薄膜材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種薄膜材料楊氏模量的測試結(jié)構(gòu)及方法，該測試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成。所述第一組結(jié)構(gòu)中的由待測薄膜材料制作的懸臂梁(103)由錨區(qū)(103-2)和長梁(103-1)連接而成，長梁(103-1)和多晶硅懸臂梁(101)垂直，長梁(103-1)的自由端位于多晶硅懸臂梁(101)的左邊第一凸點(101-5)之下；將力的加載驅(qū)動部分和待測薄膜材料制作的楊氏模量測試結(jié)構(gòu)分開，通過幾何參數(shù)設計控制測試結(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待測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)提取的計算方法極其簡單，適應性廣，可以用于測試導電或絕緣薄膜材料的楊氏模量。
【專利說明】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]微機電系統(tǒng)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，將使得器件設計與性能預測出現(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)反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設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，薄膜材料是結(jié)構(gòu)材料的主體材料。目前大多數(shù)的材料參數(shù)在線測試結(jié)構(gòu)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(xiàn)測試信號的直接加載和電檢測。

【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)，用于測量薄膜材料的楊氏模量。測試結(jié)構(gòu)由兩組結(jié)構(gòu)組成:其中一組用于測量基準數(shù)據(jù)，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定彎曲撓度時所施加力的大?。涣硪唤M用于測量在同樣彎曲撓度條件下，加入楊氏模量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)該值和彎曲撓度并根據(jù)測試結(jié)構(gòu)的幾何尺寸即可計算得到該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)為一個由待測薄膜材料制作的懸臂梁。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)形成作用力源。采用由待測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，該十字梁的豎直短梁作為轉(zhuǎn)軸，豎直短梁的兩端和錨區(qū)連接，在豎直短梁中心位置的兩邊各有一根水平長梁，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(jié)構(gòu)，對準結(jié)構(gòu)由兩部分組成:垂直連接在十字梁右邊水平長梁上的豎直短梁和連接在錨區(qū)上的豎直短梁。
[0007]將待測薄膜材料制作的懸臂梁的末端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(chǎn)生的靜電力下拉多晶硅懸臂梁，并同時使待測薄膜材料制作的懸臂梁的末端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(jié)構(gòu)對準時驅(qū)動結(jié)束。此時，靜電力的大小包括三部分力:驅(qū)動多晶硅懸臂梁下彎所需要的力；十字梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)所需要的力；由待測薄膜材料制作的懸臂梁下彎的所需要的力。
[0008]去掉用于實際測量楊氏模量的待測薄膜材料制作的懸臂梁，僅留下多晶硅懸臂梁和十字梁形成另一組測試結(jié)構(gòu)，采用同樣的靜電驅(qū)動方法使多晶硅懸臂梁達到同樣的撓度，根據(jù)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。
[0009]將兩次測量的靜電力相減，靜電力的差即為驅(qū)動待測薄膜材料制作的懸臂梁達到設定撓度所需要的力。由該力的大小和撓度以及懸臂梁幾何尺寸即可計算得到待測薄膜材料的楊氏模量。
[0010]根據(jù)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出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)的非對稱十字梁、由待測薄膜材料制作的單端固支梁；第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除固支梁后的剩余結(jié)構(gòu)；
[0011]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、第二凸點分別作為固支梁和十字梁的施力點； [0012]所述第一組結(jié)構(gòu)中的固支梁由第二錨區(qū)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；
[0013]所述第一組結(jié)構(gòu)中的十字梁由第四錨區(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部與第四錨區(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LI，LI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，十字梁的水平軸線和多晶硅懸臂梁的水平軸線重合。
[0014]本發(fā)明的測量薄膜材料楊氏模量的測試結(jié)構(gòu)是:利用第一組結(jié)構(gòu)和第二組結(jié)構(gòu)相同部分在相同測試撓度下受力相同的原理，提取出驅(qū)動固支梁中心達到測試撓度時所需要的靜電力；
[0015]所述的固支梁，其中心的測試撓度通過設計距離Λ、L1、L2進行控制，當A、B對準
時，固支梁中心的第二凸點位置的撓度
【權(quán)利要求】
1.一種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)的非對稱十字梁(102)、由待測薄膜材料制作的單端固支梁(103);第二組結(jié)構(gòu)是第一組結(jié)構(gòu)去除固支梁(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)分別作為固支梁(103)和十字梁(102)的施力占.所述第一組結(jié)構(gòu)中的由待測薄膜材料制作的懸臂梁(103)由錨區(qū)(103-2)和長梁(103-1)連接而成，長梁(103-1)和多晶硅懸臂梁(101)垂直，長梁(103-1)的自由端位于多晶硅懸臂梁(101)的左邊第一凸點(101-5)之下； 所述第一組結(jié)構(gòu)中的十字梁(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)的中心到豎直梁(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，十字梁(102)的水平軸線和多晶硅懸臂梁(101)的水平軸線重合。
2.一種如權(quán)利要求1所述的薄膜材料楊氏模量測試結(jié)構(gòu)的測試方法，其特征在于，利用第一組結(jié)構(gòu)和第二組結(jié)構(gòu)相同部分在相同測試撓度下受力相同的原理，提取出驅(qū)動固支梁(103)中心達到測試撓度時所需要的靜電力； 所述的固支梁(103)，其中心的測試撓度通過設計距離Λ、L1、L2進行控制，當A、B對準時，固支梁(103)中心的第二凸點(101-6)位置的撓度
【文檔編號】G01N3/08GK104034584SQ201410243633
【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