CN103245579A - 绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构，包括：由绝缘衬底上的硅材料中的硅衬底形成的衬底，在衬底上设有由绝缘衬底上的硅材料中的绝缘层形成的第一绝缘区、第二绝缘区、第三绝缘区及第四绝缘区，在第一绝缘区、第二绝缘区、第三绝缘区及第四绝缘区上分别设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的第一锚区、检测电极、第二锚区及激励电极，在检测电极与激励电极之间设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的谐振梁，谐振梁的一端连接于第一锚区，谐振梁的另一端连接于第二锚区，所述谐振梁立于衬底的上方且受激励电极的激励产生面内横向谐振。本发明能够提高绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测量准确性。

Description

绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）材料参数测试技术领域，涉及一种绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅杨氏模量的测试结构，尤其涉及一种绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构。

背景技术

谐振梁作为一种常见的谐振传感器，得到广泛地应用，该传感器能够有效地将机械振动与电信号进行互相转换。绝缘衬底上的硅材料是微机电系统器件制造的基本材料，利用绝缘衬底上的硅材料所形成的谐振梁进行力电传感是MEMS中常用的结构与传感方法。

杨氏模量是衡量谐振梁振动特性的重要参数，由形成谐振梁的材料特性决定其大小。因为MEMS材料会受加工过程的影响而产生材料参数的变化，使得设计者需要了解具体工艺后材料参数的真实情况。对于谐振梁而言，需要测量杨氏模量的具体数值。

现有的绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅杨氏模量的测试结构通常采用离面运动形式，以便对测试结构施加激励、进行检测。由于绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅厚度较大，这些结构占用很大面积，而且顶层硅材料下的氧化层释放时存在过度腐蚀问题，对离面运动结构有效尺寸有很大影响。

发明内容

本发明提出了一种能够提高测量准确性的绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构。

本发明采用如下技术方案：

一种绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构，包括：由绝缘衬底上的硅材料中的硅衬底形成的衬底，在衬底上设有由绝缘衬底上的硅材料中的绝缘层形成的第一绝缘区、第二绝缘区、第三绝缘区及第四绝缘区，在第一绝缘区、第二绝缘区、第三绝缘区及第四绝缘区上分别设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的第一锚区、检测电极、第二锚区及激励电极，在检测电极与激励电极之间设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的谐振梁，谐振梁的一端连接于第一锚区，谐振梁的另一端连接于第二锚区，所述谐振梁立于衬底的上方且受激励电极的激励产生面内横向谐振。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提出了一种绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅杨氏模量的测试结构。考虑到绝缘衬底上的硅材料（SOI）的厚度对结构尺寸的影响，以及硅材料下的氧化层释放对离面运动结构有效尺寸将产生影响，本结构测量的是在面内横向振动下的谐振频率。测试结构由一个衬底、两个锚区、一个谐振梁、两个电极组成。在两个电极施加交流电信号对谐振梁激振，产生面内横向振动。采用光学或电学方法测量谐振频率。最后通过简单计算得到绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅的杨氏模量。

本发明具有测试结构简单、信号加载和测量简便、计算方法稳定准确的特点。本发明的最大优点在于，采用测量测试结构在面内横向振动下的谐振频率的方法，避免了顶层硅材料下的氧化层释放对离面运动产生的影响。由于顶层硅材料下的氧化层释放时存在过度腐蚀问题，因此当采用常见的通过测量测试结构离面上下振动的谐振频率来计算杨氏模量的方法时，谐振梁的有效长度不再是设计尺寸l，而变为l+l₁+l₂，其中l₁和l₂分别为谐振梁两端锚区氧化层被过度腐蚀后增加的不确定宽度；而在面内横向振动情况下谐振梁有效长度即为l，有效长度不受过度腐蚀影响，计算结果将更加准确。此外本方法测试结构简单，激励谐振梁与测量谐振梁基频方法简单。计算方法仅限于简单数学公式。

附图说明

图1给出了该测试结构的多层复合示意图。测试结构制作在MEMS器件常用的绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅上。

图2为多层复合示意图B-B剖面示意图。

图3为多层复合示意图A-A剖面示意图。

图4为绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅层的组合图，图4为两个锚区、由两个锚区固定的谐振梁以及分布在谐振梁两侧的两个电极，采用绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅制作。

图5为绝缘衬底上的硅材料（SOI）绝缘层的组合图，图5是在图4所示的锚区和电极下用于锚定的一层绝缘衬底材料，这里采用硅材料下的氧化层二氧化硅，本发明所示的锚定的绝缘衬底材料通过对硅材料下的氧化层二氧化硅释放得到。

具体实施方式

一种绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构，包括：由绝缘衬底上的硅材料中的硅衬底形成的衬底100，在衬底100上设有由绝缘衬底上的硅材料中的绝缘层形成的第一绝缘区101、第二绝缘区102、第三绝缘区103及第四绝缘区104，在第一绝缘区101、第二绝缘区102、第三绝缘区103及第四绝缘区104上分别设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的第一锚区106、检测电极107、第二锚区108及激励电极109，在检测电极107与激励电极109之间设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的谐振梁105，谐振梁105的一端连接于第一锚区106，谐振梁105的另一端连接于第二锚区108，所述谐振梁105立于衬底100的上方且受激励电极109的激励产生面内横向谐振。

测试过程与杨氏模量计算如下：

⑴测试过程

测试过程分几个阶段顺序进行：

①通过激励电极109、锚区106以及锚区108对谐振梁施加扫频电压，使谐振梁发生面内横向振动。

②通过光学测量方法，或者通过测量检测电极107、锚区106以及锚区108反馈电信号，测量谐振梁基频f₀。

⑵计算绝缘衬底上的硅材料（SOI）的杨氏模量

双端固支梁基频f₀与杨氏模量E的关系为：

$f_0=\frac{{4.73}^2}{l^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρA}}},$

式中l为谐振梁有效长度，I为谐振梁横截面面内横向振动方向上的转动惯量，A为谐振梁横截面面积，r为绝缘衬底上的硅材料（SOI）的密度，对于本发明提出的测试结构，谐振梁横截面为矩形，

$I=\frac{{\mathrm{tw}}^3}{12},A=\mathrm{tw},$

式中t为谐振梁厚度，w为谐振梁宽度。

因此，绝缘衬底上的硅材料（SOI）的杨氏模量为：

$E={\left(\frac{f_0{l}^2}{{4.73}^2}\right)}^2\mathrm{\ρA}/I$

本发明的测试方法简单，采用简单的交流电压源扫频作为激励源，采用交流电流或电压表，或光学方法测量基频。

测试结构采用基本的MEMS加工工艺完成。下面以典型的SOI加工工艺说明测试结构的制作过程。

选择SOI半导体硅片，通过光刻工艺在硅片上形成掩模版图形，用刻蚀工艺刻蚀形成锚区、谐振梁与检测电极和激励电极，刻蚀深度为绝缘衬底上的硅材料（SOI）顶层硅厚度。最后采用释放工艺通过腐蚀氧化层二氧化硅去除无顶层硅覆盖的绝缘衬底材料和谐振梁下方绝缘衬底材料、以及锚区和电极下方外围一圈部分绝缘衬底材料，形成可动的谐振梁结构与被固定的锚区、检测电极和激励电极。

Claims (1)

1.一种绝缘衬底上的硅材料顶硅层杨氏模量的测试结构，包括：由绝缘衬底上的硅材料中的硅衬底形成的衬底（100），其特征在于，在衬底（100）上设有由绝缘衬底上的硅材料中的绝缘层形成的第一绝缘区（101）、第二绝缘区（102）、第三绝缘区（103）及第四绝缘区（104），在第一绝缘区（101）、第二绝缘区（102）、第三绝缘区（103）及第四绝缘区（104）上分别设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的第一锚区（106）、检测电极（107）、第二锚区（108）及激励电极（109），在检测电极（107）与激励电极（109）之间设有由绝缘衬底上的硅材料中的顶硅层形成的谐振梁（105），谐振梁（105）的一端连接于第一锚区（106），谐振梁（105）的另一端连接于第二锚区（108），所述谐振梁（105）立于衬底（100）的上方且受激励电极（109）的激励产生面内横向谐振。

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