[發明專利]一種MEMS多層薄膜材料熱膨脹系數的提取方法

有效

• 申請號: 202011189814.6
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112326720B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉海韻;王慧斌;張振
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N25/16
• 分類號: G01N25/16
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發明公開了一種MEMS多層薄膜材料熱膨脹系數的提取方法，基于兩組不同長度的多層雙端固支梁陣列，每組多層雙端固支梁陣列由多根不同寬度組合的多層雙端固支梁組成。本發明利用環境溫度對多層雙端固支梁陣列進行加熱，通過分別測量加熱前和加熱后多層雙端固支梁的機械諧振頻率，得到各層膜的等效楊氏模量值，以及加熱前和加熱后各層膜上所產生的殘余應力，進而計算得到各層薄膜的熱膨脹系數。本發明提供的熱膨脹系數提取方法，操作方便，測量精度高，通用性強。

技術領域

本發明涉及一種MEMS多層薄膜材料熱膨脹系數的提取方法，是基于多層雙端固支梁機械諧振特性的多層薄膜熱膨脹系數提取方法，屬于微電子機械系統及其材料參數測試技術領域。

背景技術

微電子機械系統(MEMS)是在微電子技術基礎上發展起來的前沿研究領域。其基本特點是微型化、高集成度和高精度的批量制造。MEMS產品的商業化生產涉及到材料、設計、制造、檢測、工藝、裝備與系統集成等諸多方面，其中，MEMS材料參數的測試技術對于生產制造尤為重要，是保證加工工藝線良率的關鍵。

隨著MEMS產業化的發展，MEMS產品的設計結構越來越復雜，所需薄膜的層數越來越多，對多層薄膜材料參數測試技術的研究既是市場的需求，也是MEMS材料參數測試技術的發展方向。薄膜材料的熱膨脹系數是重要的材料參數，一方面，薄膜和襯底的熱膨脹系數失配會產生熱應力，降低MEMS器件的可靠性，另一方面，熱膨脹效應是MEMS熱執行器的動力來源。

目前常用的多層薄膜熱膨脹系數的測試方法大多采用光學手段來檢測樣品的離面形變，測量精度不高。專利號為ZL201610924683.9的中國發明專利“一種基于諧振特性的多晶硅薄膜熱膨脹系數提取方法”利用懸臂梁和雙端固支梁的諧振特性，來獲取多晶硅薄膜的熱膨脹系數，能夠實現高精度測量，但是該方案僅適用于單層多晶硅薄膜的熱膨脹系數測試，并不能直接套用在多層薄膜的熱膨脹系數提取中。因此，建立MEMS多層薄膜材料熱膨脹系數提取方法對于設計MEMS器件、優化和預測MEMS器件性能具有重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種MEMS多層薄膜材料熱膨脹系數的提取方法，提高多層薄膜熱膨脹系數測試精度。

為達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

提供一種MEMS多層薄膜材料熱膨脹系數的提取方法，其特征在于，包括兩組不同長度的多層雙端固支梁陣列，其中，第一雙端固支梁105和第二雙端固支梁205均由多層薄膜材料構成，基于以上結構，熱膨脹系數的提取方法包括如下步驟：

步驟a：測量第一組雙端固支梁陣列中每根第一雙端固支梁105在室溫T₀下的一階機械諧振頻率f_a1、f_a2、f_a3…f_an；

步驟b：測量第二組雙端固支梁陣列中每根第二雙端固支梁205在室溫T₀下的一階機械諧振頻率f_b1、f_b2、f_b3…f_bn，結合第一組雙端固支梁陣列的機械諧振頻率，根據第一雙端固支梁105和第二雙端固支梁205的平坦或屈曲狀態，得到第i層薄膜的等效楊氏模量和初始殘余應力σ_0i；

步驟c：對第一組雙端固支梁陣列進行環境溫度加熱，使所有第一雙端固支梁105加熱至同一溫度T后不變，測量此時第一組雙端固支梁陣列中每根梁的一階機械諧振頻率f_c1、f_c2、f_c3…f_cn，根據第一雙端固支梁105平坦或屈曲狀態，得到第i層薄膜在溫度T下的殘余應力σ_1i；