一种高精度原位力学测试芯片及其制备方法

本发明涉及测试芯片技术领域，具体来说，涉及一种高精度原位力学测试芯片及其制备方法。

背景技术：

过去的几十年，人们对低维材料的机械力学性能产生了极大的兴趣，纳米线，碳纳米管和石墨烯等低维材料是重要的基础研究方向，这是由于它们有异于体块材料的特殊性能以及拥有独特且可定制的物理性能的潜力，包括能量收集和存储、纳米机电系统(nems)、柔性电子学和可拉伸电子学在内的各种纳米技术应用。此外，当材料特征尺寸降至微纳米量级时，其力学性能与宏观体材料具有显著不同，并且纳米材料的力学性能与其微纳米尺度的变形机制密切相关。因此，发展一种可以实现tem/sem电镜下，能够原位观察在亚埃、原子或纳米尺度下研究材料的显微结构随静、动态力学参数变化，对于提高微纳电子器件的可靠性，促进相关领域的发展具有十分重要的意义。

目前在原位mems力学测试芯片中，一般样品的应变位移量在0.5-2μm，样品力学特性的准确表征主要依赖于位移量的测量，因此位移量的高精度测量是原位力学测试芯片研究中需要解决的一个研究重点。文献中已经报道的对待测样品进行应变测量的方法主要是基于原位观察法、数字图像识别技术(dic)和传感器技术，其中原位观察法随着待测样品长度的增加其误差不断增大，而数字图像识别技术(dic)和传感器技术受限于算法设计和电路噪声的限制，且对测试环境的要求较高。另外，原位tem/sem电镜测试芯片还鲜有能够提供单轴拉伸、压缩等多种应变形式，导致可以研究的材料力学特性受限，因此对样品台区域的结构进行设计实现多种应变形式的功能，对于原位力学测试芯片也极为重要。

技术实现要素：

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于tem/sem电镜实现待测材料高精度应变检测的原位拉伸/压缩等力学测试芯片技术。同时提供该测试芯片的可大规模批量生产的标准微加工工艺制备方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种高精度原位力学测试芯片，包括位于同一平面内的热执行器、样品台、以及悬梁杠杆；样品台、悬梁杠杆均设置在热执行器上。

热执行器和样品台均为轴对称结构，且关于同一条对称轴对称；

所述样品台为环岛结构，包括矩形框结构的第一样品台、以及位于矩形框结构内的第二样品台，所述的第二样品台为矩形结构，第一样品台矩形框的一条边上向外设置有测距梳齿。

热执行器包括质量块，质量块为矩形窄平板，所述质量块位于对称轴上；

第一样品台与质量块连接，沿对称轴方向将质量块分成两部分；设置有测距梳齿的第一样品台矩形框边与质量块平行。

质量块上近第一样品台的一端与悬梁杠杆连接，悬梁杠杆的固定端连接有悬梁杠杆锚点，悬梁杠杆自由端与测距梳齿相临近，

进一步的，悬梁杠杆与悬梁杠杆锚点之间设有压阻条，压阻条和悬梁杠杆锚点的表面设置有压焊块。

进一步的，所述测距梳齿为矩形结构，垂直设置在矩形框边上。

进一步的，所述的悬梁杠杆分为三段，包括第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，第二连接杆的一端垂直连接第一连接杆的一端，第一连接杆的另一端为悬梁杠杆固定端，第二连接杆的另一端垂直连接第三连接杆的一端，第三连接杆的另一端为悬梁杠杆自由端。第一连接杆与质量块垂直连接。

另一方面，本发明提供该原位力学测试芯片的制备方法。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，测试芯片具有位移放大检测机制，由基于杠杆原理的悬梁杠杆和测距梳齿组成，利用杠杆原理可以将待测位移放大，提高位移测量精度。同时尤其特别的是将悬梁杠杆为弯折结构，使其自由端与在样品台的测距梳齿对应观察自由端位移量；弯折结构可以保证位移量观测区域与tem观测孔区域尽可能的靠近，解决实际测试工作中，二者距离过远大幅度寻找目标值的难点。

第二，测试芯片具有两种位移检测机制，分别是基于压阻效应的压阻传感器位移检测机制和基于杠杆原理的位移放大检测机制。相较于常规的压阻传感器和原位观察测距技术，基于杠杆原理的位移放大检测机制可将样品的微小应变量进行数倍放大，并与压阻传感器进行结合，可高精度实时获得样品在不同力学载荷下的应变量，极大的提高力学测试芯片的测试精度。

第三，解决现有tem/sem电镜力学测试芯片样品台性能单一的不足，将样品台设计为环岛结构，可实现待测样品的拉伸、剪切、压缩等力学测试，有别于目前原位芯片利用t型样品台的压缩机制，环岛型样品台可解决压缩过程中因非对称结构所导致的较大刚度样品出现压缩力与样品长度方向出现偏离的问题，实现了应力与应变方向的重合。

附图说明

图1为本发明实施例中测试芯片结构示意图；

图2为本发明实施例中制备方法第一步的结构剖视图；

图3是本发明实施例中制备方法第二步的结构剖视图；

图4是本发明实施例中制备方法第三步的结构剖视图；

图5是本发明实施例中制备方法第四步的结构剖视图；

图6是本发明实施例中制备方法第五步的结构剖视图；

图中：1、硅衬底；2、埋氧层；3、结构层；4、压阻条；5、压焊块；6、衬底掏空结构；

31、热执行器；311、质量块；312、热沉梁；313、v型梁；314、v型梁锚点；315、热沉梁锚点；

32、样品台；321、第一样品台；322、第二样品台；323、测距梳齿；

33、悬梁杠杆；331、第一连接杆；332、第二连接杆；333、第三连接杆；334、悬梁杠杆锚点。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的一种高精度原位力学测试芯片，包括位于同一平面内的热执行器31、样品台32、以及悬梁杠杆33；样品台32、悬梁杠杆33均设置在热执行器31上。

热执行器31和样品台32均为轴对称结构，且关于同一条对称轴对称；

所述样品台32为环岛结构，包括矩形框结构的第一样品台321、以及位于矩形框结构内的第二样品台322，所述的第二样品台322为矩形结构，位于矩形框结构的中心位置。

第一样品台321矩形框的一条边上向外设置有测距梳齿323，测距梳齿323、第一样品台321、第二样品台322均位于同一样面内；

热执行器31包括质量块311，质量块311为矩形窄平板，所述质量块311位于对称轴上；

第一样品台321与质量块311连接，沿对称轴方向将质量块311分成两部分；设置有测距梳齿323的第一样品台321矩形框边与质量块311平行。

待测样品一端搭载在第一样品台321上，另一端搭载在第二样品台322上，根据搭载的不同区域或沿不同方向搭载，可实现待测样品的拉伸、剪切、压缩力学特性测试功能。

质量块311上近第一样品台321的一端与悬梁杠杆33连接，悬梁杠杆33的固定端设置有压阻条4，压阻条4的另一端连接有悬梁杠杆锚点334，压阻条4上设置有压焊块5，同时所述压焊块5也覆盖在悬梁杠杆锚点上，用于电信号引出，悬梁杠杆33自由端与测距梳齿323相临近，所述测距梳齿323为矩形结构；

本发明具体包括有两种位移检测机制，分别是基于压阻效应的压阻传感器位移检测机制，以及基于杠杆原理的悬梁杠杆33和测距梳齿323组成的位移放大检测机制。

对于压阻传感器位移检测机制，当质量块311随热执行器31移动时，压阻条发生形变，根据压阻效应，压阻条的电阻值发生变化，通过惠斯顿电桥电路结构获得电阻随应变的变化关系从而实现位移变化量的自动检测。

对于位移放大检测机制，测距梳齿323作为标尺，梳齿均匀设置，相邻梳齿间距为1μm。利用杠杆原理可以将热执行器31位移放大，提高位移测量精度。工作状态时，悬梁杠杆33会随着热执行器31向右运动，带动自由端向右运动，运动的位移量通过杠杆原理，使得悬梁杠杆33自由端按比例放大位移运动量，通过观察自由端运动经过的梳齿数量，读出自由端位移量；然后计算可知第一样品台321的位移量，即样品被拉伸、剪切或压缩的位移量。

悬梁杠杆33自由端与测距梳齿323，距离tem观测孔距离大约10-50μm。

所述的悬梁杠杆33分为三段，包括第一连接杆331、第二连接杆332和第三连接杆333，第二连接杆332的一端垂直连接第一连接杆331的一端，第一连接杆331的另一端为悬梁杠杆33固定端，第二连接杆332的另一端垂直连接第三连接杆333的一端，第三连接杆333的另一端为悬梁杠杆33自由端。第一连接杆331与质量块311垂直连接。

所述热执行器31还包括热沉梁312、v型梁313、设置在v型梁313两端的v型梁锚点314以及设置在热沉梁312两端的热沉梁锚点315；热沉梁312、v型梁313均与质量块311连接，并关于质量块311对称；v型梁313两端的v型梁锚点314上均设置有压焊块5。

一种高精度原位力学测试芯片还包括硅衬底1，及设置在硅衬底1上的埋氧层2，热执行器31通过v型梁锚点314以及热沉梁锚点315与埋氧层2连接，第二样品台322与埋氧层2固定连接，悬梁杠杆33通过悬梁杠杆锚点334与埋氧层2连接。环岛样品台32除第二样品台322外的区域下方有衬底掏空结构6，衬底掏空结构6为圆形tem观测孔，直径约为2-10μm数量约为10-30个。

具体使用方法：使用压焊技术将电极引线压焊块5连接到外界测试电路中，先对芯片进行空载实验，将原位观察、基于悬梁杠杆33和测距梳齿323的静动梳齿检测和基于压阻传感器三种检测机制的位移检测数据变化进行联立、并得出其间的换算关系。利用fib、pdms等转移技术将待测样品的两端分别放在第一样品台321和第二样品台322上，当样品沿质量块311方向放置时，可以对被测样品进行拉伸或压缩操作，当样品沿垂直于质量块311方向放置时，可以对被测样品进行剪切测试，在热执行器31上下电极处施加直流电压激励，进行水平拉伸、压缩和剪切测试，并原位观察样品的显微结构，待测样品应变可通过测试具有位移放大机制的静动梳齿检测或压阻传感器并由换算关系获得。

上述结构的测试芯片的制备方法，包括以下步骤：

第一步：如图2所示，采用光刻、掺杂工艺在soi晶片上形成压阻条4；所述soi晶片从上到下依次包括硅器件层3、埋氧层2和硅衬底1；

第二步：如图3所示，采用光刻、电子束蒸发工艺在结构层3上制备50/250nm厚的ti/au压焊块5，所述压焊块5具体位于v型梁锚点314、压阻条4以及悬梁杠杆锚点上；

第三步：如图4所示，采用光刻、反应离子刻蚀工艺在结构层3制备出热执行器31、样品台32、悬梁杠杆33、以及与悬梁杠杆33连接的锚点；

第四步：如图5所示，采用湿法腐蚀工艺腐蚀所述测试芯片除锚点与第二样品台322外下方的埋氧层2；所述锚点包括热沉梁锚点315、v型梁锚点314、悬梁杠杆锚点334；

第五步：如图6所示，采用光刻、深反应离子刻蚀工艺将tem观测区域下方的衬底1和埋氧层2刻穿，形成衬底掏空结构6，作为tem观测窗口，完成以单晶硅为结构层3的力学测试芯片结构的制备。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。