CN104034603B - 绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构及方法。该测试结构由两组结构构成，其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)、一个薄膜硅悬臂梁(103)和一个由薄膜硅制作的垫板(102)组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁和一个薄膜硅制作的垫板组成。实际测量薄膜硅杨氏模量的单元是薄膜硅悬臂梁，而这两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅悬臂梁，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。施加静电力使多晶硅悬臂梁下弯并进而下压薄膜硅悬臂梁和垫板接触衬底。通过两组测试结构的测试提取出单独驱动薄膜硅悬臂梁弯曲到测试挠度所需要的力，由力、测试挠度和几何尺寸可以计算得到绝缘衬底上薄膜硅材料的杨氏模量。

Description

绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构及方法

技术领域

本发明提供了一种绝缘衬底上薄膜硅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。

技术背景

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MEMS技术领域内，绝缘衬底上的硅膜(一种SOI材料)是一种常用的衬底材料，主要由三层材料叠合而成，自下而上为大衬底，绝缘层(通常为二氧化硅)，硅膜层。这类SOI材料通常采用两类方法制造：注氧和键合。注氧SOI材料所形成的硅膜比较薄，大约为几百纳米，键合形成的SOI材料上的硅膜相对注氧结构要厚一些，几微米到几十微米。SOI材料中的绝缘层主要是二氧化硅，其中注氧形成的二氧化硅通常只有几十纳米，键合形成SOI的二氧化硅则相对厚一些，厚度范围也大一些。这些二氧化硅常作为制作MEMS器件的牺牲层，即这层二氧化硅在结构下的部分最终将被腐蚀掉，这样，上层硅膜所制作的结构可以做离面或面内运动。不论是注氧工艺还是键合工艺，都将在上面的硅膜中形成应力。绝缘衬底上的硅膜为单晶硅薄膜，其薄膜材料的力学参数和晶向有关。采用绝缘衬底上的薄膜硅所制作的MEMS器件通常是离面运动形式，而绝缘衬底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面内运动形式。

目前大多数微机电材料参数在线测试结构主要是测量微机械表面加工工艺所制作的薄膜材料，如各层多晶硅、金属层等。随着绝缘衬底上的硅膜材料在MEMS加工中越来越多的得到应用，对于绝缘衬底上硅膜材料的杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等力学参数的在线测量需求越来越大。

本发明提供了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量的测试结构。测试结构由两组结构构成。其中第一组由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅悬臂梁、一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组由一个多晶硅悬臂梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成。实际测量薄膜硅杨氏模量的单元是薄膜硅悬臂梁，而两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅悬臂梁，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。施加静电力使多晶硅悬臂梁下弯并进而下压薄膜硅悬臂梁和垫板接触衬底。通过两组测试结构的测试提取出单独驱动薄膜硅悬臂梁弯曲到测试挠度所需要的力，由力、测试挠度和几何尺寸可以计算得到绝缘衬底上薄膜硅材料的杨氏模量。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。

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。本发明提出了一种绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构及方法。利用两组测试单元提取出杨氏模量测量单元所受到的力的大小，利用SOI材料中二氧化硅层的厚度设置杨氏模量测量单元受力弯曲的挠度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

该测试结构由两组单元组成：其中一组用于测量包含了薄膜硅杨氏模量测量单元的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，去除薄膜硅的杨氏模量测量单元后所需要施加的力的大小。将两次所施加的力相减，得到在薄膜硅的杨氏模量测量单元上实际受到的力值，根据该值和弯曲挠度并结合测试结构的几何参数，即可计算得到该绝缘衬底上薄膜硅材料的杨氏模量。另一方面，由于在SOI材料上制作的MEMS结构在牺牲层腐蚀时很容易使结构的锚区受到钻蚀，使锚区的强度受到影响，必须对其进行加固。

实际测试绝缘衬底上的薄膜硅材料杨氏模量的单元，为一个由该薄膜硅材料制作的悬臂梁(以下简称薄膜硅悬臂梁)。驱动薄膜硅悬臂梁向下弯曲的作用力源是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)。弯曲挠度为SOI中二氧化硅层厚度，也即当薄膜硅悬臂梁向下弯曲接触到大衬底时测试结束。

根据上述技术方案，本发明提出了一种绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构，该测试结构由两组结构构成，其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅悬臂梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁和一个薄膜硅制作的垫板组成；

所述第一组测试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、细短梁和下电极组成，自左向右，第一锚区、细长梁、宽梁和细短梁依次连接，下电极位于作为上电极的宽梁之下，宽梁和下电极之间是空气层，在细短梁的下部设有第一凸点、第二凸点，分别作为对于薄膜硅悬臂梁和垫板的施力点，

所述第一组结构中由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅悬臂梁由第二锚区和长梁连接而成，薄膜硅悬臂梁和多晶硅悬臂梁垂直，长梁的自由端位于多晶硅悬臂梁中细短梁下的第一凸点之下，

所述第一组测试结构中的垫板包括矩形板、两个支撑矩形板的第一折叠梁、第二折叠梁、分别连接第一折叠梁、第二折叠梁的第四锚区、第五锚区；垫板材料与薄膜硅十字梁相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板的中心位于多晶硅悬臂梁中细短梁的右边第二凸点之下；

薄膜硅悬臂梁和垫板中的第二锚区、第四锚区、第五锚区均采用加固结构，即在这些锚区之上有一层包裹材料，该包裹材料覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅层区域，包裹材料图形大于锚区部分并直接生长在SOI材料中的二氧化硅层上。

所述第二组测试结构中的多晶硅悬臂梁和垫板的几何形状、尺寸以及相对位置与第一组的多晶硅悬臂梁和垫板相同。

本发明的绝缘衬底上的薄膜硅材料杨氏模量测试结构的测量方法是，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，提取出驱动绝缘衬底上的薄膜硅材料制作的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：驱动多晶硅悬臂梁弯曲所需要的力；下压垫板所需要的力；由待测薄膜硅材料制作的悬臂梁弯曲所需要的力，

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；下压垫板所需要的力，

F1减去F2即为单独驱动由待测绝缘衬底上薄膜硅材料制作的悬臂梁到达测试挠度所需要的净力。

由绝缘衬底上薄膜硅制作的悬臂梁末端的测试挠度等于二氧化硅层的厚度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的最大优点在于绝缘衬底上的薄膜硅材料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3是本发明的薄膜硅加固锚区结构。

图中有：

多晶硅悬臂梁101、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，

垫板102、垫板102、矩形板102-1、第一折叠梁102-2、第二折叠梁102-3、第四锚区102-4、第五锚区102-5、第二凸点101-6，

薄膜硅悬臂梁103、长梁103-1、第二锚区103-2，

大衬底200、二氧化硅层201、薄膜硅层202、包裹层203。

具体实施方式

下面结合附图1、图2和图3对本发明做更进一步的说明。

本发明提供了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量的测试结构。该测试结构由两组结构构成。其中第一组结构如图1所示，该组结构由一个多晶硅悬臂梁101、一个薄膜硅悬臂梁103、一个由薄膜硅制作的垫板102组成；第二组如图2所示，由一个多晶硅悬臂梁101和一个由薄膜硅制作的垫板102组成。这两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅悬臂梁103，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。

所述第一组测试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，宽梁101-3和下电极101-7之间是空气层，在细短梁101-4的下部设有第一凸点101-5、第二凸点101-6，分别作为对于薄膜硅悬臂梁103和垫板102的施力点，

所述第一组结构中由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅悬臂梁103由第二锚区103-2和长梁103-1连接而成，薄膜硅悬臂梁103和多晶硅悬臂梁101垂直，长梁103-1的自由端位于多晶硅悬臂梁101中细短梁101-4下的第一凸点101-5之下，

所述第一组测试结构中的垫板102包括矩形板102-1、两个支撑矩形板102-1的第一折叠梁102-2、第二折叠梁102-3、分别连接第一折叠梁102-2、第二折叠梁102-3的第四锚区102-4、第五锚区102-5；垫板102材料与薄膜硅十字梁103相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板102-1的中心位于多晶硅悬臂梁101中细短梁101-4的右边第二凸点101-6之下；

所述第二组测试结构中的多晶硅悬臂梁101和垫板102的几何形状、尺寸以及相对位置均与第一组的多晶硅悬臂梁101和垫板102相同。两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅悬臂梁103。

薄膜硅悬臂梁103和垫板102中的第二锚区103-2、第四锚区102-4、第五锚区102-5均采用加固结构，即在这些锚区之上有一层包裹材料203，该包裹材料203覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅层201区域，包裹材料203图形大于锚区部分并直接生长在SOI材料中的二氧化硅层201上。

锚区结构如图3所示，在SOI材料的大衬底200之上是绝缘材料二氧化硅201，锚区由SOI材料的上层硅膜202制作，在硅膜202制作的锚区之上，覆盖了一层包裹材料203，本实施例为多晶硅，包裹材料覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅201区域。

绝缘衬底上薄膜硅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压迫薄膜硅悬臂梁103中长梁103-1的自由端和垫板102的矩形板102-1向下移动，直至矩形板102-1和长梁103-1自由端接触大衬底200。此时薄膜硅悬臂梁的挠度就等于二氧化硅201的厚度。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；下压垫板102中矩形板102-1移动所需要的力；薄膜硅悬臂梁103弯曲所需要的力。

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压迫垫板102的矩形板102-1向下移动，当矩形板102-1接触大衬底200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；下压垫板102中矩形板102-1移动所需要的力。

F1减去F2即为单独驱动薄膜硅悬臂梁103到达设定挠度所需要的净力F3。由该力的值、测试挠度和薄膜硅悬臂梁103的几何尺寸可以计算得到薄膜硅材料的杨氏模量。

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 (4)

1.一种绝缘衬底上薄膜硅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构成，其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)、一个薄膜硅悬臂梁(103)和一个由薄膜硅制作的垫板(102)组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)和一个薄膜硅制作的垫板(102)组成；

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)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，宽梁(101-3)和下电极(101-7)之间是空气层，在细短梁(101-4)的右部设有第一凸点(101-5)、第二凸点(101-6)，分别作为对于薄膜硅悬臂梁(103)和垫板(102)的施力点，

所述第一组结构中由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅悬臂梁(103)由第二锚区(103-2)和长梁(103-1)连接而成，薄膜硅悬臂梁(103)和多晶硅悬臂梁(101)垂直，长梁(103-1)的自由端位于多晶硅悬臂梁(101)中细短梁(101-4)下的第一凸点(101-5)之下，

所述第一组结构中的垫板(102)包括矩形板(102-1)、两个支撑矩形板(102-1)的第一折叠梁(102-2)、第二折叠梁(102-3)、分别连接第一折叠梁(102-2)、第二折叠梁(102-3)的第四锚区(102-4)、第五锚区(102-5)；垫板(102)材料与薄膜硅悬臂梁(103)相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板(102-1)的中心位于多晶硅悬臂梁(101)中细短梁(101-4)的右边第二凸点(101-6)之下；

所述第二组结构中的多晶硅悬臂梁(101)和垫板(102)的几何形状、尺寸以及相对位置均与第一组结构的多晶硅悬臂梁(101)和垫板(102)相同，两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅悬臂梁(103)。

2.根据权利要求1所述的绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构，其特征在于薄膜硅悬臂梁(103)中的第二锚区(103-2)和垫板(102)中的第四锚区(102-4)、第五锚区(102-5)均采用加固结构，即在这些锚区之上有一层包裹材料(203)，该包裹材料(203)覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅层(201)区域，包裹材料(203)图形大于锚区部分并直接生长在SOI材料中的二氧化硅层(201)上。

3.一种如权利要求1所述的绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构的测量方法，其特征在于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，提取出驱动绝缘衬底上的薄膜硅材料制作的薄膜硅悬臂梁(103)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：驱动多晶硅悬臂梁(101)弯曲所需要的力；下压垫板(102)所需要的力；由待测薄膜硅材料制作的薄膜硅悬臂梁(103)弯曲所需要的力，

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；下压垫板(102)所需要的力，

F1减去F2即为单独驱动由待测绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅悬臂梁(103)到达测试挠度所需要的净力；由所述净力的值、测试挠度和薄膜硅悬臂梁(103)的几何尺寸计算得到薄膜硅材料的杨氏模量。

4.根据权利要求1所述的绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构，其特征在于由绝缘衬底上薄膜硅制作的薄膜硅悬臂梁(103)末端的测试挠度等于二氧化硅层(201)的厚度。