专利名称：Mems磁性能在线测试结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对在线微电子机械系统MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)磁性能进行测试的方法及这种方法所用的相关结构，特别是对薄膜磁学 性能测量的方法，如对MEMS的磁导率、磁化强度和矫顽力等的测量。
技术背景在设计、制造MEMS器件如微机械传感器和微执行器中，薄膜是很重要的 构件。磁性MEMS器件，作为MEMS器件发展的一个重要方向，有着广泛的应 用前景。而薄膜材料的磁学特性对这些器件的性能有很大的影响，有些器件如 高密度磁性存储器，其性能就直接依赖于薄膜的磁学性质。MEMS薄膜磁学在 线测试结构为的是能实吋监控MEMS器件的行为，是磁性MEMS器件走向自动 化的必备部分，因此有着十分重要的意义。由于体材料的磁学性质和薄膜的磁学性质具有很大的差异性，薄膜材料的 磁学性质不能用体材料的磁学性质来代替。上个世纪90年代以来，国内外的专 家学者对薄膜磁性的测量作了很多有益的探索，相继提出了各种各样的测试方法，具有代表意义的有冲击法，磁轭法，罐形磁芯法，微波法，磁秤法等。上述传统的薄膜磁性测试结构，测量的都是宏观几何尺度上的膜，不适合 于MEMS尺寸上膜的磁特性测量。因而需要提供一种新的方法测量薄膜的磁学 性质。 发明内容本发明提供一种用于MEMS薄膜磁学在线测试方法及这种方法所使用的结 构，实现MEMS薄膜磁学特性(如磁导率、磁化强度和矫顽力等)的实时测量。本发明的方法是在微电子机械系统的同一基片上且与待测微电子机械系统 旁，用与建立待测微电子机械系统相同的工艺条件建立一个陪管单元，在测量 时通过测量陪管单元的磁性能，间接得到待测系统的磁性能。本发明的方法中所建立的陪管单元中有两组线圈，在测量时给其中的一个 线圈上加电压或电流使陪管单元磁化而成为励磁线圈，另一个未加电的线圈即 成为感应线圈，通过测量励磁线圈所加电压或电流可以算出能代表待测微电子 机械系统磁场强度的对应陪管单元的磁场强度H，通过测量感应线圈感应产生 的感应电动势或感应电流可以得出能代表待测系统磁感应强度的对应陪管单元 的磁感应强度B，进而得到待测样品的磁导率、磁化强度和矫顽力等磁学参数。
本发明的测量方法所涉及的结构是在待测微电子机械系统的同一基片上用 与待测微电子机械系统相同的工艺建立起的陪管，在陪管上至少有两组独立的 线圈。本发明是采用冲击法的原理对磁学量进行测量的，该方法仍是目前国际上 公认的测试磁性材料直流参数的标准方法。冲击法测量磁场是根据电磁感应定 律，利用被测直螺线管中磁通量变化时，包围在这个磁通回路的探测线圈感应 出电动势为基础，由串联在探测回路中的冲击电流计准确地测出流过回路的瞬 时电量，借以计算相应的磁学参量的。本发明提供了一种基于冲击法原理采用陪管单元测量MEMS薄膜磁学特性 的方法，其中的陪管单元是和待测的样品在完全相同的工艺条件下(如温度、 组分和厚度等)制得的跟待测样品距离很近用于测量的单元。
附图给出本发明的结构示意，从附图的说明中，将可以更好地了解本发明的目的、结构特征和优点。其中图1为本发明实施例的整体结构图。图2为为附图1的结构放大示意图和相关的测量参数图。图3为表示本发明实施例截面图。图4为表示本发明实施例的底层线圈示意图。图5为表示本发明实施例的上层线圈示意图。图6为表示本发明矩形陪管单元结构实施例的结构示意图。图7为表示本发明圆形陪管单元结构实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明参照附图来说明本发明的优选实施例。在附图中，相同的标号表示 相同的零件和单元。参见图l，在微电子机械系统MEMS7的基片6上形成绝缘层5，在此之上 用以与建立MEMS的相同工艺建立一个供测试的陪管8。陪管测试部分8包括 陪管单元4、励磁线圈l、感应线圈2和线圈与陪管单元间的绝缘层3。陪管测 试部分8应在与样品距离较近的空间内，这一较近距离只要保证测试的陪管8 与待测MEMS间为两个独立的单元即可。如图3所示，本发明用光刻的方式制作立体线圈1和2，两线圈间不可密绕， 本发明采用间隔打孔连接的方式实现层与层间线圈的连接。穿孔要与陪管单元 有一定间隙，以实现陪管单元与线圈绝缘。以下是形成陪管的具体工艺过程 在同一基片上(一般用单晶硅)生长一层厚度为500A的绝缘层(一般为 Si02)，在上面溅射生长厚度为5000A的金属Cu层，光刻后作为立体测量线圈 的下层(形状如附图4示)，然后在生长一层厚度为500A绝缘层，用以实现测 量线圈和陪管单元电绝缘用，用阴版套刻一次以去除生长绝缘层的起伏，接着 再在同一条件下同时溅射MEMS样品薄膜和陪管单元(如附图1所示)，然后 再生长一层厚度为500A绝缘层，光刻上下连接孔，最后生长上层线圈(如附图 5示)并压焊、封装。本发明的陪管制备工艺过程，陪管单元也可以作成矩形、圆形和椭圆等形 状(如附图6和7示)，可根据需要确定之。本发明中的陪管单元上采用光刻技术制作了两组条状线圈(励磁线圈和感 应线圈)。在励磁线圈上加电压(或电流)使陪管单元磁化，由法拉第电磁感应 定律可知，会在陪管单元上的感应线圈中产生感应电动势(闭合时会有感应电 流)。通过测量励磁线圈所加电压(或电流)可以算出对应陪管单元的磁场强度 H，通过测量感应线圈感应产生的感应电动势(或感应电流)可以算出对应陪管 单元的磁感应强度B，于是就得到了陪管单元的B—H关系，进而得到样品的磁 导率、磁化强度和矫顽力等磁学参数。如单匝线圈宽为W，陪管单元宽为b，陪管单元厚度为2a，通过线圈的电 流为I，陪管单元的相对磁导率为p则理论计算得条状线圈在陪管单元中心处 产生的磁感应强度(由于厚度很小，忽略高度上对中心产生磁场)为陪管单元=,V4"2"2 (^^)当取a-ljmi， b=60pm， W=6jxm， [1=10000， (|io=47txlO-7N/A2)当单匝线圈中电 流加到0.412667mA时即可在样品中心处产生IT的磁场。由上述计算可知，本 发明的测试结构工作的电流很微弱，因而对要测量的样品影响很小，是实现样 品在线磁学特性测量的一个很好的测试结构。应该理解的是，本发明不局限于本说明书所述的具体实施例。相反，本发 明被认为覆盖了包括权利要求的构思与范围内的各种各样的修正和等效安排。
权利要求
1、测量在线微电子机械系统磁性能的方法，其特征是在微电子机械系统的同一基片上且与待测微电子机械系统旁，用与建立待测微电子机械系统相同的工艺条件建立一个陪管单元，在测量时通过测量陪管单元的磁性能，间接得到待测系统的磁性能。
2、 根据权利要求l所述的测量微电子机械系统磁性能的方法，其特征是所 建立的陪管单元中有两组线圈，在测量时给其中的一个线圈上加电压或电流使 陪管单元磁化而成为励磁线圈，另一个未加电的线圈即成为感应线圈，通过测 量励磁线圈所加电压或电流可以算出能代表待测微电子机械系统磁场强度的对 应陪管单元的磁场强度H，通过测量感应线圈感应产生的感应电动势或感应电流 可以得出能代表待测系统磁感应强度的对应陪管单元的磁感应强度B，进而得到 待测样品的磁导率、磁化强度和矫顽力等磁学参数。
3、 根据权利要求2所述的测量微电子机械系统磁性能的方法所涉及的陪管， 其特征是陪管上至少有两组相互独立的线圈。
全文摘要
本发明公开一种对在线微电子机械系统MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)磁性能进行测试的方法及这种方法所用的相关结构，特别是对薄膜磁学性能测量的方法，如对MEMS的磁导率、磁化强度和矫顽力等的测量。本发明的方法是在微电子机械系统的同一基片上且与待测微电子机械系统最近距离处，用与建立待测微电子机械系统相同的工艺条件建立一个陪管单元，在测量时通过测量陪管单元的磁性能，间接得到待测系统的磁性能。
文档编号G01R33/02GK101153895SQ200710137430
公开日2008年4月2日 申请日期2007年7月12日 优先权日2007年7月12日
发明者肃 刘, 刘林生, 李伟华, 黄庆安 申请人:兰州大学