CN104568272B - 绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力测试结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力测试结构，用于测量绝缘衬底上厚膜硅材料的残余应力。测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元；带测微游标的挠度测量单元；静电驱动的固支梁单元。相对型电热驱动单元和带测微游标的挠度测量单元垂直连接。挠度测量单元采用游标进行测量，测微游标的位移由相对型电热驱动单元驱动。在固支梁的中心通过“工”字型结构缩小了作用于固支梁上的力作用面。当加载静电力时，固支梁发生横向弯曲，在某个电压下通过挠度测量单元测量挠度值。由静电力和弯曲挠度以及固支梁的几何尺寸、杨氏模量计算残余应力。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
技术领域
本发明提供了一种绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力的测试结构。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MEMS技术领域内，绝缘衬底上的硅膜(SOI)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-硅膜层。当硅膜层较厚时称为厚膜SOI，厚膜SOI主要利用键合工艺实现。这类SOI材料的硅膜厚度在几微米到几十微米。SOI材料中的绝缘层主要是二氧化硅，厚度通常只有几十纳米，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。由绝缘衬底上厚膜硅制作的MEMS器件通常为面内运动形式。
在键合工艺中，有可能在上面的硅膜中形成一定形式的应力(张、压应力)，这种应力称为残余应力。残余应力的存在将导致MEMS器件出现初始形变或者导致器件的性能参数出现偏离。
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。
静电驱动是MEMS微结构运动的常用驱动形式。利用静电力驱动一个固支梁做面内的横向弯曲运动，可以由弯曲的挠度、固支梁的几何尺寸、材料的杨氏模量以及所施加的静电力计算得到残余应力。采用静电驱动方式的一个重要问题是吸合现象，由于吸合现象属于非稳态情况，测量数据的准确性也不稳定，因此，在静电驱动结构中应尽可能避免出现吸合，即希望小形变弯曲,但是，小形变弯 曲需要进行微位移测量。
发明内容：
技术问题：本发明的目的是提供一种绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力测试结构，测量材料的残余应力除了已知的结构几何参数和杨氏模量外，通常还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，用于测量绝缘衬底上厚膜硅材料的残余应力。利用静电力驱动一个固支梁做面内的横向弯曲运动。利用一个测微结构测试弯曲挠度。测微结构的位移由热膨胀结构进行驱动，移动量由游标测量。由于大部分理论计算都是基于集中载荷，为了实现静电驱动的作用点尽可能小以模拟点力(集中载荷)驱动模式，需要缩小作用力的面。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力测试结构采用的技术方案是：
该测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元；带测微游标的挠度测量单元；静电驱动的固支梁单元；
所述带测微游标的挠度测量单元中的动齿的下端和相对型电热驱动单元中的水平宽梁垂直连接，动齿的轴线和相对型电热驱动单元的中心线重叠；
所述静电驱动的固支梁单元由固支梁和静电驱动电极组成，其中，固支梁由两个锚区即固支梁单元第一锚区、固支梁单元第二锚区和下水平细梁连接而成；上水平短梁和竖直短梁以及下水平细梁构成“工”字型结构，该“工”字型结构位于固支梁的中心；静电驱动电极由上锚区和与之连接的电极构成，“工”字型结构的中心线和静电驱动电极的中心线重合，并且，该中心线与动齿的轴线、测试探针的轴线也重合。
所述相对型电热驱动单元由左右两个完全相同的MEMS常规电热执行器相对称连接构成；左边的第一部分MEMS电热执行器由第一锚区、第一细梁、第一宽梁、第一连接梁、第一热膨胀细梁、第二锚区顺时针连接组成；右边的第二部分MEMS电热执行器由第三锚区、第二细梁、第二宽梁、第二连接梁、第二热膨胀细梁、第四锚区逆时针连接组成；连接第一部分、第二部分MEMS电热执行器的结构包括第一水平细梁、第二水平细梁、第一竖直细梁、第二竖直细梁、水平宽梁，其中，左边的第一水平细梁左端连接到第一部分MEMS电热执行器的第一宽梁，右端和第一竖直细梁连接；第二部分MEMS电热执行器的第二水平细梁右端连接到第二宽梁，左端和第二竖直细梁连接，第一竖直细梁、第二竖直细梁的上端与水平宽梁连接；
所述带测微游标的挠度测量单元由测微游标和测量探针组成；其中，测微游标由竖直运动的动齿、第一定齿、第二定齿组成；竖直运动的动齿为一个左右两边均匀分布若干齿并且左右相对的齿一一对齐的结构，所有齿的宽度和齿的间距 均相等，第一定齿、第二定齿则为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和动齿的齿相同，但齿间距比齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率，第一定齿位于竖直运动的动齿左边，齿边向右，第二定齿位于竖直运动的动齿右边，齿边向左；自下而上，动齿的第一齿相对第一定齿的第一齿偏下1△，由于定齿的所有齿间距比齿的宽度大1△，因此，动齿的第二齿相对第一定齿的第二齿偏下2△，以此类推，动齿第n个齿相对第一定齿的第n个齿偏下n△；动齿的齿相对第二定齿的关系延续了左边关系，即当动齿和第一定齿最上端齿的偏差为m△时，动齿的第一齿相对第二定齿的第一齿偏下(m+1)△；测量探针下端和动齿的上端连接，具有同一个轴线。
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厚膜硅材料残余应力测试方法简单，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是本发明的测试结构。
图中有：相对型电热驱动单元101；第一锚区101-1、第一细梁101-2、第一宽梁101-3、第一连接梁101-4、第一热膨胀细梁101-5、第二锚区101-6、第三锚区101-7、第二细梁101-8、第二宽梁101-9、第二连接梁101-10、第二热膨胀细梁101-11、第四锚区101-12、第一水平细梁101-13、第一竖直细梁101-14、水平宽梁101-15、第二竖直细梁101-16、第二水平细梁101-17。
静电驱动的固支梁单元102；第一锚区102-1、下水平细梁102-2、第二锚区102-3、竖直短梁102-4、上水平短梁102-5、电极102-6、上锚区102-7。
带测微游标的挠度测量单元103；动齿103-1、第一定齿103-2、第二定齿103-3、测试探针103-4。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做更进一步的说明。
测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元101；带测微游标的挠度测量单元103；静电驱动的固支梁单元102。
所述相对型电热驱动单元101由左右两个完全相同的第一部分和第二部分MEMS常规电热执行器相对连接构成。左边的第一部分MEMS电热执行器由第一锚区101-1、第一细梁101-2、第一宽梁101-3、第一连接梁101-4、第一热膨胀细梁101-5、第二锚区101-6顺时针连接组成。右边的第二部分MEMS电热执行器 由第三锚区101-7、第二细梁101-8、第二宽梁101-9、第二连接梁101-10、第二热膨胀细梁101-11、第四锚区101-12逆时针连接组成。连接第一、第二部分MEMS电热执行器的结构包括第一水平细梁101-13、第二水平细梁101-17、第一竖直细梁101-14、第二竖直细梁101-16、水平宽梁101-15，其中，左边的第一水平细梁101-13左端连接到第一部分MEMS电热执行器的宽梁101-3，右端和第一竖直细梁101-14连接；右边的第二水平细梁101-17右端连接到第二部分MEMS电热执行器的第二宽梁101-9，左端和第二竖直细梁101-16连接，第一竖直细梁101-14、第二竖直细梁101-16的上端与水平宽梁101-15连接。
所述带测微游标的挠度测量单元103由测微游标和测量探针组成。其中，测微游标由竖直运动的动齿103-1、第一定齿103-2、第二定齿103-3组成。竖直运动的动齿103-1为一左右两边均匀分布若干齿并且左右相对的齿一一对齐的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等。第一定齿103-2、第二定齿103-3则为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和动齿103-1的齿相同，但齿间距比齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率。第一定齿103-2位于竖直运动的动齿103-1左边，齿边向右，第二定齿103-3位于竖直运动的动齿103-1右边，齿边向左。自下而上，动齿103-1的第一齿相对第一定齿103-2的第一齿偏下1△，由于定齿103-1的所有齿间距比齿的宽度大1△，因此，动齿103-1的第二齿相对第一定齿103-1的第二齿偏下2△，以此类推，动齿103-1第n个齿相对第一定齿103-2的第n个齿偏下n△。动齿103-1的齿相对第二定齿103-3的关系延续了左边关系，即当动齿103-1和第一定齿103-2最上端齿的偏差为m△时，动齿103-1的第一齿相对第二定齿103-3的第一齿偏下(m+1)△。测量探针103-4和动齿103-1连接，具有同一个轴线。
所述带测微游标的挠度测量单元103中的动齿103-1的下端和相对型电热驱动单元101中的水平宽梁101-15垂直连接。动齿103-1的轴线和相对型电热驱动单元101的中心线重叠。
所述静电驱动的固支梁单元102由固支梁和静电驱动电极组成，其中，固支梁由两个锚区及第一锚区102-1、第二锚区102-3和水平细梁102-2连接而成，上水平短梁102-5和竖直短梁102-4以及下水平细梁102-2构成“工”字型结构，该“工”字型结构位于固支梁的中心。静电驱动电极由上锚区102-7和与锚区连接的电极102-6构成。“工”字型结构的中心线、静电驱动电极的中心线重合，并且，该中心线与动齿103-1的轴线、测试探针103-4的轴线也重合。
具体的测试过程如下：
首先通过第一锚区101-1、第二锚区101-6(第三锚区101-7、第四锚区101-12)对相对型电热驱动单元101施加驱动电流，使测试探针103-4上端接触到下水平细梁102-2，读出游标位置。然后在上锚区102-7和第一锚区102-1(或第二锚区102-3)之间施加电压，利用静电力驱动固支梁做面内的横向弯曲运动。 固定在某个驱动电压点，通过第一锚区101-1、第二锚区101-6(第三锚区101-7、第四锚区101-12)增加驱动电流，使测试探针继续上移，再次接触到下水平细梁102-2，读取的测试探针两次位移量之差，即为固支梁的弯曲挠度。根据电压和几何尺寸计算静电力，由静电力和弯曲挠度计算残余应力。
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 (3)
1.一种绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力测试结构，其特征在于该测试结构由三部分组成：相对型电热驱动单元(101)；带测微游标的挠度测量单元(103)；静电驱动的固支梁单元(102)；
所述带测微游标的挠度测量单元(103)中的动齿(103-1)的下端和相对型电热驱动单元(101)中的水平宽梁(101-15)垂直连接，动齿(103-1)的轴线和相对型电热驱动单元(101)的中心线重叠；
所述静电驱动的固支梁单元(102)由固支梁和静电驱动电极组成，其中，固支梁由两个锚区即固支梁单元第一锚区(102-1)、固支梁单元第二锚区(102-3)和下水平细梁(102-2)连接而成；上水平短梁(102-5)和竖直短梁(102-4)以及下水平细梁(102-2)构成“工”字型结构，该“工”字型结构位于固支梁的中心；静电驱动电极由上锚区(102-7)和与之连接的电极(102-6)构成，“工”字型结构的中心线和静电驱动电极的中心线重合，并且，该中心线与动齿(103-1)的轴线、测试探针(103-4)的轴线也重合；其中，测量探针(103-4)下端和动齿(103-1)的上端连接，具有同一个轴线。
2.根据权利要求1所述的绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力测试结构，其特征在于，所述相对型电热驱动单元(101)由左右两个完全相同的MEMS常规电热执行器相对称连接构成；左边的第一部分MEMS电热执行器由第一锚区(101-1)、第一细梁(101-2)、第一宽梁(101-3)、第一连接梁(101-4)、第一热膨胀细梁(101-5)、第二锚区(101-6)顺时针连接组成；右边的第二部分MEMS电热执行器由第三锚区(101-7)、第二细梁(101-8)、第二宽梁(101-9)、第二连接梁(101-10)、第二热膨胀细梁(101-11)、第四锚区(101-12)逆时针连接组成；连接第一部分、第二部分MEMS电热执行器的结构包括第一水平细梁(101-13)、第二水平细梁(101-17)、第一竖直细梁(101-14)、第二竖直细梁(101-16)、水平宽梁(101-15)，其中，左边的第一水平细梁(101-13)左端连接到第一部分MEMS电热执行器的第一宽梁(101-3)，右端和第一竖直细梁(101-14)连接；第二部分MEMS电热执行器的的第二水平细梁(101-17)右端连接到第二宽梁(101-9)，左端和第二竖直细梁(101-16)连接，第一竖直细梁(101-14)、第二竖直细梁(101-16)的上端与水平宽梁(101-15)连接。
3.根据权利要求1所述的绝缘衬底上厚膜硅材料残余应力测试结构，其特征在于，所述带测微游标的挠度测量单元(103)由测微游标和测量探针(103-4)组成；其中，测微游标由竖直运动的动齿(103-1)、第一定齿(103-2)、第二定齿(103-3)组成；竖直运动的动齿(103-1)为一个左右两边均匀分布若干齿并且左右相对的齿一一对齐的结构，所有齿的宽度和齿的间距均相等，第一定齿(103-2)、第二定齿(103-3)则为固定不动的单边齿结构，所有齿的宽度都和 动齿(103-1)的齿相同，但齿间距比齿的宽度大1△，△是游标尺的分辨率，第一定齿(103-2)位于竖直运动的动齿(103-1)左边，齿边向右，第二定齿(103-3)位于竖直运动的动齿(103-1)右边，齿边向左；自下而上，动齿(103-1)的第一齿相对第一定齿(103-2)的第一齿偏下1△，由于定齿(103-1)的所有齿间距比齿的宽度大1△，因此，动齿(103-1)的第二齿相对第一定齿(103-1)的第二齿偏下2△，以此类推，动齿(103-1)第n个齿相对第一定齿(103-2)的第n个齿偏下n△；动齿(103-1)的齿相对第二定齿(103-3)的关系延续了左边关系，即当动齿(103-1)和第一定齿(103-2)最上端齿的偏差为m△时，动齿(103-1)的第一齿相对第二定齿(103-3)的第一齿偏下(m+1)△。
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| CN103424064A (zh) * | 2013-09-05 | 2013-12-04 | 东南大学 | 高分辨率微机电测微游标尺 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 微机械材料力学性能测量;宗登刚;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士） 信息科技辑》;20030615(第2期);第21页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104568272A (zh) | 2015-04-29 |
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