CN104034583A - 薄膜材料泊松比测试结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种薄膜材料泊松比的测试结构及方法，测试结构中，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非对称十字梁(102)、由待测薄膜材料制作的对称十字梁(103)；第二组结构是第一组结构去除对称十字梁后的剩余结构；对称十字梁由第二锚区(103-2)、第三锚区(103-3)、水平短梁(103-4)、上半竖直长梁(103-1)以及下半竖直长梁(103-5)组成，将力的加载驱动部分和待测薄膜材料制作的泊松比测试结构分开，通过几何参数设计控制泊松比测试结构的测试扭转角，通过两组测试结构的相同部分受力相同的原理提取出泊松比测试结构所受到的力，利用力和扭转角计算得到待测薄膜材料的泊松比。

Description

薄膜材料泊松比测试结构及方法

技术领域

本发明提供了一种薄膜材料泊松比的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术领域。

背景技术

微机电系统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，薄膜材料是结构材料的主体材料。目前大多数的材料参数在线测试结构都是针对导电材料，例如掺杂单晶硅、掺杂多晶硅以及金属等。对于绝缘材料，例如氮化硅、二氧化硅以及被二氧化硅所包裹的单晶硅或多晶硅，由于这些材料具有绝缘特性，不易实现测试信号的直接加载和电检测。

发明内容：

技术问题：测量材料的泊松比通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或扭转角。本发明提出了一种测试结构，用于测量薄膜材料的泊松比。测试结构由两组结构组成：其中一组用于测量基准数据，即结构产生一定扭转时所施加力的大小；另一组用于测量在同样扭转角度下，加入泊松比测试单元后所需要施加的力的大小。将两次所施加的力相减，得到在泊松比测试结构上实际受到的力值，根据该值和扭转角并根据测试结构的几何尺寸即可计算得到该薄膜材料的泊松比。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

实际测试泊松比的结构为一个由待测薄膜材料制作的对称十字梁(以下简称对称十字梁)。利用静电驱动的多晶硅悬臂梁(以下简称为多晶硅悬臂梁)形成作用力源。采用由待测薄膜材料制作的带对准结构的非对称十字梁(以下简称为非对称十字梁)作为扭转角测量单元。该非对称十字梁的竖直短梁作为转轴，竖直短梁的两端和锚区连接，在竖直短梁中心位置的两边各有一根水平长梁，两根水平长梁的长度不同，目的是利用比例放大原理提高测量精度，在较长的长梁末端设置一个对准结构，对准结构由两部分组成：垂直连接在非对称十字梁右边水平长梁上的竖直短梁和连接在锚区上的竖直短梁。非对称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。

对称十字梁和非对称十字梁垂直放置。将对称十字梁的竖直长梁一端和非对称十字梁较短的长梁末端同时置于多晶硅悬臂梁末端之下，通过施加电压而产生的静电力下拉多晶硅悬臂梁，并同时使对称十字梁的竖直长梁末端和非对称十字梁较短长梁的末端向下运动，两个十字梁以短梁为轴发生扭转，当位于非对称十字梁中较长的长梁末端的对准结构对准时驱动结束，这是达到了设计的扭转角。所施加的静电力的大小包括三部分力：驱动多晶硅悬臂梁下弯到测试挠度所需要的力；对称十字梁发生扭转所需要的力；非对称十字梁发生扭转所需要的力。

去掉用于实际测量泊松比的对称十字梁，仅留下多晶硅悬臂梁和非对称十字梁形成另一组测试结构，采用同样的静电驱动方法使多晶硅悬臂梁达到同样的测试挠度，同时，非对称十字梁达到设定的测试扭转角，根据所施加的电压大小和挠度的大小计算得到此时的静电力。此时静电力的大小包括两部分力：驱动多晶硅悬臂梁下弯所需要的力；非对称十字梁发生扭转所需要的力。

将两次测量的静电力相减，静电力的差即为驱动对称十字梁达到设定扭转角时所需要的力。由该力的大小、扭转角以及对称十字梁的几何尺寸即可计算得到待测薄膜材料的泊松比。

根据上述技术方案，本发明提出了一种测量薄膜材料泊松比的测试结构。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非对称十字梁、由待测薄膜材料制作的对称十字梁；第二组结构是第一组结构去除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、第二凸点分别作为对称十字梁和非对称十字梁的施力点；

所述第一组结构的对称十字梁由第二锚区、第三锚区、水平短梁、上半竖直长梁以及下半竖直长梁组成，其中，水平短梁的左右端分别与第二锚区、第三锚区相连，在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，从水平短梁的中心线到第一凸点的长度为L2，上半竖直长梁的尺寸略长于L2，从水平短梁的中心到下半竖直长梁的下端边界的长度也等于L2，上半竖直长梁的自由端位于多晶硅悬臂梁的左边第一凸点之下；

所述第一组结构中的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部与第四锚区、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△，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。

本发明的薄膜材料泊松比测试结构的测试方法为：对称十字梁以水平短梁为轴扭转的角度由设计值△、L1、L2进行控制，当A、B对准时，对称十字梁以水平短梁为轴的扭转角为 $\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{L1-\mathrm{\Δ}}{L1}\right),$

利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同测试挠度下受力相同的原理，提取出驱动对称十字梁以水平短梁达到设定的扭转角时所需要的静电力，

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

将F1减去F2即为单独驱动由待测薄膜材料制作的对称十字梁到达设定扭转角所需要的净力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种薄膜材料泊松比的测试结构，可以用于导电薄膜材料和绝缘薄膜材料的泊松比测试。本发明将力的加载驱动部分和由待测薄膜材料制作的泊松比测试结构分开，通过几何参数设计控制测试结构的扭转角，通过两组测试分结构相同部分受力相同的原理提取出泊松比测试结构所受到的力，利用力和泊松比测试结构扭转角度计算得到绝缘薄膜材料的泊松比。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单，可以用于导体/绝缘体等多种薄膜材料的泊松比的测试。

本发明的最大优点在于薄膜材料的泊松比测试方法简单，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，可以用于测试导电和绝缘薄膜材料的泊松比。

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、非对称十字梁102、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；

上半竖直长梁103-1、第二锚区103-2、第三锚区103-3、水平短梁103-4、下半竖直长梁103-5；

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。

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薄膜材料泊松比的测试结构。测试结构由两组结构组成，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、由待测薄膜材料制作的带对准结构的非对称十字梁102、由待测薄膜材料制作的对称十字梁103；第二组测试结构如图2所示，包括多晶硅悬臂梁101和非对称十字梁102。第二组结构是第一组结构去掉了对称十字梁103后的剩余结构。

所述第一组结构中的多晶硅悬臂梁由锚区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，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，分别作为对称十字梁103和非对称十字梁102的施力点。

所述第一组结构中的非对称十字梁102由第四锚区102-2、第五锚区102-3、第一竖直短梁102-4、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的上下端各和一个锚区即第四锚区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各有一根长梁。左边长梁102-1较短，从第一竖直短梁102-4的中心到凸点101-6的长度为L2，左边长梁102-1的长度略大于L2。右边长梁102-5较长，在右边长梁102-5的右端有一个对准结构。对准结构由两个竖直的第二竖直短梁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和第六锚区102-7连接。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。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。

所述第一组结构的对称十字梁103由第二锚区103-2、第三锚区103-3、水平短梁103-4、上半竖直长梁103-1以及下半竖直长梁103-5组成。其中，水平短梁103-4的左右端分别相连一个锚区第二锚区103-2或第三锚区103-3，在水平短梁103-4中心位置的上下两边各有一根上半竖直长梁103-1和下半竖直长梁103-5。其中，从水平短梁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的尺寸略长于L2，从水平短梁103-4的中心到下半竖直长梁103-5的下端边界的长度也等于L2。上半竖直长梁103-1的自由端位于多晶硅悬臂梁101的左边第一凸点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。

薄膜材料泊松比的测试原理如下：

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压迫对称十字梁103的上半竖直长梁103-1的末端和非对称十字梁102的左边长梁102-1左端向下移动，并使对称十字梁103以水平短梁103-4为轴扭转，非对称十字梁102以第一竖直短梁102-4为轴扭转，扭转导致了非对称十字梁102的右边长梁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，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可以简单地控制多晶硅悬臂梁测试时需要达到的测试挠度，同理也控制了对称和非对称十字梁的扭转角。当A、B对准时，非对称十字梁102的扭转角α为：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{L1-\mathrm{\Δ}}{L1}\right)$

因为对称十字梁的上半竖直长梁103-1和非对称十字梁左边长梁102-1的长度相同，因此，对称十字梁的扭转角也为α。

由多晶硅悬臂梁的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；非对称十字梁102扭转所需要的力；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压迫非对称十字梁102的左端向下移动，并使非对称十字梁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和多晶硅悬臂梁的挠度可以计算得到此时的静电力F2。F2包括了两个部分：驱动多晶硅悬臂梁101弯曲所需要的力；非对称十字梁102扭转所需要的力。

F1减去F2即为单独驱动由待测薄膜材料制作的对称十字梁103到达设定扭转角所需要的净力。由该力的值和扭转角以及结构的几何参数可以计算得到薄膜材料的泊松比。

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)

1.一种薄膜材料泊松比测试结构，其特征在于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非对称十字梁(102)、由待测薄膜材料制作的对称十字梁(103)；第二组结构是第一组结构去除对称十字梁(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)分别作为对称十字梁(103)和非对称十字梁(102)的施力点；

所述第一组结构的对称十字梁(103)由第二锚区(103-2)、第三锚区(103-3)、水平短梁(103-4)、上半竖直长梁(103-1)以及下半竖直长梁(103-5)组成，其中，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，从水平短梁(103-4)的中心线到第一凸点(101-5)的长度为L2，上半竖直长梁(103-1)的尺寸略长于L2，从水平短梁(103-4)的中心到下半竖直长梁(103-5)的下端边界的长度也等于L2，上半竖直长梁(103-1)的自由端位于多晶硅悬臂梁(101)的左边第一凸点(101-5)之下；

所述第一组结构中的非对称十字梁(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)的中心到竖直梁(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△，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。

2.一种如根据权利要求1所述的薄膜材料泊松比测试结构的测试方法，其特征在于对称十字梁(103)以水平短梁(103-4)为轴扭转的角度由设计值△、L1、L2进行控制，当A、B对准时，对称十字梁(103)以水平短梁(103-4)为轴的扭转角为 $\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{L1-\mathrm{\Δ}}{L1}\right),$

利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同测试挠度下受力相同的原理，提取出驱动对称十字梁(103)以水平短梁(103-4)达到设定的扭转角时所需要的静电力，

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

将F1减去F2即为单独驱动由待测薄膜材料制作的对称十字梁(103)到达设定扭转角所需要的净力。