絕緣襯底上厚膜硅材料殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種絕緣襯底上厚膜硅材料殘余應(yīng)力的測試結(jié)構(gòu)。屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測試技術(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)計與性能預(yù)測出現(xiàn)不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數(shù)測試目的就在于能夠?qū)崟r地測量由具體工藝制造的微機(jī)電器件材料參數(shù)，對工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，并將參數(shù)反饋給設(shè)計者，以便對設(shè)計進(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MEMS技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，絕緣襯底上的硅膜(SOI)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-硅膜層。當(dāng)硅膜層較厚時稱為厚膜SOI，厚膜SOI主要利用鍵合工藝實(shí)現(xiàn)。這類SOI材料的硅膜厚度在幾微米到幾十微米。SOI材料中的絕緣層主要是二氧化硅，厚度通常只有幾十納米，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(jié)構(gòu)下的部分最終將被腐蝕掉，這樣，上層硅膜所制作的結(jié)構(gòu)可以做離面或面內(nèi)運(yùn)動。由絕緣襯底上厚膜硅制作的MEMS器件通常為面內(nèi)運(yùn)動形式。
[0004]在鍵合工藝中，有可能在上面的硅膜中形成一定形式的應(yīng)力(張、壓應(yīng)力)，這種應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在將導(dǎo)致MEMS器件出現(xiàn)初始形變或者導(dǎo)致器件的性能參數(shù)出現(xiàn)偏離。
[0005]目前大多數(shù)微機(jī)電材料參數(shù)在線測試結(jié)構(gòu)主要是測量微機(jī)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(yīng)用，對于絕緣襯底上硅膜材料的楊氏模量、泊松比、殘余應(yīng)力、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的在線測量需求越來越大。
[0006]靜電驅(qū)動是MEMS微結(jié)構(gòu)運(yùn)動的常用驅(qū)動形式。利用靜電力驅(qū)動一個固支梁做面內(nèi)的橫向彎曲運(yùn)動，可以由彎曲的撓度、固支梁的幾何尺寸、材料的楊氏模量以及所施加的靜電力計算得到殘余應(yīng)力。采用靜電驅(qū)動方式的一個重要問題是吸合現(xiàn)象，由于吸合現(xiàn)象屬于非穩(wěn)態(tài)情況，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也不穩(wěn)定，因此，在靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)吸合，即希望小形變彎曲，但是，小形變彎曲需要進(jìn)行微位移測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0007]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種絕緣襯底上厚膜硅材料殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，測量材料的殘余應(yīng)力除了已知的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和楊氏模量外，通常還需要知道結(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)明提出了一種測試結(jié)構(gòu)，用于測量絕緣襯底上厚膜硅材料的殘余應(yīng)力。利用靜電力驅(qū)動一個固支梁做面內(nèi)的橫向彎曲運(yùn)動。利用一個測微結(jié)構(gòu)測試彎曲撓度。測微結(jié)構(gòu)的位移由熱膨脹結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，移動量由游標(biāo)測量。由于大部分理論計算都是基于集中載荷，為了實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動的作用點(diǎn)盡可能小以模擬點(diǎn)力(集中載荷)驅(qū)動模式，需要縮小作用力的面。
[0008]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種絕緣襯底上厚膜硅材料殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)方案是:
[0009]該測試結(jié)構(gòu)由三部分組成:相對型電熱驅(qū)動單元；帶測微游標(biāo)的撓度測量單元；靜電驅(qū)動的固支梁單元；
[0010]所述帶測微游標(biāo)的撓度測量單元中的動齒的下端和相對型電熱驅(qū)動單元中的水平寬梁垂直連接，動齒的軸線和相對型電熱驅(qū)動單元的中心線重疊；
[0011]所述靜電驅(qū)動的固支梁單元由固支梁和靜電驅(qū)動電極組成，其中，固支梁由兩個錨區(qū)即固支梁單元第一錨區(qū)、固支梁單元第二錨區(qū)和下水平細(xì)梁連接而成；上水平短梁和豎直短梁以及下水平細(xì)梁構(gòu)成“工”字型結(jié)構(gòu)，該“工”字型結(jié)構(gòu)位于固支梁的中心；靜電驅(qū)動電極由上錨區(qū)和與之連接的電極構(gòu)成，“工”字型結(jié)構(gòu)的中心線和靜電驅(qū)動電極的中心線重合，并且，該中心線與動齒的軸線、測試探針的軸線也重合。
[0012]所述相對型電熱驅(qū)動單元由左右兩個完全相同的MEMS常規(guī)電熱執(zhí)行器相對稱連接構(gòu)成；左邊的第一部分MEMS電熱執(zhí)行器由第一錨區(qū)、第一細(xì)梁、第一寬梁、第一連接梁、第一熱膨脹細(xì)梁、第二錨區(qū)順時針連接組成；右邊的第二部分MEMS電熱執(zhí)行器由第三錨區(qū)、第二細(xì)梁、第二寬梁、第二連接梁、第二熱膨脹細(xì)梁、第四錨區(qū)逆時針連接組成；連接第一部分、第二部分MEMS電熱執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)包括第一水平細(xì)梁、第二水平細(xì)梁、第一豎直細(xì)梁、第二豎直細(xì)梁、水平寬梁，其中，左邊的第一水平細(xì)梁左端連接到第一部分MEMS電熱執(zhí)行器的第一寬梁，右端和第一豎直細(xì)梁連接；第二部分MEMS電熱執(zhí)行器的第二水平細(xì)梁右端連接到第二寬梁，左端和第二豎直細(xì)梁連接，第一豎直細(xì)梁、第二豎直細(xì)梁的上端與水平寬梁連接；
[0013]所述帶測微游標(biāo)的撓度測量單元由測微游標(biāo)和測量探針組成；其中，測微游標(biāo)由豎直運(yùn)動的動齒、第一定齒、第二定齒組成；豎直運(yùn)動的動齒為一個左右兩邊均勻分布若干齒并且左右相對的齒一一對齊的結(jié)構(gòu)，所有齒的寬度和齒的間距均相等，第一定齒、第二定齒則為固定不動的單邊齒結(jié)構(gòu)，所有齒的寬度都和動齒的齒相同，但齒間距比齒的寬度大I Λ，Λ是游標(biāo)尺的分辨率，第一定齒位于豎直運(yùn)動的動齒左邊，齒邊向右，第二定齒位于豎直運(yùn)動的動齒右邊，齒邊向左；自下而上，動齒的第一齒相對第一定齒的第一齒偏下I Λ，由于定齒的所有齒間距比齒的寬度大I Λ，因此，動齒的第二齒相對第一定齒的第二齒偏下2 Λ，以此類推，動齒第η個齒相對第一定齒的第η個齒偏下η Δ ;動齒的齒相對第二定齒的關(guān)系延續(xù)了左邊關(guān)系，即當(dāng)動齒和第一定齒最上端齒的偏差為m Λ時，動齒的第一齒相對第二定齒的第一齒偏下(m+1) Λ;測量探針下端和動齒的上端連接，具有同一個軸線。
[0014]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)在于絕緣襯底上的厚膜硅材料殘余應(yīng)力測試方法簡單，測試設(shè)備要求低，測試過程及測試參數(shù)值穩(wěn)定。加工過程與微機(jī)電器件同步，沒有特殊加工要求。完全符合在線測試的要求。計算方法僅限于簡單數(shù)學(xué)公式。本發(fā)明的測試結(jié)構(gòu)、測量方法和參數(shù)提取的計算方法極其簡單，適應(yīng)性廣。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的測試結(jié)構(gòu)。
[0017]圖中有:相對型電熱驅(qū)動單元101 ;第一錨區(qū)101-1、第一細(xì)梁101-2、第一寬梁
101-3、第一連接梁101-4、第一熱膨脹細(xì)梁101-5、第二錨區(qū)101-6、第三錨區(qū)101-7、第二細(xì)梁101-8、第二寬梁101-9、第二連接梁101-10、第二熱膨脹細(xì)梁101-11、第四錨區(qū)101-12、第一水平細(xì)梁101-13、第一豎直細(xì)梁101-14、水平寬梁101-15、第二豎直細(xì)梁101-16、第二水平細(xì)梁101-17。
[0018]靜電驅(qū)動的固支梁單元102 ;第一錨區(qū)102-1、下水平細(xì)梁102-2、第二錨區(qū)102-3、豎直短梁102-4、上水平短梁102-5、電極102-6、上錨區(qū)102-7。
[0019]帶測微游標(biāo)的撓度測量單元103 ;動齒103-1、第一定齒103_2、第二定齒103-3、測試探針103-4。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明做更進(jìn)一步的說明。
[0021]測試結(jié)構(gòu)由三部分組成:相對型電熱驅(qū)動單元101 ;帶測微游標(biāo)的撓度測量單元103 ;靜電驅(qū)動的固支梁單元102。
[0022]所述相對型電熱驅(qū)動單元101由左右兩個完全相同的第一部分和第二部分MEMS常規(guī)電熱執(zhí)行器相對連接構(gòu)成。左邊的第一部分MEMS電熱執(zhí)行器由第一銷區(qū)101-1、第一細(xì)梁101-2、第一寬梁101-3、第一連接梁101-4、第一熱膨脹細(xì)梁101-5、第二錨區(qū)101-6順時針連接組成。右邊的第二部分MEMS電熱執(zhí)行器由第三錨區(qū)101-7、第二細(xì)梁101-8、第二寬梁101-9、第二連接梁101-10、第二熱膨脹細(xì)梁101-11、第四錨區(qū)101-12逆時針連接組成。連接第一、第二部分MEMS電熱執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)包括第一水平細(xì)梁101-13、第二水平細(xì)梁101-17、第一豎直細(xì)梁101-14、第二豎直細(xì)梁101-16、水平寬梁101-15，其中，左邊的第一水平細(xì)梁101-13左端連接到第一部分MEMS電熱執(zhí)行器的寬梁101-3，右端和第一豎直細(xì)梁101-14連接