CN104596864A - 绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比测试结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比测试结构，用于测量绝缘衬底上厚膜硅材料的泊松比。测试结构由两部分组成：用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁和扭转结构。扭转结构由静电驱动的扭转杆和左右两个限位结构组成。扭转杆的中心是一个扭转梁，扭转梁的上端面连接到多晶硅固支梁的中心位置，形成悬挂-扭转结构。利用静电力驱动扭转杆以扭转梁为轴做扭转运动。利用止挡结构控制扭转角度，形成一个特定的测试角。由扭转梁的长度、宽度和厚度尺寸、厚膜硅材料的杨氏模量以及所施加的静电力可以计算得到厚膜硅材料的泊松比。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。

Description

绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比测试结构

技术领域

本发明提供了一种绝缘衬底上厚膜硅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，绝缘衬底上硅(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。

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。

面内运动形式主要包括平行移动和扭转运动。其中，决定扭转运动力-角度关系的重要参量是材料的泊松比。测量泊松比的主要方法是沿某个方向拉伸结构并测量垂直方向所发生的形变，或者是对结构进行扭转，测量力和相应扭转角之间的关系。

静电驱动是MEMS微结构运动的常用驱动形式。利用静电力可以驱动一个扭转结构做面内的扭转运动。通过设计的结构和几何尺寸，可以控制静电力的大小以及在静电力的作用下发生的扭转角度，由结构的几何尺寸、设置的扭转角、材料的杨氏模量以及所施加的静电力就可以计算得到泊松比。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，即希望小角度扭转。

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泊松比测试结构，测量材料的泊松比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扭转的角度。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泊松比。利用静电力驱动一个悬挂结构做扭转运动。利用止挡结构控制扭转角度，形成一个特定的测试角。

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泊松比测试结构采用的技术方案是：

该测试结构由两部分组成：包括用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁和扭转结构；

所述用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁由第一锚区、第二锚区和一个宽短梁连接而成，其中该两个锚区分别位于由厚膜硅制作的第一支撑孤岛、第一支撑孤岛上，第一支撑孤岛、第二支撑孤岛通过绝缘衬底上厚膜硅材料的二氧化硅绝缘层固定在大衬底上；

所述扭转结构由静电驱动的扭转杆和左右两个限位结构组成，扭转结构被位于中心的扭转梁分为左右两部分，左右两部分的结构以扭转梁的中心圆点对称；其中，静电驱动的扭转杆包括第一静电驱动电极、第二静电驱动电极和水平凸凹梁组成，水平凸凹梁由五段水平梁连接而成，自左向右分别为第一水平直梁、第二水平直梁、扭转梁、第三水平直梁和第四水平直梁，在五段水平梁中，第一水平直梁、扭转梁和第四水平直梁厚度相同，均为绝缘衬底上的厚膜硅的硅层厚度；第二水平直梁、第三水平直梁厚度相同，厚度小于绝缘衬底上的厚膜硅的硅层厚度，其厚度差为扭转梁的设计厚度，五段水平梁的下平面在同一平面上，所有梁的宽度相同；上下两个静电驱动电极即第一静电驱动电极、第二静电驱动电极分别位于第一水平直梁的左下端和第四水平直梁的右上端，从扭转杆的中心到第一静电驱动电极、第二静电驱动电极的水平中分线的长度为L1；限位结构由第五水平直梁、第六水平直梁和第一止挡块、第二止挡块构成，左边限位结构的第五水平直梁右端连接到第一水平直梁的左端，两个梁的上边界平齐，止挡块位于第五水平直梁左端下方；右边限位结构的第六水平直梁左端连接到第四水平直梁的右端，两个梁的下边界平齐，止挡块位于第六水平直梁右端上方；从第一静电驱动电极、第二静电驱动电极的水平中分线到第五水平直梁、第六水平直梁末端的长度为L2；第一静电驱动电极的左边线与第一水平直梁的左边线对齐，第二静电驱动电极的右边线与第四水平直梁的右边线对齐；

扭转结构中的扭转梁的上端面垂直连接到多晶硅固支梁的中心位置，形成悬挂-扭转结构。

测试结构的工作原理如下：在静电驱动电极和扭转杆之间施加电压，因为静电力的作用，扭转杆以扭转梁为轴做逆时针旋转，当限位结构的水平直梁和止挡块接触时，驱动结束，由设计参数可以控制扭转的角度，并且该角度即为扭转梁的扭转角度。由扭转梁的长度、宽度和厚度尺寸、厚膜硅材料的杨氏模量以及所施加的静电力可以计算得到厚膜硅材料的泊松比。

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且易于控制。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显示了本发明的测试结构以及局部的剖面图。

图中有：第一止挡块101-1、第二止挡块101-4；第一静电驱动电极101-2、第二静电驱动电极101-3；第一水平直梁101-6，第二水平直梁101-7，扭转梁101-8，第三水平直梁101-9，第四水平直梁101-10，第五水平直梁101-5、第六水平直梁101-11；第一锚区102-2、第二锚区102-4，宽短梁102-3；第一支撑孤岛102-1、第二支撑孤岛102-5；大衬底100-1；二氧化硅绝缘层100-2。

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。

测试结构由两部分组成：用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁102和扭转结构101。

所述用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁102属于宽而短的双端固支结构。多晶硅固支梁由两个锚区即第一锚区102-2、第二锚区102-4和一个宽短梁102-3连接而成。其中两个锚区分别位于由厚膜硅制作的两个支撑孤岛即第一支撑孤岛102-1、第二支撑孤岛102-5上，这两个厚膜硅孤岛通过SOI材料的二氧化硅绝缘层100-2固定在大衬底100-1上。

所述扭转结构101由静电驱动的扭转杆和左右两个限位结构组成，扭转结构被位于中心的扭转梁101-8分为左右两部分，左右两部分的图形以扭转梁101-8的中心圆点对称。其中，静电驱动的扭转杆包括静电驱动电极和水平凸凹梁组成，水平凸凹梁由五段水平梁连接而成，自左向右分别为第一水平直梁101-6、第二水平直梁101-7、扭转梁101-8、第三水平直梁101-9和第四水平直梁101-10，在五段梁中，第一水平直梁101-6、扭转梁101-8和第四水平直梁101-10厚度相同，均为绝缘衬底上的厚膜硅的硅层厚度，第二水平直梁101-7、第三水平直梁101-9厚度相同，第二、三水平直梁的厚度小于第一水平直梁101-6、扭转梁101-8和第四水平直梁101-10厚度，其厚度差取决于位于中间的扭转梁101-8的纵向设计长度，所有梁的宽度相同，所有五段梁的下平面在同一平面上。上下两个静电驱动电极即第一静电驱动电极101-2、第二静电驱动电极101-3分别位于第一水平直梁101-6的左下端和第四水平直梁101-10的右上端，从扭转梁的中心到第一静电驱动电极101-2、第二静电驱动电极101-3的水平中分线的长度为L1。限位结构由第五水平直梁101-5、第六水平直梁101-11和第一止挡块101-1、第二止挡块101-4构成，左边限位结构的水平直梁101-5右端连接到第一水平直梁101-6的左端，两个梁的上边界平齐，第一止挡块101-1位于第五水平直梁101-5左端下方；右边限位结构的第六水平直梁101-11左端连接到第四水平直梁101-10的右端，两个梁的下边界平齐，第二止挡块101-4位于第六水平直梁101-11右端上方。从第一静电驱动电极101-2、第二静电驱动电极101-3的水平中分线到第五水平直梁101-5、第六水平直梁101-11末端的长度为L2。第一静电驱动电极101-2的左边线与第一水平直梁101-6的左边线对齐，第二静电驱动电极101-3的右边线与第四水平直梁101-10的右边线对齐。

扭转结构中的扭转梁101-8的上端面垂直连接到多晶硅固支梁102的中心位置，形成悬挂-扭转结构。

测试结构的工作原理和测试方法如下：通过外电路将第一静电驱动电极101-2和第二静电驱动电极101-3短接，然后，在多晶硅固支梁的第一锚区102-2(或第二锚区102-4)和第一静电驱动电极101-2(或第二静电驱动电极101-3)之间施加逐渐增加的电压，因为静电力的作用，扭转杆以扭转梁101-8为轴做逆时针旋转，当限位结构的第五水平直梁101-5(第六水平直梁101-11)和第一止挡块101-1(第二止挡块101-4)接触时，驱动结束。由设计参数可以控制扭转的角度，并且该角度即为扭转梁的扭转角度。由扭转梁101-8的长度、宽度和厚度尺寸、厚膜硅材料的杨氏模量以及所施加的静电力可以计算得到厚膜硅材料的泊松比。

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 (1)

1.一种绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比测试结构，其特征在于该测试结构由两部分组成：包括用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁(102)和扭转结构(101)；

所述用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁(102)由第一锚区(102-2)、第二锚区(102-4)和一个宽短梁(102-3)连接而成，其中该两个锚区分别位于由厚膜硅制作的第一支撑孤岛(102-1)、第二支撑孤岛(102-5)上，第一支撑孤岛(102-1)、第一支撑孤岛(102-5)通过绝缘衬底上厚膜硅材料的二氧化硅绝缘层(100-2)固定在大衬底(100-1)上；

所述扭转结构(101)由静电驱动的扭转杆和左右两个限位结构组成，扭转结构(101)被位于中心的扭转梁(101-8)分为左右两部分，左右两部分的结构以扭转梁(101-8)的中心圆点对称；其中，静电驱动的扭转杆包括第一静电驱动电极(101-2)、第二静电驱动电极(101-3)和水平凸凹梁组成，水平凸凹梁由五段水平梁连接而成，自左向右分别为第一水平直梁(101-6)、第二水平直梁(101-7)、扭转梁(101-8)、第三水平直梁(101-9)和第四水平直梁(101-10)，在五段水平梁中，第一水平直梁(101-6)、扭转梁(101-8)和第四水平直梁(101-10)厚度相同，均为绝缘衬底上的厚膜硅的硅层厚度；第二水平直梁(101-7)、第三水平直梁(101-9)厚度相同，厚度小于绝缘衬底上的厚膜硅的硅层厚度，其厚度差为扭转梁(101-8)的设计厚度，五段水平梁的下平面在同一平面上，所有梁的宽度相同；上下两个静电驱动电极即第一静电驱动电极(101-2)、第二静电驱动电极(101-3)分别位于第一水平直梁(101-6)的左下端和第四水平直梁(101-10)的右上端，从扭转杆的中心到第一静电驱动电极(101-2)、第二静电驱动电极(101-3)的水平中分线的长度为L1；限位结构由第五水平直梁(101-5)、第六水平直梁(101-11)和第一止挡块(101-1)、第二止挡块(101-4)构成，左边限位结构的第五水平直梁(101-5)右端连接到第一水平直梁(101-6)的左端，两个梁的上边界平齐，止挡块(101-1)位于第五水平直梁(101-5)左端下方；右边限位结构的第六水平直梁(101-11)左端连接到第四水平直梁(101-10)的右端，两个梁的下边界平齐，止挡块(101-4)位于第六水平直梁(101-11)右端上方；从第一静电驱动电极(101-2)、第二静电驱动电极(101-3)的水平中分线到第五水平直梁(101-5)、第六水平直梁(101-11)末端的长度为L2；第一静电驱动电极(101-2)的左边线与第一水平直梁(101-6)的左边线对齐，第二静电驱动电极(101-3)的右边线与第四水平直梁(101-10)的右边线对齐；

扭转结构中的扭转梁(101-8)的上端面垂直连接到多晶硅固支梁(102)的中心位置，形成悬挂-扭转结构。