一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构的制作方法
【专利摘要】一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，包括衬底、两块下极板和上极板、直角梁和两个锚区；下极板沉积于衬底上表面；两个锚区置于衬底上；上极板悬置在下极板上方，直角梁以上极板为轴分为完全对称的两部分，每一部分包括两个直角边，其中一个直角边连接上极板的一侧，另一个直角边固定在一个锚区侧面；上极板与直角梁位于同一平面，该平面与衬底所在平面平行；两块下极板与上极板之间分别形成平板电容C1和C2。结构层残余应力在引起上极板的平移后，电容C1和C2会发生变化，通过MEMS电容常规测试，即可获取残余应力的具体信息。本发明通过简单的电容结构，实现了表面微机械加工过程中产生的残余应力的测试，且成本低廉，易于操作。
【专利说明】—种电容式表面微机械加工残余应力测试结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种表面微机械加工残余应力测试领域，尤其是一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构。
【背景技术】
[0002]MEMS 是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)的缩写。MEMS 把电子技术与机械特性有机地结合了起来，通过悬浮结构的运动可以同时实现物理、化学、生物等方面的功能。MEMS的加工方法有很多种，表面微机械加工工艺是常用方法之一，通过在硅片上连续生长功能层、结构层、牺牲层的工艺来制作微机械结构，利用选择性腐蚀去除结构层下面的牺牲层，得到悬浮于衬底表面附近的微结构。
[0003]但是，在表面微机械加工过程中不可避免地会产生残余应力，过大的残余应力会造成薄膜结构破裂或变形。因此，必须重视残余应力的测试和分析，并反馈之设计中，以保证设计和制造的MEMS器件具备良好的性能指标。如何在不增加多少成本的情况下，完成残余应力的测试工作，成为了研究工作需要解决的问题。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了客服现有技术的不足，本发明提供了结构简单，易于操作的一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，以及时检测表面微机械加工过程中产生的残余应力。
[0005]技术方案:一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，包括衬底、两块下极板和上极板、直角梁和两个锚区；所述下极板沉积于衬底上表面；所述两个锚区置于衬底上；上极板悬置在下极板上方，所述直角梁以上极板为轴分为完全对称的两部分，每一部分包括两个直角边，其中一个直角边连接上极板的一侧，另一个直角边固定在一个锚区侧面；上极板与直角梁位于同一平面，该平面与衬底所在平面平行；
[0006]两块下极板分别有一部分延伸出上极板的覆盖范围，两块下极板被上极板遮蔽的面积相同；两块下极板与上极板之间分别形成平板电容Cl和C2。延伸出上极板的覆盖范围，使得结构层残余应力在引起上极板的平移后，电容Cl和C2会发生变化，通过MEMS电容常规测试，即可获取残余应力的具体信息。
[0007]下极板材料为掺杂多晶硅，表面涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为二氧化硅；两块下极板为两个完全相同的矩形。
[0008]有益效果:通过简单的电容结构，实现了表面微机械加工过程中产生的残余应力的测试，且成本低廉，易于操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明的结构示意图
[0010]图2为衬底顶面示意图【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0012]结合图1和图2所示，一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，包括衬底1、两块下极板2和上极板3、直角梁4和锚区5 ;所述下极板2沉积于衬底I上表面；两个锚区5置于衬底I上。
[0013]上极板3悬置在下极板2上方，所述直角梁4以上极板3为轴分为完全对称的两部分，每一部分包括两个直角边，其中一个直角边41连接上极板3的一侧，另一个纵直角边42固定在一个锚区5侧面；上极板3与直角梁4位于同一平面，该平面与衬底I所在平面平行；
[0014]两块下极板2为两个完全相同的矩形，每个下极板2分别有一部分延伸出上极板3的覆盖范围，两块下极板2被上极板3遮蔽的面积相同；
[0015]两块下极板2与上极板3之间分别形成平板电容Cl和C2，在残余应力作用下，通过测试Cl和C2变化，达到测量目的。
[0016]该测量结构的制备采用常规的MEMS表面加工工艺。例如，衬底I的材料可用单晶硅、牺牲层可用磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅等常用材料；结构层(即上极板3和直角梁4)可用掺杂的多晶硅，常采用湿法腐蚀的方法去除牺牲层而释放出结构层。下极板为掺杂多晶硅，且表面沉积一层薄介质层，可以是SiN等常用材料。为了测试时能够方便的分辨出电容Cl和C2，加工中可以在衬底处添加标记。需要指出的是，以上材料的选择不仅限于提到的优选材料，也可选择金属工艺。此处下极板也可以选择金属材料，优选金或铝，因为上下极板材料相同，上极板若选择掺杂的多晶娃，则下极板也选择掺杂的多晶娃；若上极板选择金属材料，则下极板也选择金属材料。
[0017]表面微机械加工必须在衬底上生长牺牲层、结构层等，其中淀积、退火等工艺过程中的温度变化不可避免地使结构层产生残余应力。若残余应力为张应力，结构层释放后会产生收缩；而残余应力为压应力，结构层释放后会产生伸展。利用这种结构变化造成的电容变化，可对残余应力进行测试。测试方法如下:
[0018](为了方便辨别，分别标示图1中相对位于上方的下极板A为21，下方的下极板为B22)
[0019]I)存在张应力时，直角梁4中的纵直角边42发生收缩，长度变短，所形成的力矩拉动上极板3向后方移动。这时，上极板3与上方的下极板A21间的对应面积减小，但上极板3与下方的下极板B22间的对应面积增大，电容Cl小于C2。
[0020]2)存在压应力时，直角梁4中的纵直角边42发生伸展，长度变长，所形成的力矩推动上极板3向前方移动。这时，上极板3与上方的下极板A21间的对应面积增大，但上极板3与下方的下极板B22间的对应面积减小，电容Cl大于C2。
[0021]3)表面微机械加工未产生残余应力时，释放后结构层长度不变，上极板3不发生明显移动，这时，电容Cl基本等于电容C2。
[0022]因此，利用所述测试结构，分别测量电容Cl和C2的大小，并加以比较，则可推测上极板3因释放而发生平移的方向和距离，进而判断出结构层残余应力的性质及大小。
[0023]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:包括衬底(I)、两块下极板(2)和上极板(3)、直角梁(4)和两个锚区(5)； 所述下极板(2)沉积于衬底(I)上表面； 所述两个锚区(5 )置于衬底(I)上； 所述上极板(3)悬置在下极板(2)上方，所述直角梁(4)以上极板(3)为轴分为完全对称的两部分，每一部分包括两个直角边，其中一个直角边(41)连接上极板(3)的一侧，另一个纵直角边(42)固定在一个锚区(5)侧面；上极板(3)与直角梁(4)位于同一平面，该平面与衬底(I)所在平面平行； 所述两块下极板(2)分别有一部分延伸出上极板(3)的覆盖范围，两块下极板(2)被上极板(3)遮蔽的面积相同； 两块下极板(2)与上极板(3)之间分别形成平板电容Cl和C2。
2.如权利要求1所述的一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述下极板(2 )上涂覆有介质薄层，该介质薄层材料为氮化硅。
3.如权利要求1所述的一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述下极板(2 )材料为掺杂多晶硅。
4.如权利要求1所述的一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述两块下极板(2)为两个完全相同的矩形。
5.如权利要求1所述的`一种电容式表面微机械加工残余应力测试结构，其特征在于:所述下极板(2)和上极板(3)的材料相同。
【文档编号】G01L1/14GK103604536SQ201310618847
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】唐洁影, 王磊, 蒋明霞 申请人:东南大学