、第二凸點(101-6)，分別作為對于薄膜硅十字梁(103)和墊板(102)的施力點； 所述第一組結構中由絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅十字梁(103)包括第二錨區(qū)(103-2)、第三錨區(qū)(103-3)、被該兩個錨區(qū)連接的作為扭轉梁的水平短梁(103-4)和上豎直長梁(103-1)、下豎直長梁(103-5)組成，上豎直長梁(103-1)、下豎直長梁(103-5)與多晶硅懸臂梁(101)垂直，上豎直長梁(103-1)的上自由端位于多晶硅懸臂梁(101)中細短梁(101-4)的左邊第一凸點(101-5)之下； 所述第一組測試結構中的墊板(102)包括矩形板(102-1)、兩個支撐矩形板(102-1)的第一折疊梁(102-2)、第二折疊梁(102-3)、分別連接第一折疊梁(102-2)、第二折疊梁(102-3)的第四錨區(qū)(102-4)、第五錨區(qū)(102-5);墊板(102)材料與薄膜硅十字梁(103)相同，均采用絕緣襯底上的薄膜硅制作，矩形板(102-1)的中心位于多晶硅懸臂梁(101)中細短梁(101-4)的右邊第二凸點(101-6)之下； 所述第二組測試結構中的多晶硅懸臂梁(101)和墊板(102)的幾何形狀、尺寸以及相對位置均與第一組的多晶硅懸臂梁(101)和墊板(102)相同。
2.根據權利要求1所述的絕緣襯底上的薄膜硅材料泊松比測試結構，其特征在于所述的第二錨區(qū)(103-2)、第三錨區(qū)(103-3)、第四錨區(qū)(102-4)、第五錨區(qū)(102-5)均采用加固結構，即在這些錨區(qū)之上設有一層包裹材料(203)，包裹材料(203)覆蓋住全部錨區(qū)并向外延伸至二氧化硅層(201)區(qū)域，包裹材料(203)圖形大于錨區(qū)的部分直接生長在SOI材料中的二氧化硅層(201)上。
3.—種如權利要求1所述的絕緣襯底上的薄膜硅材料泊松比測試結構的測試方法，其特征在于: 利用第一組結構和第二組結構相同部分在相同測試位移下受力相同的原理，提取出驅動絕緣襯底上薄膜硅材料制作的十字梁(103)繞水平短梁(103-4)扭轉到測試角度時所需要的靜電力， 由絕緣襯底上薄膜硅制作的十字梁(103)繞水平短梁(103-4)扭轉的測試角度為:
(Αλa = arcsin τ，式中Λ為二氧化硅層(201)的厚度，L為十字梁中心到第一凸點(101-5)
\LJ的長度； 所述第一組結構在測試位移下的靜電力Fl包含了三部分:驅動多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；下壓墊板(102)所需要的力；由待測薄膜硅材料制作的十字梁(103)扭轉所需要的力， 所述第二組結構在測試位移下的靜電力F2包括了兩部分:驅動多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；下壓墊板(102)所需要的力， Fl減去F2即為單獨驅動由絕緣襯底上薄膜硅材料制作的十字梁(103)扭轉到測試角度所需要的凈 力。
【文檔編號】G01N3/00GK104034575SQ201410243664
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權日:2014年6月3日
【發(fā)明者】李偉華, 王雷, 張璐, 周再發(fā) 申請人:東南大學