[發明專利]薄膜材料殘余應力測試結構及方法

有效

• 申請號: 201410243181.0
• 申請日: 2014-06-03
• 公開（公告）號: CN104034449A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 李偉華;王雷;張璐;周再發
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明提供了一種薄膜材料殘余應力的測試結構。屬于微機電系統(MEMS)材料參數測試技術領域。

背景技術

微機電系統的性能與材料參數有密切的關系。由于加工過程的影響，一些材料參數將產生變化，這些由加工工藝所導致的不確定因素，將使得器件設計與性能預測出現不確定和不穩定的情況。材料參數測試目的就在于能夠實時地測量由具體工藝制造的微機電器件材料參數，對工藝的穩定性進行監控，并將參數反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環境并采用通用設備進行的測試成為工藝監控的必要手段。材料力學性能的物理參數主要包括殘余應力、楊氏模量、泊松比、斷裂強度等。

在微機電器件結構中廣泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微機械結構中，薄膜材料是結構材料的主要材料。目前大多數的材料參數在線測試結構都是針對導電材料，例如摻雜單晶硅、摻雜多晶硅以及金屬等。對于絕緣材料，例如氮化硅、二氧化硅以及被二氧化硅所包裹的單晶硅或多晶硅，由于這些材料具有絕緣特性，不易實現測試信號的直接加載和電檢測。

發明內容：

技術問題：測量材料的殘余應力通常需要知道結構受力大小和結構受力所產生的形變或彎曲的撓度。本發明提出了一種測試結構，用于測量薄膜材料的殘余應力。測試結構由兩組結構組成：其中一組用于測量基準數據，即結構產生一定彎曲撓度時所施加力的大小；另一組用于測量在同樣彎曲撓度條件下，加入殘余應力測試單元后所需要施加的力的大小。將兩次所施加的力相減，得到在殘余應力測試結構上實際受到的力值，根據該值和彎曲撓度并根據測試結構的幾何尺寸等即可計算得到該薄膜材料的殘余應力。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

實際測試殘余應力的結構為一個由待測薄膜材料制作的雙端固支梁。利用靜電驅動的多晶硅懸臂梁形成作用力源。采用由待測薄膜材料制作的帶對準結構的非對稱十字梁作為撓度測量單元，該十字梁的豎直短梁作為轉軸，豎直短梁的兩端和錨區連接，在豎直短梁中心位置的左右兩側各有一根水平長梁，兩根水平長梁的長度不同，目的是利用比例放大原理提高撓度測量精度。在較長的長梁末端設置一個對準結構。

將固支梁的中心和十字梁較短的長梁末端同時置于多晶硅懸臂梁末端之下，通過施加電壓而產生的靜電力下拉多晶硅懸臂梁，并同時使固支梁的中心和十字梁較短長梁的末端向下運動，當位于十字梁中較長的長梁末端的對準結構對準時驅動結束。此時，靜電力的大小包括三部分力：驅動多晶硅懸臂梁下彎所需要的力；十字梁發生扭轉所需要的力；固支梁下彎的所需要的力。

去掉用于實際測量殘余應力的固支梁，僅留下晶硅懸臂梁和十字梁形成另一組測試結構，采用同樣的靜電驅動方法使多晶硅懸臂梁達到同樣的撓度，根據所施加的電壓的大小和撓度的大小計算得到此時的靜電力。

將兩次測量的靜電力相減，靜電力的差即為驅動固支梁達到設定撓度所需要的力。由該力的大小和撓度以及固支梁幾何尺寸等即可計算得到待測薄膜材料的殘余應力。

根據上述技術方案，本發明提供了一種測量薄膜材料殘余應力的測試結構。該測試結構由兩組結構組成，第一組結構包括靜電驅動的多晶硅懸臂梁、由待測薄膜材料制作的帶有對準結構的非對稱十字梁、由待測薄膜材料制作的雙端固支梁；第二組結構是第一組結構去除固支梁后的剩余結構；

所述第一組結構的多晶硅懸臂梁由第一錨區、細長梁、作為上電極的寬梁、細短梁自左向右連接而成，在寬梁的下表面是矩形下電極，寬梁和下電極之間是空氣層；在細短梁的下表面有第一凸點、第二凸點分別作為固支梁和十字梁的施力點；

所述第一組結構中的固支梁由第二錨區、第三錨區和長梁連接而成，固支梁與多晶硅懸臂梁垂直，固支梁的中心位于多晶硅懸臂梁左邊的第一凸點之下；

所述第一組結構中的十字梁由第四錨區、第五錨區、第一豎直短梁、兩根不同長度的左邊長梁、右邊長梁以及一個對準結構組成；其中，第一豎直短梁的兩端分部與第四錨區、第五錨區相連，在第一豎直短梁中心位置的左右兩邊設有左邊長梁和右邊長梁，從第一豎直短梁的中心到第二凸點的長度為L2，從豎直短梁的中心到豎直梁B邊的長度為L1，L1大于L2；在右邊長梁的右端連接一個對準結構，對準結構由第二豎直短梁、第三豎直短梁和第六錨區構成，其中第二豎直短梁連接在右邊長梁的右端，成垂直關系，第三豎直短梁一端與第六錨區相連；對準結構的對準邊為第三豎直短梁的A邊和第二豎直短梁的B邊，A、B邊有一個微小的距離△，十字梁的水平軸線和多晶硅懸臂梁的水平軸線重合。