CN104034574A - 多晶硅薄膜材料杨氏模量测试结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多晶硅薄膜材料杨氏模量的测试结构及方法，主要用于多晶硅结构层的材料测试。该测试结构由两组结构组成，第一组结构包括静电驱动的多晶硅悬臂梁(101)、由待测薄膜材料制作的带有对准结构的第一非对称十字梁(102)、由待测薄膜材料制作的第二非对称十字梁(103)；第二组结构是第一组结构去除第二非对称十字梁后的剩余结构；测量材料的杨氏模量通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或弯曲的挠度。本发明通过几何参数设计控制测试结构的弯曲挠度，通过两组测试结构的相同部分受力相同的原理提取出杨氏模量测试结构所受到的力，利用力和挠度计算得到多晶硅薄膜材料的杨氏模量。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。

Description

多晶硅薄膜材料杨氏模量测试结构及方法

技术领域

本发明提供了一种多晶硅薄膜材料杨氏模量的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术领域。

背景技术

微机电器件的性能与材料参数有密切的关系，由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。材料力学性能的物理参数主要包括杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等。

在微机电器件结构中广泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微机械结构中，多晶硅薄膜材料是结构材料的主体材料。MEMS工艺中通常有两到三层多晶硅薄膜，具有不同的应用，底层多晶硅往往做垫层或下电极，二层或三层作为结构材料，结构材料的参数对MEMS器件影响最大。

发明内容：

技术问题：测量材料的杨氏模量通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或弯曲的挠度。本发明提出了一种测试结构，用于测量用于多晶硅薄膜结构层材料的杨氏模量。测试结构由两组单元组成：其中一组用于测量结构产生一定弯曲挠度时所施加力的大小；另一组用于测量在同样弯曲挠度条件下，去除特定负载后所需要施加的力的大小。将所施加的力相减，得到在多晶硅薄膜杨氏模量测试结构上实际受到的力值，根据该值和弯曲挠度并结合测试结构的几何参数即可计算得到该多晶硅薄膜材料的杨氏模量。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

实际测试杨氏模量的结构为一个利用静电驱动的多晶硅悬臂梁(以下简称为多晶硅悬臂梁)，该多晶硅悬臂梁同时也是一个作用力源。两个由其他薄膜材料制作的带对准结构的非对称十字梁(以下简称为十字梁)作为挠度测量单元，其他薄膜材料可以是下一层多晶硅或其他能够被释放而可以运动的薄膜材料。十字梁实际上是一个两边不对称的跷跷板结构，当跷跷板一端被压下，另一端必然翘起，翘起一端的投影长度缩短，使位于翘起端末的对准结构的两个对准线发生相对运动，被压下的一端下压的越多，对准线越靠近，直至对准。通过对准位置和跷跷板两端长度的设计可以控制十字梁下压端的位移量，该位移量就是需要设定的测量挠度。

采用两组测量单元：一组是一个多晶硅悬臂梁加两个十字梁，一组是一个多晶硅悬臂梁加一个十字梁。测量两组测量单元达到同样挠度时所需施加的力的值，两组单元力值的差即为驱动一个十字梁所需要的力，由此力也可以简单计算得到多晶硅悬臂梁在测试挠度下所需要的力。由力和测试挠度即可计算多晶硅薄膜的杨氏模量。

根据上述技术方案，本发明提供了一种测量薄膜材料杨氏模量的测试结构。该测试结构由两组结构组成，第一组结构包括静电驱动的多晶硅悬臂梁、由待测薄膜材料制作的带有对准结构的第一非对称十字梁、由待测薄膜材料制作的第二非对称十字梁；第二组结构是第一组结构去除第二非对称十字梁后的剩余结构；

所述第一组结构的多晶硅悬臂梁由第一锚区、细长梁、作为上电极的宽梁、细短梁自左向右连接而成，在宽梁的下表面是矩形下电极，宽梁和下电极之间是空气层；在细短梁的下表面有第一凸点、第二凸点分别作为第二非对称十字梁和第一非对称十字梁的施力点；

所述第一组结构中的第一非对称十字梁由第四锚区、第五锚区、第一竖直短梁、两根不同长度的左边长梁、右边长梁以及一个对准结构组成；其中，第一竖直短梁的两端分别与第四锚区、第五锚区相连，在第一竖直短梁中心位置的左右两边设有左边长梁和右边长梁，从第一竖直短梁的中心到第二凸点的长度为L2，从竖直短梁的中心到竖直梁B边的长度为L1，L1大于L2；在右边长梁的右端连接一个对准结构，对准结构由第二竖直短梁、第三竖直短梁和第六锚区构成，其中第二竖直短梁连接在右边长梁的右端，成垂直关系，第三竖直短梁一端与第六锚区相连；对准结构的对准边为第三竖直短梁的A边和第二竖直短梁的B边，A、B边有一个微小的距离△，第一非对称十字梁的水平轴线和多晶硅悬臂梁的水平轴线重合；

所述第一组结构的第二非对称十字梁由第二锚区、第三锚区、第一水平短梁、上半竖直长梁、下半竖直长梁以及一个对准结构组成，其中，第一水平短梁的左右端分别与第二锚区、第三锚区相连，在第一水平短梁中心位置的上下两边分别设有上半竖直长梁以及下半竖直长梁；其中，从第一水平短梁的中心线到第二水平短梁的长度也为L1，上半竖直长梁的自由端位于多晶硅悬臂梁的右边第一凸点之下；下部的下半竖直长梁的长度长于上半竖直长梁，在下半竖直长梁的下端有一个对准结构，对准结构由两个平行的第二水平短梁、第三水平短梁第七锚区构成，其中第二水平短梁连接在下半竖直长梁的下端，成垂直关系，第三水平短梁和第七锚区连接，对准边为第三水平短梁的A边和第二水平短梁的B边，A、B边有一个微小的设计距离△，第一水平短梁的中心到第二水平短梁的B边长度为L1，第二非对称十字梁与多晶硅悬臂梁垂直放置。

本发明的多晶硅薄膜材料杨氏模量测试结构的测试方法是：多晶硅悬臂梁末端的测试挠度通过设计值△、L1、L2进行控制，当A、B对准时，多晶硅悬臂梁末端第二凸点位置的

利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同的测试挠度下受力相同的原理，提取出驱动多晶硅悬臂梁末端达到测试挠度时所需要的静电力，

所述第一组结构在测试挠度下的静电力F1包含了三部分：多晶硅悬臂梁弯曲所需要的力；第一非对称十字梁扭转所需要的力；第二非对称十字梁扭转所需要的力，

所述第二组结构在测试挠度下的静电力F2包括了两部分：多晶硅悬臂梁弯曲所需要的力；第一非对称十字梁扭转所需要的力，

2倍的F2减去F1即为多晶硅悬臂梁弯曲到测试挠度所需要的力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种多晶硅薄膜材料杨氏模量的测试结构，主要用于结构层的多晶硅测试。测量材料的杨氏模量通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或弯曲的挠度。本发明通过几何参数设计控制测试结构的弯曲挠度，通过两组测试结构的相同部分受力相同的原理提取出杨氏模量测试结构所受到的力，利用力和挠度计算得到多晶硅薄膜材料的杨氏模量。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。

本发明的最大优点在于多晶硅薄膜材料的杨氏模量测试方法简单，测试设备要求低，测试过程及测试参数值稳定。加工过程与微机电器件同步，没有特殊加工要求。完全符合在线测试的要求。计算方法仅限于简单数学公式。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的计算方法极其简单，适应性广。

附图说明

图1是本发明的第一组结构。

图2是本发明的第二组结构。

图中有：多晶硅悬臂梁101、第一非对称十字梁102、第二非对称十字梁103；

第一锚区101-1、细长梁101-2、宽梁101-3、细短梁101-4、第一凸点101-5、第二凸点101-6、下电极101-7；

左边长梁102-1、第四锚区102-2、第五锚区102-3、第一竖直短梁102-4、右边长梁102-5、第二竖直短梁102-6、第六锚区102-7、第三竖直短梁102-8；

上半竖直长梁103-1、第二锚区103-2、第三锚区103-3、第一水平短梁103-4、下半竖直长梁103-5、第二水平短梁103-6、第七锚区103-7、第三水平短梁103-8。

具体实施方式

下面结合附图1和图2对本发明做更进一步的说明。

本发明提供了一种测量多晶硅薄膜材料杨氏模量的测试结构。测试结构由两组分结构组成，分别如图1和图2所示。图1所示的第一组结构包括静电驱动的多晶硅悬臂梁101、带有对准结构的第一非对称十字梁102、带有对准结构的第二非对称十字梁103；第二组测试结构如图2所示，包括多晶硅悬臂梁101和第一非对称十字梁102。和第一组测试结构相比，第二组测试结构是在第一组结构中去掉了第二非对称十字梁103后的剩余部分。

所述第一组结构的多晶硅悬臂梁由第一锚区101-1、细长梁101-2、作为上电极的宽梁101-3、细短梁101-4和下电极101-7组成，自左向右，第一锚区101-1、细长梁101-2、宽梁101-3和细短梁101-4依次连接，下电极101-7位于作为上电极的宽梁101-3之下，下电极101-7和上电极的宽梁101-3之间为空气层。在细短梁101-4的下表面有左右两个凸点，即第一凸点101-5、第二凸点101-6，分别作为由第一非对称十字梁102、第二非对称十字梁103的施力点。

所述第一组结构中的第一非对称十字梁102由第四锚区102-2、第五锚区102-3、第一竖直短梁102-4、两根不同长度的水平长梁即左边长梁102-1、右边长梁102-5以及一个对准结构组成。其中，第一竖直短梁102-4的两端各接一个第四锚区102-2或第五锚区102-3，在第一竖直短梁102-4中心位置的左右两边各有一根水平长梁。左边长梁102-1较短，位于第一竖直短梁102-4的左边，从第一竖直短梁102-4的中心到第二凸点101-6的长度为L2，左边长梁102-1的长度略大于L2。右边是较长的右边长梁102-5，在右边长梁102-5的右端连接一个对准结构，对准结构由两个竖直平行的梁即第二竖直短梁102-6和第三竖直短梁102-8以及一个第六锚区102-7构成，其中第二竖直短梁102-6连接在右边长梁102-5的右端，成垂直关系，第三竖直短梁102-8一端和第六锚区102-7相连。对准结构的对准边为第三竖直短梁102-8的A边和第二竖直短梁102-6的B边，A、B边有一个微小的设计距离△。第一竖直短梁102-4的中心到第二竖直短梁102-6的B边长度为L1。第一非对称十字梁102的水平轴线和多晶硅悬臂梁101的水平轴线重合。

所述第一组结构中的第二非对称十字梁103由第二锚区103-2、第三锚区103-3、第一水平短梁103-4、两根不同长度的竖直长梁上半竖直长梁103-1和下半竖直长梁103-5，以及一个对准结构组成。其中，第一水平短梁103-4的两端分别接一个第二锚区103-2或第三锚区103-3，在第一水平短梁103-4中心位置的上下各有一根竖直长梁。上半竖直长梁103-1较短，从第一水平短梁103-4的中心到第一凸点101-5的长度为L2，上半竖直长梁103-1的长度略大于L2。下半竖直长梁103-5较长，在下半竖直长梁103-5的下端有一个对准结构，对准结构由两个平行的水平梁即第二水平短梁103-6、第三水平短梁103-8和第七锚区103-7构成，其中第二水平短梁103-6连接在下半竖直长梁103-5的下端，成垂直关系，第三水平短梁103-8和第七锚区103-7连接。对准边为第三水平短梁103-8的A边和第二水平短梁103-6的B边，A、B边有一个微小的设计距离△。第一水平短梁103-4的中心到第二水平短梁103-6的B边长度为L1。第二非对称十字梁103与多晶硅悬臂梁101垂直放置，上半竖直长梁103-1的上端位于多晶硅悬臂梁101中左边第二凸点101-5之下。

所述第二组结构是在所述第一组结构中去掉了第二非对称十字梁103之后的剩余结构，其所有单元结构和尺寸均与第一组结构对应单元相同。

多晶硅薄膜材料杨氏模量的测试原理如下：

首先对第一组结构进行测试，在多晶硅悬臂梁101的上下极板之间施加逐渐增加的电压，该电压产生的静电力驱动多晶硅悬臂梁101的右端向下弯曲，同时通过第一凸点101-5、第二凸点101-6压迫第一非对称十字梁102的左边长梁102-1左端和第二非对称十字梁103的上半竖直长梁103-1上端向下移动。并使第一非对称十字梁102以第一竖直短梁102-4为轴扭转，导致右边长梁102-5向上翘起，右边长梁102-5的投影长度缩短，B边逐渐逼近A边，同理使第二非对称十字梁103绕第一水平短梁103-4扭转。当B边和A边对准时停止增加电压并记录电压值V1。通过设计值△、L1、L2可以简单地控制测试时需要达到的测试挠度。当A、B对准时，多晶硅悬臂梁101上第二凸点101-6位置的挠度(测试挠度)为：

$\frac{\sqrt{{L1}^2-{(L1-\mathrm{\Δ})}^2}}{L1}\×L2$

由挠度和所施加的电压值V1可以计算得到此时的静电力F1。F1包括了三个部分：多晶硅悬臂梁101弯曲所需要的力；第一非对称十字梁102扭转所需要的力；第二非对称十字梁103扭转所需要的力。

接下来对第二组结构进行测试。同样地，通过上下极板(作为上电极的宽梁101-3，下电极101-7)施加逐渐增加的电压，使多晶硅悬臂梁101的右端向下弯曲，同时通过第二凸点101-6压迫第一非对称十字梁102的左端向下移动，并使第一非对称十字梁102以第一竖直短梁102-4为轴扭转，右边长梁102-5向上翘起，当B边和A边对准时停止增加电压并记录电压值V2。由所施加的电压值V2和移动距离(挠度)可以计算得到此时的静电力F2。F2包括了两个部分：多晶硅悬臂梁101弯曲所需要的力；第一非对称十字梁102扭转所需要的力。

由于第一非对称十字梁102、第二非对称十字梁103受力大小相同，所以2倍的F2减去F1即为多晶硅悬臂梁101弯曲到测试挠度所需要的力。由该力的值和测试挠度可以计算得到多晶硅薄膜材料的杨氏模量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多晶硅薄膜材料杨氏模量测试结构，其特征在于该测试结构由两组结构组成，第一组结构包括静电驱动的多晶硅悬臂梁(101)、由待测薄膜材料制作的带有对准结构的第一非对称十字梁(102)、由待测薄膜材料制作的第二非对称十字梁(103)；第二组结构是第一组结构去除第二非对称十字梁(103)后的剩余结构；

所述第一组结构的多晶硅悬臂梁(101)由第一锚区(101-1)、细长梁(101-2)、作为上电极的宽梁(101-3)、细短梁(101-4)自左向右连接而成，在宽梁(101-3)的下表面是矩形下电极(101-7)，宽梁(101-3)和下电极(101-7)之间是空气层；在细短梁(101-4)的下表面有第一凸点(101-5)、第二凸点(101-6)分别作为第二非对称十字梁(103)和第一非对称十字梁(102)的施力点；

所述第一组结构中的第一非对称十字梁(102)由第四锚区(102-2)、第五锚区(102-3)、第一竖直短梁(102-4)、两根不同长度的左边长梁(102-1)、右边长梁(102-5)以及一个对准结构组成；其中，第一竖直短梁(102-4)的两端分别与第四锚区(102-2)、第五锚区(102-3)相连，在第一竖直短梁(102-4)中心位置的左右两边设有左边长梁(102-1)和右边长梁(102-5)，从第一竖直短梁(102-4)的中心到第二凸点(101-6)的长度为L2，从竖直短梁(102-4)的中心到第二竖直短梁(102-6)B边的长度为L1，L1大于L2；在右边长梁(102-5)的右端连接一个对准结构，对准结构由第二竖直短梁(102-6)、第三竖直短梁(102-8)和第六锚区(102-7)构成，其中第二竖直短梁(102-6)连接在右边长梁(102-5)的右端，成垂直关系，第三竖直短梁(102-8)一端与第六锚区(102-7)相连；对准结构的对准边为第三竖直短梁(102-8)的A边和第二竖直短梁(102-6)的B边，A、B边有一个微小的距离△，第一非对称十字梁(102)的水平轴线和多晶硅悬臂梁(101)的水平轴线重合；

所述第一组结构的第二非对称十字梁(103)由第二锚区(103-2)、第三锚区(103-3)、第一水平短梁(103-4)、上半竖直长梁(103-1)、下半竖直长梁(103-5)以及一个对准结构组成，其中，第一水平短梁(103-4)的左右端分别与第二锚区(103-2)、第三锚区(103-3)相连，在第一水平短梁(103-4)中心位置的上下两边分别设有上半竖直长梁(103-1)以及下半竖直长梁(103-5)；其中，从第一水平短梁(103-4)的中心线到第二水平短梁(103-6)的长度也为L1，上半竖直长梁(103-1)的自由端位于多晶硅悬臂梁(101)的右边第一凸点(101-5)之下；下部的下半竖直长梁(103-5)的长度长于上半竖直长梁(103-1)，在下半竖直长梁(103-5)的下端有一个对准结构，对准结构由两个平行的第二水平短梁(103-6)、第三水平短梁(103-8)第七锚区(103-7)构成，其中第二水平短梁(103-6)连接在下半竖直长梁(103-5)的下端，成垂直关系，第三水平短梁(103-8)和第七锚区(103-7)连接，对准边为第三水平短梁(103-8)的A边和第二水平短梁(103-6)的B边，A、B边有一个微小的设计距离△，第一水平短梁(103-4)的中心到第二水平短梁(103-6)的B边长度为L1，第二非对称十字梁(103)与多晶硅悬臂梁(101)垂直放置。

2.一种如权利要求1所述的多晶硅薄膜材料杨氏模量测试结构的测试方法，其特征在于多晶硅悬臂梁(101)末端的测试挠度通过设计值△、L1、L2进行控制，当A、B对准时，多晶硅悬臂梁(101)末端第二凸点(101-6)位置的

利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同的测试挠度下受力相同的原理，提取出驱动多晶硅悬臂梁(101)末端达到测试挠度时所需要的静电力，

所述第一组结构在测试挠度下的静电力F1包含了三部分：多晶硅悬臂梁(101)弯曲所需要的力；第一非对称十字梁(102)扭转所需要的力；第二非对称十字梁(103)扭转所需要的力，

所述第二组结构在测试挠度下的静电力F2包括了两部分：多晶硅悬臂梁(101)弯曲所需要的力；第一非对称十字梁(102)扭转所需要的力，

2倍的F2减去F1即为多晶硅悬臂梁(101)弯曲到测试挠度所需要的力。