JP2800561B2 - Measurement equipment for thin film mechanical properties - Google Patents
Measurement equipment for thin film mechanical propertiesInfo
- Publication number
- JP2800561B2 JP2800561B2 JP13497492A JP13497492A JP2800561B2 JP 2800561 B2 JP2800561 B2 JP 2800561B2 JP 13497492 A JP13497492 A JP 13497492A JP 13497492 A JP13497492 A JP 13497492A JP 2800561 B2 JP2800561 B2 JP 2800561B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- residual stress
- young
- modulus
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は圧力・加速度等の機械量
センサや薄膜アクチュエータの構造に関し、特に微小で
高機能の薄膜センサおよびアクチュエータの構造設計や
信頼性予測を行うために必須の薄膜機械定数を測定する
装置に関連している。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the structure of a mechanical sensor for pressure / acceleration and the like and a thin-film actuator, and more particularly to a thin-film machine which is indispensable for designing the structure and estimating the reliability of a small and high-performance thin-film sensor and actuator. Related to a device for measuring a constant.
【０００２】[0002]
【従来の技術】構造体の変形を利用して機械量の検出を
行う機械量センサやシリコン薄膜からなるアクチュエー
タを設計するとき、構造体の変形量および共振振動数の
値がヤング率と残留応力の大きさによって大きく変化す
るために、構造体のヤング率や残留応力等の機械的定数
を良く知ることが非常に重要となる。しかし、機械定数
の値は、薄膜を作製するプロセス条件やその後に加えら
れたプロセスの履歴によって変化するために、薄膜の機
械的定数を求めることは比較的容易ではない。2. Description of the Related Art When designing a mechanical quantity sensor or an actuator made of a silicon thin film for detecting a mechanical quantity by utilizing the deformation of a structural body, the values of the structural deformation and the resonance frequency are determined by the Young's modulus and the residual stress. Therefore, it is very important to know mechanical constants such as Young's modulus and residual stress of the structure well. However, since the value of the mechanical constant changes depending on the process conditions for manufacturing the thin film and the history of the process added thereafter, it is relatively difficult to determine the mechanical constant of the thin film.
【０００３】従来、薄膜の機械定数を測定する方法とし
て、既に機械定数の大きさが知られている基板の上に薄
膜を形成し、この試料に力を加えたときの基板の変形の
大きさからヤング率を求めたり、力を印加しない状態の
基板の反りから残留応力を求めることが一般に用いられ
てきた。しかし、この方法で求められた機械定数の値
は、用いられる試料の寸法が大きいために試料全体の平
均的な値となるという欠点があった。従って、作製され
るセンサ等のデバイス寸法が小さくなるに従って、薄膜
の機械特性のばらつきを無視することができなくなるた
めに、ミクロな領域で薄膜の特性を評価することが望ま
れるようになった。また、先に述べたように、薄膜の機
械特性がプロセスの履歴によって変化することから、実
際にデバイスが作製されるのと同じ条件で作製した薄膜
を用いて測定を行うことが重要である。この結果、評価
用の薄膜構造体の寸法を小さくしてデバイスと同じ基板
上に作製できるようにすることが望まれるようになっ
た。さらに、測定を簡便にすることも測定のスループッ
トを上げるために重要なことである。このような要求を
満たすものとして、１９８８年に新しい薄膜機械定数の
測定方法が報告された。以下、この方法の説明を行い、
続いてその欠点について説明する。[0003] Conventionally, as a method of measuring the mechanical constant of a thin film, a thin film is formed on a substrate whose mechanical constant is already known, and the magnitude of the deformation of the substrate when a force is applied to the sample. From the above, it has been generally used to determine the Young's modulus or to determine the residual stress from the warpage of the substrate in a state where no force is applied. However, there is a drawback that the value of the mechanical constant obtained by this method is an average value of the entire sample because the size of the sample used is large. Therefore, as device dimensions of a sensor or the like to be manufactured become smaller, variations in mechanical characteristics of the thin film cannot be ignored, and it has been desired to evaluate the characteristics of the thin film in a micro region. Further, as described above, since the mechanical properties of the thin film change depending on the history of the process, it is important to perform measurement using a thin film manufactured under the same conditions as those for actually manufacturing a device. As a result, it has become desirable to reduce the dimensions of the thin film structure for evaluation so that it can be manufactured on the same substrate as the device. Further, simplification of the measurement is also important for increasing the measurement throughput. In 1988, a new method for measuring thin film mechanical constants was reported to satisfy such requirements. The following describes this method,
Subsequently, the disadvantage will be described.
【０００４】この従来例は、１９８８年に米国ソールト
レイクシティで開催されたアイ・イー・イー・イー マ
イクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＩＥＥＥ Ｍ
ＩＣＲＯ ＥＬＥＣＴＲＯ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ Ｓ
ＹＳＴＥＭＳ）予稿集９６ページから９７ページのナジ
ャフィ（Ｋ．Ｎａｊａｆｉ）とスズキ（Ｋ．Ｓｕｚｕｋ
ｉ）による”Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａ
ｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍ
ｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｓｔｒｅｓｓ ａ
ｎｄ Ｙｏｕｎｇ’ｓ Ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ Ｔｈｉ
ｎ Ｆｉｌｍｓ”に記載されたものである。同論文で
は、シリコンマイクロマシーニング技術を利用して作製
された長さの異なる二種類の両端固定シリコン微小ブリ
ッジ構造体を、静電気力を用いて急峻に大きく変形させ
る現像を利用してシリコンのヤング率と残留応力の導出
を行う方法が記載されている。図３は試料の断面に働く
力を模式的に示したものである。以下これを用いてこの
導出方法の原理を述べる。[0004] This conventional example is based on the IEE Micro Electromechanical Systems (IEEE M) held in Salt Lake City, USA in 1988.
ICRO ELECTRO MECHANICAL S
YSTEMS) K. Najafi and Suzuki (K. Suzuk), pages 96 to 97
i) "A Novel Technique a
nd Structure for Measurement
ent of Intrinsic Stress a
nd Young's Modulus of Thi
In this paper, two types of both-end fixed silicon microbridge structures having different lengths manufactured by using silicon micromachining technology are steepened by using electrostatic force. A method of deriving the Young's modulus and residual stress of silicon using development that causes large deformation is described in Fig. 3. Fig. 3 schematically shows a force acting on a cross section of a sample. The principle of this derivation method will be described.
【０００５】引っ張り力Ｐを受ける長さｌの両端固定ブ
リッジ構造体１０の中央に力Ｆが垂直に加わるとき、こ
のブリッジ構造体の中央の変位はWhen a force F is vertically applied to the center of a fixed-length bridge structure 10 having a length 1 and receiving a pulling force P, the displacement of the center of the bridge structure is
【０００６】 [0006]
【０００７】ただし、 ｋ＝（Ｐ／ＥＩ）1 / 2 （２） と与えられる。ここでＥは薄膜のヤング率である。ま
た、Ｉは板の曲げ剛性であり、ブリッジ構造体の厚さ
ｈ、および幅ｂを用いて Ｉ＝ｂｈ3 ／１２ （３） と表される。今、ブリッジ構造体の中央部とこれに対面
する電極１１との間に働く静電気力を用いてブリッジ構
造体の中央部に力Ｆを加えるとき、力Ｆは二つの電極間
の静電容量Ｃを用いて Ｆ＝Ｃ2 Ｖ2 ／２ε0 Ａ （４） と与えられる。図４に二つの電極間に加える電圧Ｖを増
加させたときの静電容量Ｃの変化を示す。最初電圧Ｖの
増加によりブリッジ構造体の変位が起こり静電容量が漸
次増加する。この電圧がある電圧ＶP I を越えると突然
ブリッジの大きな変形が生じる。このため、ＶP I で図
４に示すように静電容量が急激に大きくなる。この現象
は静電気力が距離の二乗に反比例して増大した結果、ブ
リッジ構造体の機械的復元力の増大以上に大きくなった
ために力の平衡が崩れたことにより生じる。このＶP I
はブリッジ構造体の変位が力がないときの下側電極との
距離ｄ0 の１／３になったときの印加電圧である。従っ
て、ＶP I は式（１）〜（４）を用いてHowever, k = (P / EI) 1/2 (2) is given. Here, E is the Young's modulus of the thin film. Also, I is the bending stiffness of the plate, with a thickness h of the bridge structure, and the width b is expressed as I = bh 3/12 (3 ). Now, when a force F is applied to the center of the bridge structure by using the electrostatic force acting between the center of the bridge structure and the electrode 11 facing the same, the force F becomes the capacitance C between the two electrodes. F = C 2 V 2 / 2ε 0 A (4) FIG. 4 shows a change in the capacitance C when the voltage V applied between the two electrodes is increased. Initially, an increase in the voltage V causes displacement of the bridge structure, and the capacitance gradually increases. When this voltage exceeds a certain voltage VPI , suddenly a large deformation of the bridge occurs. Therefore, the capacitance rapidly increases at VPI as shown in FIG. This phenomenon occurs when the electrostatic force increases in inverse proportion to the square of the distance and becomes larger than the mechanical restoring force of the bridge structure. This V PI
Is the applied voltage when the displacement of the bridge structure becomes 1/3 of the distance d 0 between the lower electrode in the absence of force. Therefore, V PI is calculated using equations (1) to (4).
【０００８】 [0008]
【０００９】と与えられる。この（５）式が先の論文で
示されたヤング率Ｅおよび残留応力σ0 （＝Ｐ／ｂｈ）
を求める基礎方程式であり、力の平行が崩れたときの電
圧ＶPI がブリッジ構造体の寸法と薄膜機械定数Ｅおよ
びＰに結び付けられたものである。Is given by This equation (5) is expressed by Young's modulus E and residual stress σ 0 (= P / bh) shown in the previous paper.
Where the voltage VPI when the parallelism of force is broken is linked to the dimensions of the bridge structure and the thin film mechanical constants E and P.
【００１０】さて、式（５）を用いてヤング率および残
留応力を求める方法を以下に示す。長さがｌ1 とｌ2 の
異なる値を持つブリッジ構造体を作製し、電圧を印加し
てブリッジが崩れるときの電圧ＶP I （１）およびＶ
P I （２）の測定を行う。このとき式（５）から以下の
関係式が導かれる。Now, a method for obtaining the Young's modulus and the residual stress using the equation (5) will be described below. Bridge structures having different lengths l 1 and l 2 are manufactured, and voltages V PI (1) and V when the bridge is broken by applying a voltage
Measure PI (2). At this time, the following relational expression is derived from Expression (5).
【００１１】 [0011]
【００１２】ここで ｘ1 ＝ｋｌ1 ／４ （７） である。上記式（６）および（７）から、残留応力とヤ
ング率の比σ0 ／Ｅが導出される。この値を式（５）に
代入することにより引っ張り力Ｐ、すなわち残留応力σ
0 が求められる。最後にこの値を先に残留応力とヤング
率との比の値に代入することにより、ヤング率の値を得
ることができる。[0012] is where x 1 = kl 1/4 ( 7). From the above equations (6) and (7), the ratio σ 0 / E between the residual stress and the Young's modulus is derived. By substituting this value into equation (5), the tensile force P, ie, the residual stress σ
0 is required. Finally, by substituting this value into the value of the ratio between the residual stress and the Young's modulus, the value of the Young's modulus can be obtained.
【００１３】以上従来例の測定手法の説明を行った。こ
の方法は、（１）用いられる試料がセンサデバイスと同
じプロセスを用いて微小に作製できるために、デバイス
の片隅に設けてデバイスと同時に作製することができる
こと、（２）測定が電気的にできるために光学機器で必
要とされる光軸合わせ等の複雑な行程が不要となるこ
と、等の特徴をもっている。しかし、以下に述べるよう
に導出に用いる式に高次の非線形項が含まれるために、
得られた値が大きな誤差を含むことが欠点である。The conventional measuring method has been described above. According to this method, (1) the sample to be used can be manufactured minutely by using the same process as the sensor device, so that it can be provided at one corner of the device and manufactured simultaneously with the device, and (2) the measurement can be performed electrically. For this reason, a complicated process such as optical axis alignment required in an optical device is not required. However, since the equations used for derivation include higher-order nonlinear terms as described below,
A disadvantage is that the values obtained contain large errors.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】先の従来例で導出され
た値は、個々の測定パラメータの測定誤差から導かれる
大きな誤差を含んでいる。この誤差の値は使用された関
係式に依存しており、先に説明した式（６）では、Ｖ
P I の比の２乗、ｄ0 の比の３乗に加えて右辺の非線形
項の影響を受ける。この結果、個々の測定パラメータの
誤差が増幅されるために通常の測定誤差の値から残留応
力とヤング率との比σ0 ／Ｅに±４０％程度の誤差が生
じる。さらに残留応力とヤング率との個々の値について
は、さらに導出の行程が複雑になるために、それぞれ±
６０％、±１００％の誤差が生じることが見積もられ
る。このため、従来例に示した方法を使用して機械定数
の値を求めるときには個々のパラメータ測定を正確に行
って誤差を小さくすることが必要とされる。これは測定
方法を複雑にする。さらに、導出されるヤング率の値に
関しては、依然として誤差が大きいという欠点があっ
た。The values derived in the prior art described above contain large errors derived from the measurement errors of the individual measurement parameters. The value of this error depends on the relational expression used, and in equation (6) described above, V
The square of the ratio of PI, affected the right side of the nonlinear terms in addition to the cube of the ratio of d 0. As a result, since the error of each measurement parameter is amplified, an error of about ± 40% occurs in the ratio σ 0 / E between the residual stress and the Young's modulus from the value of the normal measurement error. In addition, the individual values of the residual stress and the Young's modulus are ±
It is estimated that an error of 60% and ± 100% will occur. For this reason, when determining the value of the mechanical constant using the method shown in the conventional example, it is necessary to accurately measure individual parameters to reduce errors. This complicates the measurement method. Furthermore, there is a disadvantage that the derived Young's modulus value still has a large error.
【００１５】本発明の目的は上記従来技術の欠点を除去
して、従来技術の長所を保ったまま、さらに高い精度で
薄膜機械定数の測定を行う方法を用いた測定装置を提供
することにある。An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages of the prior art and to provide a measuring apparatus using a method for measuring thin film mechanical constants with higher accuracy while maintaining the advantages of the prior art. .
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明の測定方法では、
一端を固定し他方の端を自由にした薄膜からなる片持ち
梁構造体および両方の端を固定した薄膜からなるブリッ
ジ構造体と当該構造体を静電気力により変形させる手段
および当該構造体の変形を検出する手段を用いて、薄膜
のヤング率および残留応力等の機械特性を測定する装置
が与えられる。また、この薄膜機械特性の測定装置にお
いて当該構造体の少なくとも一方の構造体を静電気力を
用いて急峻に大きい変形を起こさせる手段を用いたこと
を特徴とする薄膜機械特性の測定装置、或は、当該構造
体の少なくとも一方の構造体の共振特性の検出を利用し
たことを特徴とする薄膜機械特性の測定装置が与えられ
る。また、少なくとも一層が引っ張りの残留応力をもつ
薄膜を含む複数の層から当該薄膜構造体を形成したこと
を特徴とする薄膜機械特性の測定装置が与えられる。According to the measuring method of the present invention,
A cantilever structure consisting of a thin film having one end fixed and the other end being free, a bridge structure consisting of a thin film having both ends fixed, means for deforming the structure by electrostatic force, and deformation of the structure. An apparatus is provided for measuring mechanical properties such as Young's modulus and residual stress of the thin film using the detecting means. Further, in this thin film mechanical property measuring apparatus, a thin film mechanical property measuring apparatus characterized by using means for causing at least one of the structures to sharply cause large deformation by using an electrostatic force, or In addition, there is provided an apparatus for measuring thin film mechanical characteristics, which utilizes detection of resonance characteristics of at least one of the structures. Further, there is provided an apparatus for measuring thin film mechanical properties, wherein the thin film structure is formed from a plurality of layers including a thin film having at least one layer having tensile residual stress.
【００１７】本発明では、まず（１）片持ち梁構造体に
は残留応力が無いことを利用して、片持ち梁構造体の変
形の測定から薄膜のヤング率の値の導出が行われ、
（２）両端固定のブリッジ構造体の変形の測定から薄膜
の残留応力とヤング率との比の値の導出が行われる。続
いて、この二つの値を用いて残留応力の値の導出が行わ
れる。この二種類の構造体の変形の測定を行うことによ
り、ヤング率と残留応力の各々の値を正確に得ることが
できる。なお、薄膜構造体の変形の測定では従来例とし
て述べた構造体の力の平衡が崩れる手法、あるいは、以
下で述べる構造体の共振振動数を利用する方法を用いる
ことができる。先の従来例や本発明の方法は基本的に引
っ張りの残留応力を受ける構造体にのみ適用可能であ
る。しかし、微小構造体を多層の薄膜膜構造により作製
し、構造体全体の平均応力を引っ張り状態に設定するこ
とにより、本発明装置を圧縮応力を受ける薄膜の機械定
数の測定に適用することができる。In the present invention, (1) the value of the Young's modulus of the thin film is derived from the measurement of the deformation of the cantilever structure by utilizing the fact that the cantilever structure has no residual stress.
(2) From the measurement of the deformation of the bridge structure fixed at both ends, the value of the ratio between the residual stress of the thin film and the Young's modulus is derived. Subsequently, the value of the residual stress is derived using these two values. By measuring the deformation of these two types of structures, the respective values of Young's modulus and residual stress can be accurately obtained. In the measurement of the deformation of the thin film structure, a method of disturbing the balance of the force of the structure described as a conventional example, or a method using a resonance frequency of the structure described below can be used. The above-mentioned conventional example and the method of the present invention are basically applicable only to a structure subjected to a residual tensile stress. However, by manufacturing a microstructure with a multilayer thin film structure and setting the average stress of the entire structure to a tensile state, the apparatus of the present invention can be applied to the measurement of the mechanical constant of a thin film subjected to a compressive stress. .
【００１８】[0018]
【実施例】本発明を用いた測定方法の説明を以下に示
す。本実施例では片持ち梁構造体の共振特性を利用して
ヤング率を、ブリッジ構造体の力の平衡が崩れる現象を
利用して残留応力とヤング率の比を導出する方法を一例
として示す。図２（ａ）は一端が固定された薄膜の共振
特性を測定する方法の模式図である。固定された端の反
対側の自由端に力を加えて、片持ち梁の振動を起こさせ
る。力を印加する方法として例えば図２（ａ）に示すよ
うに片持ち梁の下側に設けられた電極２と片持ち梁との
間に電圧を加えて静電気力を起こさせる方法がある。こ
の自由端に印加する力の周波数を変化させると図２
（ｂ）に示すように薄膜構造体の共振周波数付近で構造
体の変形の振幅が増大する。この共振周波数は薄膜構造
体の寸法と以下の関係がある。 ｆ＝ｇｈ／Ｉ2 （Ｅ／ρ）1 / 2 （８） ここでｇは定数であり、第１次の共振モードのとき０．
１６２となる。また、ｈ，Ｉは薄膜構造体の厚さおよび
板の曲げ剛性であり、Ｅ、ρはそれぞれヤング率および
密度である。（８）式は（５）式に比べて各パラメータ
の次数が低次であり、複雑な非線形項が含まれていな
い。従って、（８）式から導出されたヤング率の値は従
来例に比べて誤差が小さくなる。個々のパラメータを通
常の方法で測定したとき、導かれたヤング率の値の誤差
は±１０％程度となることが見積もられる。一方、両端
固定のブリッジ構造を用いて従来例と同様の方法により
残留応力とヤング率の比の値が導出できる。この比の値
は先に述べたように±４０％程度の誤差を持っている。
これら二つの値から残留応力を求めることができ、この
ときの残留応力の誤差は±５０％程度となる。このよう
にして導出されたヤング率および残留応力の値は従来例
の方法によって得られた値に比べて誤差が小さい。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A description will be given below of a measuring method using the present invention. In this embodiment, a method for deriving the Young's modulus using the resonance characteristics of the cantilever structure and deriving the ratio between the residual stress and the Young's modulus using the phenomenon in which the force balance of the bridge structure is lost will be described as an example. FIG. 2A is a schematic diagram of a method for measuring resonance characteristics of a thin film having one end fixed. A force is applied to the free end opposite the fixed end, causing the cantilever to vibrate. As a method of applying force, for example, there is a method of generating an electrostatic force by applying a voltage between an electrode 2 provided below the cantilever and the cantilever as shown in FIG. 2A. When the frequency of the force applied to the free end is changed, FIG.
As shown in (b), the amplitude of deformation of the structure increases near the resonance frequency of the thin film structure. This resonance frequency has the following relationship with the dimension of the thin film structure. f = gh / I 2 (E / ρ) 1/2 (8) Here, g is a constant, and is equal to 0.1 in the first resonance mode.
162. H and I are the thickness of the thin film structure and the bending rigidity of the plate, and E and ρ are the Young's modulus and the density, respectively. Equation (8) has a lower order of each parameter than equation (5), and does not include a complicated nonlinear term. Therefore, the value of the Young's modulus derived from equation (8) has a smaller error than in the conventional example. When each parameter is measured by a usual method, it is estimated that the error of the derived Young's modulus is about ± 10%. On the other hand, the value of the ratio between the residual stress and the Young's modulus can be derived in the same manner as in the conventional example using a bridge structure having both ends fixed. The value of this ratio has an error of about ± 40% as described above.
The residual stress can be obtained from these two values, and the residual stress error at this time is about ± 50%. The values of the Young's modulus and the residual stress derived in this way have smaller errors than the values obtained by the method of the conventional example.
【００１９】以上に述べた実施例は片持ち梁の共振特性
とブリッジ構造の力平衡の崩れを測定した例であった
が、本発明はこれに限定されるものではない。すなわ
ち、二つの構造体の力の平衡の崩れを測定する方法、二
つの構造体の共振特性を測定する方法、或は、片持ち梁
の力平衡の崩れとブリッジ構造の共振特性を測定する方
法の組み合わせを利用することができる。構造体の力の
平衡の崩れを測定する方法は構造体の共振特性を測定す
る方法に比べて基本方程式が複雑であり、測定誤差が大
きくなるという欠点があるが、低い周波数の電圧信号を
用いるために駆動および検出回路が簡略化されるという
長所がある。以上述べた力平衡の崩れと共振特性の測定
との種々の組合せの中で、力平衡の崩れのみを用いる方
法によって得られた結果が最も大きな誤差を含んでい
る。しかし、片持ち梁は残留応力を含まないために、力
の平衡崩れを表す関係式が簡単である。この結果、得ら
れた値は従来例よりも小さな誤差を持っており、本発明
は依然として有効である。In the above-described embodiment, the resonance characteristic of the cantilever and the collapse of the force balance of the bridge structure were measured, but the present invention is not limited to this. That is, a method of measuring the collapse of the force balance between two structures, a method of measuring the resonance characteristics of two structures, or a method of measuring the collapse of the force balance of a cantilever and the resonance characteristics of a bridge structure. Can be used. The method of measuring the imbalance in the force of the structure has the disadvantage that the basic equation is more complicated and the measurement error is larger than the method of measuring the resonance characteristics of the structure, but it uses a low-frequency voltage signal. Therefore, there is an advantage that the driving and detecting circuit is simplified. Among the various combinations of the above-described collapse of the force balance and the measurement of the resonance characteristics, the result obtained by the method using only the collapse of the force balance includes the largest error. However, since the cantilever does not include the residual stress, the relational expression representing the force imbalance is simple. As a result, the obtained value has a smaller error than the conventional example, and the present invention is still effective.
【００２０】以上述べた方法を利用した本発明の測定装
置を図１に示す。同図の１００はシリコンマイクロマシ
ーニング技術等を用いて作製した片持ち梁およびブリッ
ジ微小構造体を示しており、センサやアクチュエータデ
バイスの片隅にデバイスと同一のプロセス条件によって
作製することができる。同図１０１は、これら構造体１
００の内部に図２で述べた手法を用いて静電気力を働か
せて構造体の変形を起こさせる電圧駆動回路である。構
造体の変形を急峻に起こさせる手法を用いるときには、
駆動回路１０１は電圧の変化を起こさせる回路から構成
される。また構造体の共振特性を測定する手法が適用さ
れるときには、駆動回路１０１は一定の大きさをもった
電圧の周波数を変化させる回路から構成される。これら
電圧の大きさや周波数の大きさは前段のコンピュータ１
０３によって制御することができる。一方、同図の１０
２は構造体１００の変形を測定する検出手段を示してい
る。この検出手段１０２は、先に説明したように構造体
の静電容量を検出することにより電気的に構成すること
が可能である。また、構造体の最も変形する部分（片持
ち梁では先端部分、あるいはブリッジ構造では中央部
分）にレーザ光を照射して反射波の強度あるいは干渉を
測定して構造体の変形を測定する光学的手法によっても
この検出手段１０２を構成することが可能である。検出
手段１０２によって測定された構造体１００の変位の大
きさは電気信号に変換されてコンピュータ１０３に入力
される。コンピュータ１０３は駆動回路１０１に送信し
た制御信号によって構造体１００に印加された静電気力
の大きさあるいは周波数を決めることができるために、
構造体に働く静電気力と変位との相関をつけることがで
き、先に示した方程式を用いて薄膜構造体の機械定数の
計算が可能である。FIG. 1 shows a measuring apparatus of the present invention using the above-described method. In the figure, reference numeral 100 denotes a cantilever and bridge microstructure manufactured using a silicon micromachining technique or the like, which can be manufactured at one corner of a sensor or an actuator device under the same process conditions as the device. FIG. 101 shows these structures 1
2 is a voltage drive circuit that causes the structure to be deformed by applying an electrostatic force by using the method described with reference to FIG. When using a technique that causes the structural deformation to occur steeply,
The drive circuit 101 includes a circuit that causes a change in voltage. When a method of measuring the resonance characteristics of the structure is applied, the drive circuit 101 is configured by a circuit that changes the frequency of a voltage having a certain magnitude. The magnitude of the voltage and the magnitude of the frequency are determined by the computer 1 in the preceding stage.
03 can be controlled. On the other hand, in FIG.
Reference numeral 2 denotes a detecting means for measuring the deformation of the structure 100. This detecting means 102 can be electrically configured by detecting the capacitance of the structure as described above. In addition, the most deformable part of the structure (the tip part in the case of a cantilever, or the center part in the case of a bridge structure) is irradiated with laser light to measure the intensity or interference of the reflected wave and to measure the deformation of the structure. The detection means 102 can be configured by a technique. The magnitude of the displacement of the structure 100 measured by the detecting means 102 is converted into an electric signal and input to the computer 103. Since the computer 103 can determine the magnitude or frequency of the electrostatic force applied to the structure 100 by the control signal transmitted to the drive circuit 101,
The correlation between the electrostatic force acting on the structure and the displacement can be given, and the mechanical constant of the thin film structure can be calculated using the equation shown above.
【００２１】本発明で用いられる薄膜ブリッジ構造体は
引っ張りの残留応力を持ったもののみが使用可能であ
る。これは、薄膜ブリッジ構造体が圧縮の応力を受けて
いるときには構造体が上下のいずれかに弓なり或はしわ
状に変形してしまうからである。本発明の測定装置を圧
縮の残留応力を受けるブリッジ構造体に対しても適用で
きるようにするために、少なくとも一層が引っ張り応力
を受ける薄膜を含む複数層からなる多層薄膜構造体を作
製し、全体としての残留応力が引っ張り状態となるよう
に設計した多層薄膜構造体を利用するとよい。今、二層
構造の薄膜ブリッジ構造体を用いた場合を例にして本発
明の測定方法を説明する。この二層構造の一方の薄膜が
圧縮の残留応力をもっており、他方が引っ張りの残留応
力をもつように設計する。そしてこの二層薄膜からなる
片持ち梁構造体とブリッジ構造体に本発明の方法を適用
することにより、二層薄膜の平均的な機械定数を得るこ
とができる。二層薄膜の平均化された残留応力σc およ
びヤング率Ｅc は、個々の機械定数を用いて以下のよう
に表すことができる。 σc ｔc ＝σ1 ｔ1 ＋σ2 ｔ2 （９） Ｅc Ｉ＝Ｋ・ｗｔ2 3 ｔ1 Ｅ1 Ｅ2 ／１２（ｔ1 Ｅ1 ＋ｔ2 Ｅ2 ） （１０） 但し Ｋ＝４＋６ｔ1 ／ｔ2 ＋４（ｔ1 /t2 ）2 ＋Ｅ1 ／Ｅ2 ・（ｔ1 ／ｔ2 ）3 ＋Ｅ2 ／Ｅ1 ・（ｔ2 ／ｔ1 ） （１１） （９）〜（１１）式において、添字の１および２は二層
薄膜のそれぞれの機械定数および寸法を表している。引
っ張りの残留応力をもつ薄膜の機械定数については先に
述べた本発明の測定方法により知ることができるため、
（９）〜（１１）式を用いて、圧縮の残留応力をもつ薄
膜の機械定数を導出することが可能となる。As the thin film bridge structure used in the present invention, only one having a tensile residual stress can be used. This is because when the thin-film bridge structure is under compressive stress, the structure may bow or wrinkle up or down. In order to be able to apply the measuring device of the present invention also to a bridge structure receiving a compressive residual stress, a multilayer thin film structure including a plurality of layers including a thin film at least one of which is subjected to a tensile stress is manufactured. It is preferable to use a multilayer thin film structure designed so that the residual stress as a tensile state is obtained. Now, the measurement method of the present invention will be described by taking a case where a thin-film bridge structure having a two-layer structure is used as an example. The two-layer structure is designed so that one thin film has a compressive residual stress and the other has a tensile residual stress. By applying the method of the present invention to the cantilever structure and the bridge structure composed of the two-layer thin film, an average mechanical constant of the two-layer thin film can be obtained. The averaged residual stress σ c and Young's modulus E c of the two-layer thin film can be expressed as follows using individual mechanical constants. σ c t c = σ 1 t 1 + σ 2 t 2 (9) E c I = K · wt 2 3 t 1 E 1 E 2/12 (t 1 E 1 + t 2 E 2) (10) where K = 4 + 6t 1 / t 2 +4 (t 1 / t 2 ) 2 + E 1 / E 2 · (t 1 / t 2 ) 3 + E 2 / E 1 · (t 2 / t 1 ) (11) (9) to (11) In the formulas, the subscripts 1 and 2 represent the respective mechanical constants and dimensions of the two-layer thin film. Since the mechanical constant of a thin film having a tensile residual stress can be known by the above-described measurement method of the present invention,
Using the equations (9) to (11), it is possible to derive the mechanical constant of the thin film having the compressive residual stress.
【００２２】先の実施例では、構造体の力の平衡の崩れ
および振動特性は構造体とこれに対向する基板上の電極
との間の静電容量を検出することにより測定することが
できた。この電気的測定方法は使用される測定装置が簡
便であるという特徴がある。一方、この構造体の変形は
先に述べたようにレーザ光を照射して反射光を測定する
ことによっても可能である。このとき、測定装置が大型
化すること、煩雑な光軸合わせの行程が必要であること
等の問題があるが、従来から良く知られた測定方法であ
るという特徴があり、本発明にも使用することが可能で
ある。In the previous embodiment, the collapse of the force balance of the structure and the vibration characteristics could be measured by detecting the capacitance between the structure and the electrode on the substrate facing the structure. . This electrical measuring method is characterized in that the measuring device used is simple. On the other hand, this structure can be deformed by irradiating the laser beam and measuring the reflected light as described above. At this time, there are problems such as an increase in the size of the measurement device and a complicated optical axis alignment process, but there is a feature that it is a well-known measurement method, and it is also used in the present invention. It is possible to
【００２３】[0023]
【発明の効果】本発明の装置を用いることにより、薄膜
のヤング率および残留応力を正確に測定することが可能
となった。測定用の試料はセンサやアクチュエータ等の
デバイスと同じプロセスで作製することが可能であり、
しかも、寸法が小さいためにデバイスと同じ基板上に設
けることが可能である。このため、デバイスのプロセス
条件に強く依存する薄膜の機械特性のモニターとして使
用することも可能である。本発明により得られた薄膜の
機械定数のデータは、センサやアクチュエータの構造設
計データとして有効に用いることができる。またセンサ
デバイスの保護膜として使われるシリコン酸化膜や窒化
膜の厚さを最適に設計することにも用いることができ、
その効果は大きなものである。By using the apparatus of the present invention, it is possible to accurately measure the Young's modulus and residual stress of a thin film. Samples for measurement can be manufactured in the same process as devices such as sensors and actuators.
Moreover, because of its small size, it can be provided on the same substrate as the device. Therefore, it can be used as a monitor of the mechanical properties of a thin film that strongly depends on the process conditions of the device. The data of the mechanical constant of the thin film obtained by the present invention can be effectively used as structural design data of a sensor or an actuator. It can also be used to optimally design the thickness of the silicon oxide film or nitride film used as a protective film for sensor devices,
The effect is great.
【図１】本発明の測定装置の構成を模式的に示す図であ
る。FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a measuring device of the present invention.
【図２】（ａ）は片持ち梁構造体の共振を模式的に示す
図、（ｂ）はこの共振特性を示す図である。FIG. 2A is a diagram schematically showing resonance of a cantilever structure, and FIG. 2B is a diagram showing this resonance characteristic.
【図３】ブリッジ構造体に働く力を模式的に示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram schematically showing a force acting on a bridge structure.
【図４】静電気力によりブリッジ構造体が大きく変位す
る様子を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a state where a bridge structure is largely displaced by an electrostatic force.
１ 薄膜片持ち梁構造体 ２ 電極 ３ 基板 １０ 薄膜ブリッジ構造体 １１ 電極 １２ 基板 １００ 構造体 １０１ 駆動回路 １０２ 検出手段 １０３ コンピュータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin-film cantilever structure 2 Electrode 3 Substrate 10 Thin-film bridge structure 11 Electrode 12 Substrate 100 Structure 101 Drive circuit 102 Detecting means 103 Computer
Claims (4)
からなる片持ち梁構造体および両方の端を固定した薄膜
からなるブリッジ構造体と当該構造体を静電気力により
変形させる手段および当該構造体の変形の検出を行なう
手段とを用いて薄膜のヤング率および残留応力等の機械
特性を測定する装置。1. A cantilever structure comprising a thin film having one end fixed and the other end being free, a bridge structure comprising a thin film having both ends fixed, means for deforming said structure by electrostatic force, and said means. An apparatus for measuring mechanical properties such as Young's modulus and residual stress of a thin film using a means for detecting deformation of a structure.
置において、当該構造体の少なくとも一方の構造体を静
電気力により急峻に大きく変形させる手段を用いること
を特徴とする薄膜機械特性の測定装置。2. The thin-film mechanical property measuring apparatus according to claim 1, wherein means for sharply deforming at least one of the structures by an electrostatic force is used. apparatus.
置において、当該構造体の少なくとも一方の構造体の共
振特性の検出を用いることを特徴とする薄膜機械特性の
測定装置。3. The thin-film mechanical characteristic measuring apparatus according to claim 1, wherein detection of resonance characteristics of at least one of the structures is used.
置において、少なくとも一層が引っ張りの残留応力を持
つ薄膜を含んだ複数の層から当該薄膜構造体を形成した
ことを特徴とする薄膜機械特性の測定装置。4. The thin-film machine according to claim 1, wherein the thin-film structure is formed from a plurality of layers including a thin film having at least one layer having a tensile residual stress. Characteristic measuring device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13497492A JP2800561B2 (en) | 1992-05-27 | 1992-05-27 | Measurement equipment for thin film mechanical properties |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13497492A JP2800561B2 (en) | 1992-05-27 | 1992-05-27 | Measurement equipment for thin film mechanical properties |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0666698A JPH0666698A (en) | 1994-03-11 |
| JP2800561B2 true JP2800561B2 (en) | 1998-09-21 |
Family
ID=15140964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13497492A Expired - Fee Related JP2800561B2 (en) | 1992-05-27 | 1992-05-27 | Measurement equipment for thin film mechanical properties |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2800561B2 (en) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100729074B1 (en) * | 2005-06-22 | 2007-06-14 | 미츠비시덴키 가부시키가이샤 | Control system for vehicular generator |
| JP5300525B2 (en) * | 2009-02-23 | 2013-09-25 | 兵庫県 | Apparatus and method for measuring mechanical properties of thin film |
| JP5804408B2 (en) * | 2011-03-29 | 2015-11-04 | 公立大学法人兵庫県立大学 | Nano thin film Young's modulus measuring device and measuring device design method |
| MX2017009214A (en) | 2015-01-14 | 2018-04-10 | Surmodics Inc | Insertion tools for medical device. |
| JP7019952B2 (en) * | 2017-03-15 | 2022-02-16 | 株式会社リコー | Optical deflector inspection method |
-
1992
- 1992-05-27 JP JP13497492A patent/JP2800561B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0666698A (en) | 1994-03-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Devoe et al. | Surface micromachined piezoelectric accelerometers (PiXLs) | |
| Kon et al. | Piezoresistive and piezoelectric MEMS strain sensors for vibration detection | |
| Guo et al. | Measurements of piezoelectric coefficient d 33 of lead zirconate titanate thin films using a mini force hammer | |
| Matsuzaki et al. | Rubber-based strain sensor fabricated using photolithography for intelligent tires | |
| US6595058B2 (en) | Method and apparatus for determining dynamic response of microstructure by using pulsed broad bandwidth ultrasonic transducer as BAW hammer | |
| Sharpe | Murray lecture tensile testing at the micrometer scale: Opportunities in experimental mechanics | |
| Arora et al. | Design of mems based microcantilever using comsol multiphysics | |
| US6424165B1 (en) | Electrostatic apparatus for measurement of microfracture strength | |
| Chasiotis et al. | Mechanical properties of thin polysilicon films by means of probe microscopy | |
| CN112129347B (en) | Multi-layer film residual stress and Young modulus on-line test structure for microfabrication and on-line extraction method | |
| JP2800561B2 (en) | Measurement equipment for thin film mechanical properties | |
| US7076122B2 (en) | Patch-type extrinsic Fabry-Perot interferometric fiber optic sensor and real-time structural vibration monitoring method using the same | |
| US8132466B2 (en) | Mechanical properties testing device and method | |
| Saayujya et al. | Design, fabrication and characterization of a zinc oxide thin-film piezoelectric accelerometer | |
| Ahmed et al. | Induced-stress analysis of SU-8 polymer based single mass 3-axis piezoresistive MEMS accelerometer | |
| Que et al. | A micromachined strain sensor with differential capacitive readout | |
| Chiou et al. | CMOS-MEMS prestress vertical cantilever resonator with electrostatic driving and piezoresistive sensing | |
| JP4568997B2 (en) | Jerk sensor | |
| Ahmed et al. | Flexible conformal micromachined absolute pressure sensors | |
| Yubin et al. | Bulk2Silicon Resonant Accelerometer 3 | |
| Takahashi et al. | Triaxial piezoresistive force sensor probe with high sensitivity and stiffness using 3D notch structure | |
| CN114137028B (en) | Online Young modulus extraction device and method for MEMS (micro-electromechanical systems) multilayer film material | |
| Pachkawade | NEMS based actuation and sensing | |
| Yazıcıoğlu | Surface micromachined capacitive accelerometers using mems technology | |
| Tong et al. | Micro pressure sensors based on ultra-thin amorphous carbon film as both sensitive and structural components |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19980609 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070710 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080710 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |