一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的mems微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(文中簡稱MEMS)中，通過MEMS微機械加工技術(shù)制造的MEMS懸臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)力梯度測試的技術(shù)領(lǐng)域。具體來說，涉及一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)和測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力主要來源于熱應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力。各薄膜層因熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生為熱應(yīng)力；晶格失配、雜質(zhì)原子、晶界弛豫……等微觀結(jié)構(gòu)的變化所產(chǎn)生的應(yīng)力為內(nèi)應(yīng)力(也稱本征應(yīng)力)；當(dāng)材料表面不是很致密，環(huán)境中一些極性分子會吸附在空隙上，吸附的極性分子之間的互作用產(chǎn)生的應(yīng)力為外應(yīng)力。因此，在MEMS工藝過程中，不可避免地會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)沿材料厚度方向應(yīng)力分布非均勻即存在應(yīng)力梯度時，懸臂梁結(jié)構(gòu)或雙端固定的固支梁結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)被釋放后(腐蝕掉梁下層的支撐犧牲層，使梁懸置)，會出現(xiàn)離面彎曲或屈曲，直接影響著器件的性能。因此，重視MEMS結(jié)構(gòu)中應(yīng)力梯度的測試和分析并反饋之設(shè)計中，以保證設(shè)計和制造的MEMS器件具備良好的性能指標(biāo)，是非常必要的。關(guān)于應(yīng)力梯度的測試，最常見的方法是借助于精密的光學(xué)設(shè)備，利用光學(xué)干涉技術(shù)而獲知梁因應(yīng)力梯度造成的彎曲變形。但是，通過測試結(jié)構(gòu)的專門設(shè)計，往往可以降低對測試設(shè)備的要求，且便于直接從測量信號中讀取材料特性的參數(shù)。
[0003]本發(fā)明提出一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)和測量方法，通過顯微觀測和比對各被測梁兩兩間的間距變化，完成對懸臂梁彎曲情況的檢測。本測試方法只需借助一般光學(xué)顯微鏡來觀測，與常用光學(xué)干涉方法相比，降低了對觀測設(shè)備的要求，且觀測方法直觀、方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)，通過顯微觀測和多方比對釋放前后各被測梁兩兩間的間距變化，獲取應(yīng)力梯度的具體信息。同時本發(fā)明還提供了基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的具體測試方法，操作方便，
結(jié)果可靠。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、三條矩形錨區(qū)、八根被測懸臂梁和四根參考梁；
[0006]所述三條矩形錨區(qū)從左至右相互平行的依次排列，形成最左邊矩形錨區(qū)、最右邊矩形錨區(qū)、中間矩形錨區(qū)，并固定在襯底的上表面上；
[0007]所述八根被測懸臂梁和四根參考梁的長度和形狀相同，被分為完全相同的四組梁，每組梁由平行放置的兩根被測懸臂梁和一根參考梁組成，參考梁位于兩根被測懸臂梁的正中間，并且參考梁固定連接在襯底表面上；
[0008]所述四組梁的第一組梁固定在最左邊矩形錨區(qū)的右側(cè)面上，第二組梁和第三組梁分別固定在中間矩形錨區(qū)的左、右兩側(cè)面上，第四組梁固定在最右邊矩形錨區(qū)的左側(cè)面上；
[0009]所述整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對稱。
[0010]測試中，當(dāng)懸臂梁因應(yīng)力梯度的存在而產(chǎn)生向上或向下的彎曲時，通過顯微觀測各被測梁兩兩間的間距變化和比對參考梁，即可確定被測懸臂梁的彎曲程度，獲取應(yīng)力梯度信息。多組梁的多種比對，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。本測試方法與常用光學(xué)干涉方法相比，降低了對觀測設(shè)備的要求，直觀、方便。
[0011]上述基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)，其測量應(yīng)力梯度的具體步驟如下:
[0012]I)將釋放工序前、后的測試結(jié)構(gòu)分別置于光學(xué)顯微鏡下進行觀察，放大倍數(shù)根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的尺寸而定，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距直至被測結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見，分別記錄被測結(jié)構(gòu)釋放工序前后的俯視圖像；
[0013]2)觀測和分析顯微圖像，將各被測梁與相鄰的參考梁進行比對，測量釋放前后兩者的長度是否相同；相同表明無應(yīng)力梯度存在，反之存在應(yīng)力梯度，測量并記錄兩者的差；
[0014]3)觀測和分析顯微圖像，比對兩組梁中對應(yīng)梁之間的間距變化，分別測量四對梁末端之間的間距，與相鄰的參考梁末端之間的間距比對，無差異表明不存在應(yīng)力梯度，反之有應(yīng)力梯度存在，測量并記錄差異；
[0015]4)綜合2)和3)的測試結(jié)果，相互印證，合理取值，獲取更加可靠的測試結(jié)果。
[0016]有益效果:本發(fā)明通過顯微觀測各被測梁釋放前后兩兩間的間距變化來確定應(yīng)力梯度，與常用光學(xué)干涉方法相比，降低了對觀測設(shè)備的要求;設(shè)計了多組被測梁和參考梁，通過比對組內(nèi)和組間各梁之間的間距變化，獲取各方信息，相互印證使測試結(jié)果更加可靠和精確。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。
[0019]如圖1所示，一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)，襯底1、三條矩形錨區(qū) 201，202，203、八根被測懸臂梁 401-1，401-2 ； 402-1,402-2 ； 403-1,403-2 ； 404-1，404-2和四根固定在襯底上的參考梁301 ； 302-1，302-2 ； 303。
[0020]所述三條矩形錨區(qū)201，202，203從左至右相互平行的依次排列，并固定在襯底I的上表面上;所述長度相同的八根被測懸臂梁和四根參考梁被分為完全相同的四組(401-1，301，401-2)、(402-1，302-1，402-2)、(402-3,302-2,402-4)、(403-1,303,403-2)，每組由相互平行的兩根被測懸臂梁和一根參考梁組成，參考梁位于兩被測懸臂梁的正中間；所述四組梁分別固定在矩形錨區(qū)的一個側(cè)面上，其中第一組梁(401-1，301，401-2)固定在最左邊矩形錨區(qū)201的右側(cè)面上，第二組梁(402-l，302-l，402-2)和第三組梁(402-3，302-2，402-
4)分別固定在中間矩形錨區(qū)202的左右兩個側(cè)面上，第四組梁(403-l，303，403-2)固定在最右邊矩形錨區(qū)203的左側(cè)面上;所述整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對稱。
[0021]當(dāng)懸臂梁因應(yīng)力梯度的存在而產(chǎn)生向上或向下的彎曲時，通過顯微觀測和比對各被測梁兩兩間的間距變化，即可確定被測懸臂梁的彎曲程度，獲取應(yīng)力梯度信息。多組梁的多種比對，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。
[0022]上述基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)，其測量應(yīng)力梯度的具體原理和步驟如下:
[0023]I)將釋放工序前、后的測試結(jié)構(gòu)分別置于光學(xué)顯微鏡下進行觀察，放大倍數(shù)根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的尺寸而定，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距直至被測結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見，分別記錄被測結(jié)構(gòu)釋放工序前后的俯視圖像。
[0024]2)觀測和分析顯微圖像，將各被測梁4與相鄰的參考梁3進行比對，測量釋放前后兩者的長度是否相同。相同表明無應(yīng)力梯度存在，反之存在應(yīng)力梯度，測量并記錄兩者的差。
[0025]3)觀測和分析顯微圖像，比對兩組梁中對應(yīng)梁之間的間距變化，如401-1和402-1，401-2和402-2，403-1和402-3，403-2和402-4四對梁，分別測量四對梁末端之間的間距，與相鄰的參考梁對(301和302-1)、(303和302-2)末端之間的間距比對，無差異表明不存在應(yīng)力梯度，反之有應(yīng)力梯度存在，測量并記錄差異。
[0026]4)綜合2)和3)的測試結(jié)果，相互印證，合理取值，獲取更加可靠的測試結(jié)果。
[0027]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做出詳細說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底、三條矩形錨區(qū)、八根被測懸臂梁和四根參考梁； 所述三條矩形錨區(qū)從左至右相互平行的依次排列，形成最左邊矩形錨區(qū)、最右邊矩形錨區(qū)、中間矩形錨區(qū)，并固定在襯底的上表面上； 所述八根被測懸臂梁和四根參考梁的長度和形狀相同，被分為完全相同的四組梁，每組梁由平行放置的兩根被測懸臂梁和一根參考梁組成，參考梁位于兩根被測懸臂梁的正中間，并且參考梁固定連接在襯底表面上； 所述四組梁的第一組梁固定在最左邊矩形錨區(qū)的右側(cè)面上，第二組梁和第三組梁分別固定在中間矩形錨區(qū)的左、右兩側(cè)面上，第四組梁固定在最右邊矩形錨區(qū)的左側(cè)面上； 所述整個測試結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對稱。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)的測試方法，其特征在于:具體步驟如下: 1)將釋放工序前、后的測試結(jié)構(gòu)分別置于光學(xué)顯微鏡下進行觀察，放大倍數(shù)根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的尺寸而定，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距直至被測結(jié)構(gòu)的圖像清晰可見，分別記錄被測結(jié)構(gòu)釋放工序如后的俯視圖像； 2)觀測和分析顯微圖像，將各被測梁與相鄰的參考梁進行比對，測量釋放前后兩者的長度是否相同；相同表明無應(yīng)力梯度存在，反之存在應(yīng)力梯度，測量并記錄兩者的差； 3)觀測和分析顯微圖像，比對兩組梁中對應(yīng)梁之間的間距變化，分別測量四對梁末端之間的間距，與相鄰的參考梁末端之間的間距比對，無差異表明不存在應(yīng)力梯度，反之有應(yīng)力梯度存在，測量并記錄差異； 4)綜合2)和3)的測試結(jié)果，相互印證，合理取值，獲取更加可靠的測試結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于多梁比對結(jié)構(gòu)的MEMS微梁應(yīng)力梯度的測試結(jié)構(gòu)和測量方法，包括襯底、三條矩形錨區(qū)、八根被測懸臂梁和四根固定在襯底上的參考梁。所述三條矩形錨區(qū)從左至右相互平行的依次排列，并固定在襯底的上表面上；所述長度相同的八根被測懸臂梁和四根參考梁被分為完全相同的四組，每組由相互平行的兩根被測懸臂梁和一根參考梁組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心縱橫軸完全對稱。當(dāng)懸臂梁因應(yīng)力梯度的存在而產(chǎn)生向上或向下的彎曲時，通過顯微觀測和比對各被測梁兩兩間的間距變化，即可確定被測懸臂梁的彎曲程度，獲取應(yīng)力梯度信息。多組梁的多種比對，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。本測試方法降低了對觀測設(shè)備的要求，直觀、方便。
【IPC分類】G01L5/00
【公開號】CN105606283
【申請?zhí)枴緾N201610029607
【發(fā)明人】唐潔影, 王磊
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年1月15日