CN1442686A - 微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构 - Google Patents

微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构 Download PDF

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Abstract

微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构属于微电子机械系统制造的技术领域，该结构由梳状执行器固定端、梳状执行器、连杆、悬臂梁、悬臂细梁、固定块组成，在固定块的两边分别对称连接有一根悬臂细梁，在悬臂细梁的另一端连接悬臂梁，在悬臂梁的另一端垂直连接有连杆，连杆的另一端与梳状执行器的一侧相接，梳状执行器的另一侧为梳状执行器固定端，固定块和梳状执行器固定端与芯片衬底相固定，将梳状执行器和待测悬臂梁、悬臂细梁集成在同一块芯片上，该芯片衬底上设有一层二氧化硅层，在二氧化硅层上设有一层氮化硅层，固定块和梳状执行器固定端固定在表面设有氮化硅层和二氧化硅层的衬底上。

Description

微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构
一、技术领域
本发明是一种MEMS薄膜横向断裂强度在线测试结构，属于微电子机械系统(MEMS)制造的技术领域。
二、背景技术
传统的测试结构一般待测结构和驱动源是分开，驱动源是在测试时外加的，这种测试方法存在以下几种缺点：(1)外加驱动力很难控制，受外界条件的干扰很大；(2)测试效率低；(3)测试结构所占面积较大。MEMS薄膜横向断裂强度在线测试结构是一种由结构本身提供驱动力新的测试方法，它把驱动源和待测结构集成在同一芯片上，克服了以上的缺点。1999年，Boer提出第一个在线测试结构，他利用了两端固定，中间细、两端宽的桥式结构(M.P.Boer，et.al，“Asmall area in-situ MEMS test structure too measure fracture strength by electrostaticprobing，”SPIE Conf.，pp.97-103，Sept 1999，USA)，测试时电压加在桥两边的宽梁部分。这种结构简单易于实现，但是数学模型建立非常复杂，残余应力对测试结果有较大影响，仅能测量纵向断裂强度。
三、技术内容
1、技术问题
本发明的目的在于提供一种模型很简单、线性度较好，只要通过测量断裂电压就可得到MEMS薄膜横向断裂强度的高精度MEMS薄膜横向断裂强度在线测试结构。
2、技术方案
本发明是一种微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构，该结构由梳状执行器固定端、梳状执行器、连杆、悬臂梁、悬臂细梁、固定块组成，在固定块的两边分别对称连接有一根悬臂细梁，在悬臂细梁的另一端连接悬臂梁，在悬臂梁的另一端垂直连接有连杆，连杆的另一端与梳状执行器的一侧相接，梳状执行器的另一侧为梳状执行器固定端，固定块和梳状执行器固定端与芯片衬底相固定，将梳状执行器和待测悬臂梁、悬臂细梁集成在同一块芯片上，该芯片衬底上设有一层二氧化硅层，在二氧化硅层上设有一层氮化硅层，固定块和梳状执行器固定端固定在表面设有氮化硅层和二氧化硅层的衬底上。
3、有益效果
本发明的有益效果是：把驱动源(梳状静电执行器)和待测结构(悬臂梁)集成在同一芯片上，从而实现断裂强度的在线测试。其中悬臂梁由粗细不均的两部分组成，其目的在于在大大增加执行器对悬臂梁固定端力矩的同时，而悬臂梁自由端挠度却变化很小。此外由于本结构的数学模型很简单、线性度较好，只要通过测量断裂电压就可得到MEMS薄膜横向断裂强度。
本发明还有以下优点：测试结构相应的数学模型与杨氏模量无关，消除了杨氏模量不精确而带来的误差，所需测的量只有电压，测试很简单，并且其精度高，分析表明，测量误差可以低于±2％。
四、附图说明
图1是本发明的MEMS薄膜断裂强度静电测试结构示意图。其中有：梳状执行器固定端1、梳状执行器2、连杆3、悬臂梁4、悬臂细梁5、固定块6、氮化硅层7、二氧化硅层8、衬底9。
五、具体实施方案
以下结合附图对本发明实施例的具体结构做进一步描述：
本发明是一种微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构，该结构由梳状执行器固定端、梳状执行器、连杆、悬臂梁、悬臂细梁、固定块组成，在固定块的两边分别对称连接有一根悬臂细梁，在悬臂细梁的另一端连接悬臂梁，在悬臂梁的另一端垂直连接有连杆，连杆的另一端与梳状执行器的一侧相接，梳状执行器的另一侧为梳状执行器固定端，固定块和梳状执行器固定端与芯片衬底相固定，将梳状执行器和待测悬臂梁、悬臂细梁集成在同一块芯片上，该芯片衬底上设有一层二氧化硅层，在二氧化硅层上设有一层氮化硅层，固定块和梳状执行器固定端固定在表面设有氮化硅层和二氧化硅层的衬底上。
图1是测试结构的结构示意图。悬臂细梁5部分宽1微米、长2微米，悬臂梁4部分宽15微米、长148微米，连杆3部分为宽1微米、长40微米的纵向梁，纵向梁下面与梳状执行器2相连，执行器每个叉指的宽1微米、长20微米，叉指和叉指之间的距离1微米，梳状执行器固定端1、固定块6为压焊块。MEMS薄膜横向断裂强度在线测试结构的主体部分结构层厚度为1微米，下半部分分别是氮化硅层7、二氧化硅层8、衬底9。对于这种尺寸150个叉子，在加电压80伏时，101处断裂，对应断裂强度(1.1±0.02)GPa。

Claims (2)

1、一种微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构，其特征在于该结构由梳状执行器固定端(1)、梳状执行器(2)、连杆(3)、悬臂梁(4)、悬臂细梁(5)、固定块(6)组成，在固定块(6)的两边分别对称连接有一根悬臂细梁(5)，在悬臂细梁(5)的另一端连接悬臂梁(4)，在悬臂梁(4)的另一端垂直连接有连杆(3)，连杆(3)的另一端与梳状执行器(2)的一侧相接，梳状执行器(2)的另一侧为梳状执行器固定端(1)，固定块(6)和梳状执行器固定端(1)与芯片衬底(9)相固定。
2、根据要求1所述的微电子机械系统薄膜横向断裂强度在线测试结构，其特征在于将梳状执行器(2)和待测悬臂梁(4)、悬臂细梁(5)集成在同一块芯片上，该芯片的衬底(9)上设有一层二氧化硅层(8)，在二氧化硅层(8)上设有一层氮化硅层(7)，固定块(6)和梳状执行器固定端(1)固定在表面设有氮化硅层(7)和二氧化硅(8)层的衬底(9)上。
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