绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比测试结构及方法
【专利摘要】本发明是一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比的测试结构及方法。该测试结构由两组结构构成，其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)、一个薄膜硅十字梁(103)和一个由薄膜硅制作的垫板(102)组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁和一个薄膜硅制作的垫板组成；实际测量薄膜硅泊松比的单元是薄膜硅十字梁，而两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅十字梁，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。施加静电力使多晶硅悬臂梁下弯并进而下压薄膜硅十字梁和垫板接触衬底。通过两组测试结构的测试提取出单独驱动薄膜硅十字梁扭转到测试角度所需要的力，由力、测试角度、杨氏模量和几何尺寸可以计算得到绝缘衬底上薄膜硅材料的泊松比。
【专利说明】绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比测试结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试【技术领域】。
【背景技术】
[0002]微机电器件的性能与材料参数有密切的关系，由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。材料力学性能的物理参数主要包括杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等。
[0003]在MEMS【技术领域】内，绝缘衬底上的硅膜(一种SOI材料)是一种常用的衬底材料，主要由三层材料叠合而成，自下而上为大衬底，绝缘层(通常为二氧化硅)，硅膜层。这类SOI材料通常采用两类方法制造:注氧和键合。注氧SOI材料所形成的硅膜比较薄，大约为几百纳米，键合形成的SOI材料上的硅膜相对注氧结构要厚一些，几微米到几十微米。SOI材料中的绝缘层主要是二氧化硅，其中注氧形成的二氧化硅通常只有几十纳米，键合形成SOI的二氧化硅则相对厚一些，厚度范围也大一些。这些二氧化硅常作为制作MEMS器件的牺牲层，即这层二氧化硅在结构下的部分最终将被腐蚀掉，这样，上层硅膜所制作的结构可以做离面或面内运动。不论是注氧工艺还是键合工艺，都将在上面的硅膜中形成应力。绝缘衬底上的硅膜为单晶硅薄膜，其薄膜材料的力学参数和晶向有关。采用绝缘衬底上的薄膜硅所制作的MEMS器件通常是离面运动形式，而绝缘衬底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面内运动形式。
[0004]目前大多数微机电材料参数在线测试结构主要是测量微机械表面加工工艺所制作的薄膜材料，如各层多晶硅、金属层等。随着绝缘衬底上的硅膜材料在MEMS加工中越来越多的得到应用，对于绝缘衬底上硅膜材料的杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等力学参数的在线测量需求越来越大。
[0005]本发明提供了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比的测试结构。测试结构由两组结构构成。其中第一组由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅十字梁、一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组由一个多晶硅悬臂梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成。实际测量薄膜硅杨氏模量的单元是薄膜硅十字梁，而两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅十字梁，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。施加静电力使多晶硅悬臂梁下弯并进而下压薄膜硅十字梁和垫板接触衬底。通过两组测试结构的测试提取出单独驱动薄膜硅十字梁扭转到测试角度所需要的力，由力、测试角度、杨氏模量和几何尺寸可以计算得到绝缘衬底上薄膜硅材料的泊松比。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。
【发明内容】
:[0006]技术问题:测量材料的泊松比通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或扭转的角度。本发明提出了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比的测试结构及方法，用于测量绝缘衬底上薄膜硅材料的泊松比。利用两组测试单元提取出泊松比测量单元所受到的力的大小，利用SOI材料中二氧化硅层的厚度设置泊松比测量单元受力扭转的角度。
[0007]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0008]测试结构由两组单元组成:其中一组用于测量包含了薄膜硅泊松比测量单元的结构产生一定上下位移时所施加力的大小；另一组用于测量在同样位移条件下，去除薄膜硅的泊松比测量单元后所需要施加的力的大小。将两次所施加的力相减，得到在薄膜硅的泊松比测量单元上实际受到的力值，根据该值和设计的扭转角度并结合测试结构的几何参数、物理参数，即可计算得到该绝缘衬底上薄膜硅材料的泊松比。另一方面，由于SOI材料制作的MEMS结构在牺牲层腐蚀时很容易使结构的锚区受到钻蚀，使锚区的强度受到影响，必须对其进行加固。
[0009]实际测试绝缘衬底上的薄膜硅材料泊松比的单元，为一个由该薄膜硅材料制作的十字梁；驱动薄膜硅十字梁发生扭转的作用力源是一个利用静电驱动的多晶硅悬臂梁；扭转角度由SOI中二氧化硅层厚度决定，也即当薄膜硅十字梁扭转到一端接触到大衬底时测试结束。
[0010]根据上述技术方案，本发明提出了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比的测试结构。该测试结构由两组结构构成，其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅十字梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁和一个薄膜硅制作的垫板组成；
[0011]所述第一组测试结构的多晶硅悬臂梁由第一锚区、细长梁、作为上电极的宽梁、细短梁和下电极组成，自左向右，第一锚区、细长梁、宽梁和细短梁依次连接，下电极位于作为上电极的宽梁之下，宽梁和下电极之间是空气层，在细短梁的下部设有第一凸点、第二凸点，分别作为对于薄膜硅十字梁和垫板的施力点；
[0012]所述第一组结构中由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅十字梁包括第二锚区、第三锚区、被该两个锚区连接的作为扭转梁的水平短梁和上竖直长梁、下竖直长梁组成，上竖直长梁、下竖直长梁与多晶硅悬臂梁垂直，上竖直长梁的上自由端位于多晶硅悬臂梁中细短梁的左边第一凸点之下；
[0013]所述第一组测试结构中的垫板包括矩形板、两个支撑矩形板的第一折叠梁、第二折叠梁、分别连接第一折叠梁、第二折叠梁的第四锚区、第五锚区；垫板材料与薄膜硅十字梁相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板的中心位于多晶硅悬臂梁中细短梁的右边第二凸点之下；
[0014]所述第二组测试结构中的多晶硅悬臂梁和垫板的几何形状、尺寸以及相对位置均与第一组的多晶硅悬臂梁和垫板相同。
[0015]所述的第二锚区、第三锚区、第四锚区、第五锚区均采用加固结构，即在这些锚区之上设有一层包裹材料，包裹材料覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅层区域，包裹材料图形大于锚区的部分直接生长在SOI材料中的二氧化硅层上。
[0016]本发明的绝缘衬底上的薄膜硅材料泊松比测试结构的测试方法是:[0017]利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同测试位移下受力相同的原理，提取出驱动绝缘衬底上薄膜硅材料制作的十字梁绕水平短梁扭转到测试角度时所需要的静电力，
[0018]由绝缘衬底上薄膜硅制作的十字梁绕水平短梁扭转的测试角度为:
【权利要求】
1.一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料泊松比的测试结构，其特征在于该测试结构由两组结构构成，其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)、一个薄膜硅十字梁(103)和一个由薄膜硅制作的垫板(102)组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)和一个薄膜硅制作的垫板(102)组成； 所述第一组测试结构的多晶硅悬臂梁(101)由第一锚区(101-1)、细长梁(101-2)、作为上电极的宽梁(101-3)、细短梁(101-4)和下电极(101-7)组成，自左向右，第一锚区(101-1)、细长梁(101-2)、宽梁(101-3)和细短梁(101-4)依次连接，下电极(101-7)位于作为上电极的宽梁(101-3)之下，宽梁(101-3)和下电极(101-7)之间是空气层，在细短梁(101-4)的下部设有第一凸点(101-5)、第二凸点(101-6)，分别作为对于薄膜硅十字梁(103)和垫板(102)的施力点； 所述第一组结构中由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅十字梁(103)包括第二锚区(103-2)、第三锚区(103-3)、被该两个锚区连接的作为扭转梁的水平短梁(103-4)和上竖直长梁(103-1)、下竖直长梁(103-5)组成，上竖直长梁(103-1)、下竖直长梁(103-5)与多晶硅悬臂梁(101)垂直，上竖直长梁(103-1)的上自由端位于多晶硅悬臂梁(101)中细短梁(101-4)的左边第一凸点(101-5)之下； 所述第一组测试结构中的垫板(102)包括矩形板(102-1)、两个支撑矩形板(102-1)的第一折叠梁(102-2)、第二折叠梁(102-3)、分别连接第一折叠梁(102-2)、第二折叠梁(102-3)的第四锚区(102-4)、第五锚区(102-5);垫板(102)材料与薄膜硅十字梁(103)相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板(102-1)的中心位于多晶硅悬臂梁(101)中细短梁(101-4)的右边第二凸点(101-6)之下； 所述第二组测试结构中的多晶硅悬臂梁(101)和垫板(102)的几何形状、尺寸以及相对位置均与第一组的多晶硅悬臂梁(101)和垫板(102)相同。
2.根据权利要求1所述的绝缘衬底上的薄膜硅材料泊松比测试结构，其特征在于所述的第二锚区(103-2)、第三锚区(103-3)、第四锚区(102-4)、第五锚区(102-5)均采用加固结构，即在这些锚区之上设有一层包裹材料(203)，包裹材料(203)覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅层(201)区域，包裹材料(203)图形大于锚区的部分直接生长在SOI材料中的二氧化硅层(201)上。
3.—种如权利要求1所述的绝缘衬底上的薄膜硅材料泊松比测试结构的测试方法，其特征在于: 利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同测试位移下受力相同的原理，提取出驱动绝缘衬底上薄膜硅材料制作的十字梁(103)绕水平短梁(103-4)扭转到测试角度时所需要的静电力， 由绝缘衬底上薄膜硅制作的十字梁(103)绕水平短梁(103-4)扭转的测试角度为:
(Αλa = arcsin τ，式中Λ为二氧化硅层(201)的厚度，L为十字梁中心到第一凸点(101-5)
\LJ的长度； 所述第一组结构在测试位移下的静电力Fl包含了三部分:驱动多晶硅悬臂梁(101)弯曲所需要的力；下压垫板(102)所需要的力；由待测薄膜硅材料制作的十字梁(103)扭转所需要的力， 所述第二组结构在测试位移下的静电力F2包括了两部分:驱动多晶硅悬臂梁(101)弯曲所需要的力；下压垫板(102)所需要的力， Fl减去F2即为单独驱动由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的十字梁(103)扭转到测试角度所需要的净 力。
【文档编号】G01N3/00GK104034575SQ201410243664
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】李伟华, 王雷, 张璐, 周再发 申请人:东南大学