絕緣襯底上厚膜硅材料泊松比測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供了一種絕緣襯底上厚膜硅材料泊松比的測試結(jié)構(gòu)。屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測試技術領域。
【背景技術】
[0002]微機電器件的性能與材料參數(shù)有密切的關系，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致的不確定因素，將使得器件設計與性能預測出現(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電器件材料參數(shù)，對工藝的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，并將參數(shù)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(shù)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(nèi)，絕緣襯底上硅(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。當硅膜層較厚時稱為厚膜SOI，厚膜SOI主要利用鍵合工藝實現(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)運動。由絕緣襯底上厚膜硅制作的MEMS器件通常為面內(nèi)運動形式。
[0004]目前大多數(shù)微機電材料參數(shù)在線測試結(jié)構(gòu)，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(shù)的在線測量需求越來越大。
[0005]面內(nèi)運動形式主要包括平行移動和扭轉(zhuǎn)運動。其中，決定扭轉(zhuǎn)運動力-角度關系的重要參量是材料的泊松比。測量泊松比的主要方法是沿某個方向拉伸結(jié)構(gòu)并測量垂直方向所發(fā)生的形變，或者是對結(jié)構(gòu)進行扭轉(zhuǎn)，測量力和相應扭轉(zhuǎn)角之間的關系。
[0006]靜電驅(qū)動是MEMS微結(jié)構(gòu)運動的常用驅(qū)動形式。利用靜電力可以驅(qū)動一個扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)做面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)運動。通過設計的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸，可以控制靜電力的大小以及在靜電力的作用下發(fā)生的扭轉(zhuǎn)角度，由結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、設置的扭轉(zhuǎn)角、材料的楊氏模量以及所施加的靜電力就可以計算得到泊松比。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)的準確性也不穩(wěn)定，因此，在靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)中應盡可能避免出現(xiàn)吸合，即希望小角度扭轉(zhuǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0007]技術問題:本發(fā)明的目的是提供一種絕緣襯底上厚膜硅材料泊松比測試結(jié)構(gòu)，測量材料的泊松比除了已知的結(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)生的形變或扭轉(zhuǎn)的角度。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泊松比。利用靜電力驅(qū)動一個懸掛結(jié)構(gòu)做扭轉(zhuǎn)運動。利用止擋結(jié)構(gòu)控制扭轉(zhuǎn)角度，形成一個特定的測試角。
[0008]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種絕緣襯底上厚膜硅材料泊松比測試結(jié)構(gòu)采用的技術方案是:
[0009]該測試結(jié)構(gòu)由兩部分組成:包括用于懸掛扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多晶硅固支梁和扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；
[0010]所述用于懸掛扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多晶硅固支梁由第一錨區(qū)、第二錨區(qū)和一個寬短梁連接而成，其中該兩個錨區(qū)分別位于由厚膜硅制作的第一支撐孤島、第一支撐孤島上，第一支撐孤島、第二支撐孤島通過絕緣襯底上厚膜硅材料的二氧化硅絕緣層固定在大襯底上；
[0011 ] 所述扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由靜電驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)桿和左右兩個限位結(jié)構(gòu)組成，扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)被位于中心的扭轉(zhuǎn)梁分為左右兩部分，左右兩部分的結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)梁的中心圓點對稱；其中，靜電驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)桿包括第一靜電驅(qū)動電極、第二靜電驅(qū)動電極和水平凸凹梁組成，水平凸凹梁由五段水平梁連接而成，自左向右分別為第一水平直梁、第二水平直梁、扭轉(zhuǎn)梁、第三水平直梁和第四水平直梁，在五段水平梁中，第一水平直梁、扭轉(zhuǎn)梁和第四水平直梁厚度相同，均為絕緣襯底上的厚膜硅的硅層厚度；第二水平直梁、第三水平直梁厚度相同，厚度小于絕緣襯底上的厚膜硅的硅層厚度，其厚度差為扭轉(zhuǎn)梁的設計厚度，五段水平梁的下平面在同一平面上，所有梁的寬度相同；上下兩個靜電驅(qū)動電極即第一靜電驅(qū)動電極、第二靜電驅(qū)動電極分別位于第一水平直梁的左下端和第四水平直梁的右上端，從扭轉(zhuǎn)桿的中心到第一靜電驅(qū)動電極、第二靜電驅(qū)動電極的水平中分線的長度為LI ；限位結(jié)構(gòu)由第五水平直梁、第六水平直梁和第一止擋塊、第二止擋塊構(gòu)成，左邊限位結(jié)構(gòu)的第五水平直梁右端連接到第一水平直梁的左端，兩個梁的上邊界平齊，止擋塊位于第五水平直梁左端下方；右邊限位結(jié)構(gòu)的第六水平直梁左端連接到第四水平直梁的右端，兩個梁的下邊界平齊，止擋塊位于第六水平直梁右端上方；從第一靜電驅(qū)動電極、第二靜電驅(qū)動電極的水平中分線到第五水平直梁、第六水平直梁末端的長度為L2;第一靜電驅(qū)動電極的左邊線與第一水平直梁的左邊線對齊，第二靜電驅(qū)動電極的右邊線與第四水平直梁的右邊線對齊；
[0012]扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的扭轉(zhuǎn)梁的上端面垂直連接到多晶硅固支梁的中心位置，形成懸掛-扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
[0013]測試結(jié)構(gòu)的工作原理如下:在靜電驅(qū)動電極和扭轉(zhuǎn)桿之間施加電壓，因為靜電力的作用，扭轉(zhuǎn)桿以扭轉(zhuǎn)梁為軸做逆時針旋轉(zhuǎn)，當限位結(jié)構(gòu)的水平直梁和止擋塊接觸時，驅(qū)動結(jié)束，由設計參數(shù)可以控制扭轉(zhuǎn)的角度，并且該角度即為扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)角度。由扭轉(zhuǎn)梁的長度、寬度和厚度尺寸、厚膜硅材料的楊氏模量以及所施加的靜電力可以計算得到厚膜硅材料的泊松比。
[0014]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]本發(fā)明的最大優(yōu)點在于絕緣襯底上的厚膜硅材料泊松比測試方法簡單，測試設備要求低，測試過程及測試參數(shù)值穩(wěn)定且易于控制。加工過程與微機電器件同步，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，適應性廣。
【附圖說明】
[0016]圖1顯示了本發(fā)明的測試結(jié)構(gòu)以及局部的剖面圖。
[0017]圖中有:第一止擋塊101-1、第二止擋塊101-4 ;第一靜電驅(qū)動電極101_2、第二靜電驅(qū)動電極101-3 ;第一水平直梁101-6，第二水平直梁101-7，扭轉(zhuǎn)梁101-8，第三水平直梁
101-9，第四水平直梁101-10，第五水平直梁101-5、第六水平直梁101-11;第一錨區(qū)102-2、第二錨區(qū)102-4，寬短梁102-3 ;第一支撐孤島102-1、第二支撐孤島102-5 ;大襯底100-1 ；二氧化硅絕緣層100-2。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明做更進一步的說明。
[0019]測試結(jié)構(gòu)由兩部分組成:用于懸掛扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多晶硅固支梁102和扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)101。
[0020]所述用于懸掛扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多晶硅固支梁102屬于寬而短的雙端固支結(jié)構(gòu)。多晶硅固支梁由兩個錨區(qū)即第一錨區(qū)102-2、第二錨區(qū)102-4和一個寬短梁102-3連接而成。其中兩個錨區(qū)分別位于由厚膜硅制作的兩個支撐孤島即第一支撐孤島102-1、第二支撐孤島
102-5上，這兩個厚膜硅孤島