多晶硅薄膜材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種多晶硅薄膜材料楊氏模量的測試結(jié)構(gòu)及方法，主要用于多晶硅結(jié)構(gòu)層的材料測試。該測試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成，第一組結(jié)構(gòu)包括靜電驅(qū)動的多晶硅懸臂梁(101)、由待測薄膜材料制作的帶有對準結(jié)構(gòu)的第一非對稱十字梁(102)、由待測薄膜材料制作的第二非對稱十字梁(103)；第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除第二非對稱十字梁后的剩余結(jié)構(gòu)；測量材料的楊氏模量通常需要知道結(jié)構(gòu)受力大小和結(jié)構(gòu)受力所產(chǎn)生的形變或彎曲的撓度。本發(fā)明通過幾何參數(shù)設(shè)計控制測試結(jié)構(gòu)的彎曲撓度，通過兩組測試結(jié)構(gòu)的相同部分受力相同的原理提取出楊氏模量測試結(jié)構(gòu)所受到的力，利用力和撓度計算得到多晶硅薄膜材料的楊氏模量。本發(fā)明的測試結(jié)構(gòu)、測量方法和參數(shù)提取的方法極其簡單。
【專利說明】多晶娃薄膜材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種多晶娃薄膜材料楊氏模量的測試結(jié)構(gòu)。屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測試【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微機電器件的性能與材料參數(shù)有密切的關(guān)系，由于加工過程的影響，一些材料參數(shù)將產(chǎn)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(shè)計與性能預(yù)測出現(xiàn)不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數(shù)測試目的就在于能夠?qū)崟r地測量由具體工藝制造的微機電器件材料參數(shù)，對工藝的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，并將參數(shù)反饋給設(shè)計者，以便對設(shè)計進行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設(shè)備進行的測試成為工藝監(jiān)控的必要手段。材料力學性能的物理參數(shù)主要包括楊氏模量、泊松比、殘余應(yīng)力、斷裂強度等。
[0003]在微機電器件結(jié)構(gòu)中廣泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微機械結(jié)構(gòu)中，多晶硅薄膜材料是結(jié)構(gòu)材料的主體材料。MEMS工藝中通常有兩到三層多晶硅薄膜，具有不同的應(yīng)用，底層多晶硅往往做墊層或下電極，二層或三層作為結(jié)構(gòu)材料，結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)對MEMS器件影響最大。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]技術(shù)問題:測量材料的楊氏模量通常需要知道結(jié)構(gòu)受力大小和結(jié)構(gòu)受力所產(chǎn)生的形變或彎曲的撓度。本發(fā)明提出了一種測試結(jié)構(gòu)，用于測量用于多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)層材料的楊氏模量。測試結(jié)構(gòu)由兩組單元組成:其中一組用于測量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定彎曲撓度時所施加力的大??；另一組用于測量在同樣彎曲撓度條件下，去除特定負載后所需要施加的力的大小。將所施加的力相減，得到在多晶硅薄膜楊氏模量測試結(jié)構(gòu)上實際受到的力值，根據(jù)該值和彎曲撓度并結(jié)合測試結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)即可計算得到該多晶硅薄膜材料的楊氏模量。
[0005]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]實際測試楊氏模量的結(jié)構(gòu)為一個利用靜電驅(qū)動的多晶硅懸臂梁(以下簡稱為多晶硅懸臂梁)，該多晶硅懸臂梁同時也是一個作用力源。兩個由其他薄膜材料制作的帶對準結(jié)構(gòu)的非對稱十字梁(以下簡稱為十字梁)作為撓度測量單元，其他薄膜材料可以是下一層多晶硅或其他能夠被釋放而可以運動的薄膜材料。十字梁實際上是一個兩邊不對稱的蹺蹺板結(jié)構(gòu)，當蹺蹺板一端被壓下，另一端必然翹起，翹起一端的投影長度縮短，使位于翹起端末的對準結(jié)構(gòu)的兩個對準線發(fā)生相對運動，被壓下的一端下壓的越多，對準線越靠近，直至對準。通過對準位置和蹺蹺板兩端長度的設(shè)計可以控制十字梁下壓端的位移量，該位移量就是需要設(shè)定的測量撓度。
[0007]采用兩組測量單元:一組是一個多晶硅懸臂梁加兩個十字梁，一組是一個多晶硅懸臂梁加一個十字梁。測量兩組測量單元達到同樣撓度時所需施加的力的值，兩組單元力值的差即為驅(qū)動一個十字梁所需要的力，由此力也可以簡單計算得到多晶硅懸臂梁在測試撓度下所需要的力。由力和測試撓度即可計算多晶硅薄膜的楊氏模量。[0008]根據(jù)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種測量薄膜材料楊氏模量的測試結(jié)構(gòu)。該測試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成，第一組結(jié)構(gòu)包括靜電驅(qū)動的多晶硅懸臂梁、由待測薄膜材料制作的帶有對準結(jié)構(gòu)的第一非對稱十字梁、由待測薄膜材料制作的第二非對稱十字梁；第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除第二非對稱十字梁后的剩余結(jié)構(gòu)；
[0009]所述第一組結(jié)構(gòu)的多晶硅懸臂梁由第一錨區(qū)、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、第二凸點分別作為第二非對稱十字梁和第一非對稱十字梁的施力
占.[0010]所述第一組結(jié)構(gòu)中的第一非對稱十字梁由第四錨區(qū)、第五錨區(qū)、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(jié)構(gòu)組成；其中，第一豎直短梁的兩端分別與第四錨區(qū)、第五錨區(qū)相連，在第一豎直短梁中心位置的左右兩邊設(shè)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(jié)構(gòu)，對準結(jié)構(gòu)由第二豎直短梁、第三豎直短梁和第六錨區(qū)構(gòu)成，其中第二豎直短梁連接在右邊長梁的右端，成垂直關(guān)系，第三豎直短梁一端與第六錨區(qū)相連；對準結(jié)構(gòu)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Λ，第一非對稱十字梁的水平軸線和多晶硅懸臂梁的水平軸線重合；
[0011]所述第一組結(jié)構(gòu)的第二非對稱十字梁由第二錨區(qū)、第三錨區(qū)、第一水平短梁、上半豎直長梁、下半豎直長梁以及一個對準結(jié)構(gòu)組成，其中，第一水平短梁的左右端分別與第二錨區(qū)、第三錨區(qū)相連，在第一水平短梁中心位置的上下兩邊分別設(shè)有上半豎直長梁以及下半豎直長梁；其中，從第一水平短梁的中心線到第二水平短梁的長度也為LI，上半豎直長梁的自由端位于多晶硅懸臂梁的右邊第一凸點之下；下部的下半豎直長梁的長度長于上半豎直長梁，在下半豎直長梁的下端有一個對準結(jié)構(gòu)，對準結(jié)構(gòu)由兩個平行的第二水平短梁、第三水平短梁第七錨區(qū)構(gòu)成，其中第二水平短梁連接在下半豎直長梁的下端，成垂直關(guān)系，第三水平短梁和第七錨區(qū)連接，對準邊為第三水平短梁的A邊和第二水平短梁的B邊，A、B邊有一個微小的設(shè)計距離Λ，第一水平短梁的中心到第二水平短梁的B邊長度為LI，第二非對稱十字梁與多晶硅懸臂梁垂直放置。
[0012]本發(fā)明的多晶硅薄膜材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)的測試方法是:多晶硅懸臂梁末端的測試撓度通過設(shè)計值Λ、L1、L2進行控制，當A、B對準時，多晶硅懸臂梁末端第二凸點位置
的
【權(quán)利要求】
1.一種多晶硅薄膜材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)，其特征在于該測試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成，第一組結(jié)構(gòu)包括靜電驅(qū)動的多晶硅懸臂梁(101)、由待測薄膜材料制作的帶有對準結(jié)構(gòu)的第一非對稱十字梁(102)、由待測薄膜材料制作的第二非對稱十字梁(103);第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除第二非對稱十字梁(103)后的剩余結(jié)構(gòu)； 所述第一組結(jié)構(gòu)的多晶硅懸臂梁(101)由第一錨區(qū)(101-1)、細長梁(101-2)、作為上電極的寬梁(101-3)、細短梁(101-4)自左向右連接而成，在寬梁(101-3)的下表面是矩形下電極(101-7)，寬梁(101-3)和下電極(101-7)之間是空氣層；在細短梁(101-4)的下表面有第一凸點(101-5)、第二凸點(101-6)分別作為第二非對稱十字梁(103)和第一非對稱十字梁(102)的施力點； 所述第一組結(jié)構(gòu)中的第一非對稱十字梁(102)由第四錨區(qū)(102-2)、第五錨區(qū)(102-3)、第一豎直短梁(102-4)、兩根不同長度的左邊長梁(102-1)、右邊長梁(102-5)以及一個對準結(jié)構(gòu)組成；其中，第一豎直短梁(102-4)的兩端分別與第四錨區(qū)(102-2)、第五錨區(qū)(102-3)相連，在第一豎直短梁(102-4)中心位置的左右兩邊設(shè)有左邊長梁(102-1)和右邊長梁(102-5)，從第一豎直短梁(102-4)的中心到第二凸點(101-6)的長度為L2，從豎直短梁(102-4)的中心到第二豎直短梁(102-6)B邊的長度為LI，LI大于L2 ;在右邊長梁(102-5)的右端連接一個對準結(jié)構(gòu)，對準結(jié)構(gòu)由第二豎直短梁(102-6)、第三豎直短梁(102-8)和第六錨區(qū)(102-7)構(gòu)成，其中第二豎直短梁(102-6)連接在右邊長梁(102-5)的右端，成垂直關(guān)系，第三豎直短梁(102-8) —端與第六錨區(qū)(102-7)相連；對準結(jié)構(gòu)的對準邊為第三豎直短梁(102-8)的A邊和第二豎直短梁(102-6)的B邊，A、B邊有一個微小的距離Λ，第一非對稱十字梁(102)的水平軸線和多晶硅懸臂梁(101)的水平軸線重合； 所述第一組結(jié)構(gòu)的第二非對稱十字梁(103)由第二錨區(qū)(103-2)、第三錨區(qū)(103-3)、第一水平短梁(103-4)、上半豎直長梁(103-1)、下半豎直長梁(103-5)以及一個對準結(jié)構(gòu)組成，其中，第一水平短 梁(103-4)的左右端分別與第二錨區(qū)(103-2)、第三錨區(qū)(103-3)相連，在第一水平短梁(103-4)中心位置的上下兩邊分別設(shè)有上半豎直長梁(103-1)以及下半豎直長梁(103-5);其中，從第一水平短梁(103-4)的中心線到第二水平短梁(103-6)的長度也為LI，上半豎直長梁(103-1)的自由端位于多晶硅懸臂梁(101)的右邊第一凸點(101-5)之下；下部的下半豎直長梁(103-5)的長度長于上半豎直長梁(103-1)，在下半豎直長梁(103-5)的下端有一個對準結(jié)構(gòu)，對準結(jié)構(gòu)由兩個平行的第二水平短梁(103-6)、第三水平短梁(103-8)第七錨區(qū)(103-7)構(gòu)成，其中第二水平短梁(103-6)連接在下半豎直長梁(103-5)的下端，成垂直關(guān)系，第三水平短梁(103-8)和第七錨區(qū)(103-7)連接，對準邊為第三水平短梁(103-8)的A邊和第二水平短梁(103-6)的B邊，A、B邊有一個微小的設(shè)計距離Λ，第一水平短梁(103-4)的中心到第二水平短梁(103-6)的B邊長度為LI，第二非對稱十字梁(103)與多晶硅懸臂梁(101)垂直放置。
2.一種如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)的測試方法，其特征在于多晶硅懸臂梁(101)末端的測試撓度通過設(shè)計值Λ、L1、L2進行控制，當A、B對準時，多晶硅懸臂梁(ιο?)末端第二凸點(101-6)位置的撓度=Jj^lzi￡z^Lxi/7.LI… 利用第一組結(jié)構(gòu)和第二組結(jié)構(gòu)相同部分在相同的測試撓度下受力相同的原理，提取出驅(qū)動多晶硅懸臂梁(101)末端達到測試撓度時所需要的靜電力， 所述第一組結(jié)構(gòu)在測試撓度下的靜電力Fl包含了三部分:多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；第一非對稱十字梁(102)扭轉(zhuǎn)所需要的力；第二非對稱十字梁(103)扭轉(zhuǎn)所需要的力， 所述第二組結(jié)構(gòu)在測試撓度下的靜電力F2包括了兩部分:多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；第一非對稱十字梁(102)扭轉(zhuǎn)所需要的力， 2倍的F2減去Fl即為 多晶硅懸臂梁(101)彎曲到測試撓度所需要的力。
【文檔編號】G01N3/00GK104034574SQ201410243632
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】李偉華, 王雷, 張璐, 周再發(fā) 申請人:東南大學