薄膜材料泊松比測試結構及方法

2023-05-12 06:47:36 1

薄膜材料泊松比測試結構及方法
【專利摘要】本發明提出了一種薄膜材料泊松比的測試結構及方法，測試結構中，第一組結構包括靜電驅動的多晶矽懸臂梁(101)、由待測薄膜材料製作的帶有對準結構的非對稱十字梁(102)、由待測薄膜材料製作的對稱十字梁(103)；第二組結構是第一組結構去除對稱十字梁後的剩餘結構；對稱十字梁由第二錨區(103-2)、第三錨區(103-3)、水平短梁(103-4)、上半豎直長梁(103-1)以及下半豎直長梁(103-5)組成，將力的加載驅動部分和待測薄膜材料製作的泊松比測試結構分開，通過幾何參數設計控制泊松比測試結構的測試扭轉角，通過兩組測試結構的相同部分受力相同的原理提取出泊松比測試結構所受到的力，利用力和扭轉角計算得到待測薄膜材料的泊松比。
【專利說明】薄膜材料泊松比測試結構及方法
【技術領域】
[0001]本發明提供了一種薄膜材料泊松比的測試結構。屬於微機電系統(MEMS)材料參數測試【技術領域】。
【背景技術】
[0002]微機電系統的性能與材料參數有密切的關係。由於加工過程的影響，一些材料參數將產生變化，這些由加工工藝所導致的不確定因素，將使得器件設計與性能預測出現不確定和不穩定的情況。材料參數測試目的就在於能夠實時地測量由具體工藝製造的微機電器件材料參數，對工藝的穩定性進行監控，並將參數反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環境並採用通用設備進行的測試成為工藝監控的必要手段。材料力學性能的物理參數主要包括楊氏模量、泊松比、殘餘應力、斷裂強度等。
[0003]在微機電器件結構中廣泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微機械結構中，薄膜材料是結構材料的主體材料。目前大多數的材料參數在線測試結構都是針對導電材料，例如摻雜單晶矽、摻雜多晶矽以及金屬等。對於絕緣材料，例如氮化矽、二氧化矽以及被二氧化矽所包裹的單晶矽或多晶矽，由於這些材料具有絕緣特性，不易實現測試信號的直接加載和電檢測。

【發明內容】
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[0004]技術問題:測量材料的泊松比通常需要知道結構受力大小和結構受力所產生的形變或扭轉角。本發明提出了一種測試結構，用於測量薄膜材料的泊松比。測試結構由兩組結構組成:其中一組用於測量基準數據，即結構產生一定扭轉時所施加力的大小；另一組用於測量在同樣扭轉角度下，加入泊松比測試單元後所需要施加的力的大小。將兩次所施加的力相減，得到在泊松比測試結構上實際受到的力值，根據該值和扭轉角並根據測試結構的幾何尺寸即可計算得到該薄膜材料的泊松比。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明採用的技術方案是:
[0006]實際測試泊松比的結構為一個由待測薄膜材料製作的對稱十字梁(以下簡稱對稱十字梁)。利用靜電驅動的多晶矽懸臂梁(以下簡稱為多晶矽懸臂梁)形成作用力源。採用由待測薄膜材料製作的帶對準結構的非對稱十字梁(以下簡稱為非對稱十字梁)作為扭轉角測量單元。該非對稱十字梁的豎直短梁作為轉軸，豎直短梁的兩端和錨區連接，在豎直短梁中心位置的兩邊各有一根水平長梁，兩根水平長梁的長度不同，目的是利用比例放大原理提高測量精度，在較長的長梁末端設置一個對準結構，對準結構由兩部分組成:垂直連接在非對稱十字梁右邊水平長梁上的豎直短梁和連接在錨區上的豎直短梁。非對稱十字梁實際上是一個兩邊不對稱的蹺蹺板結構，當蹺蹺板一端被壓下，另一端必然翹起，翹起一端的投影長度縮短，使位於翹起端末的對準結構的兩個對準線發生相對運動，被壓下的一端下壓的越多，對準線越靠近，直至對準。
[0007]對稱十字梁和非對稱十字梁垂直放置。將對稱十字梁的豎直長梁一端和非對稱十字梁較短的長梁末端同時置於多晶矽懸臂梁末端之下，通過施加電壓而產生的靜電力下拉多晶矽懸臂梁，並同時使對稱十字梁的豎直長梁末端和非對稱十字梁較短長梁的末端向下運動，兩個十字梁以短梁為軸發生扭轉，當位於非對稱十字梁中較長的長梁末端的對準結構對準時驅動結束,這是達到了設計的扭轉角。所施加的靜電力的大小包括三部分力:驅動多晶矽懸臂梁下彎到測試撓度所需要的力；對稱十字梁發生扭轉所需要的力；非對稱十字梁發生扭轉所需要的力。
[0008]去掉用於實際測量泊松比的對稱十字梁，僅留下多晶矽懸臂梁和非對稱十字梁形成另一組測試結構，採用同樣的靜電驅動方法使多晶矽懸臂梁達到同樣的測試撓度，同時，非對稱十字梁達到設定的測試扭轉角，根據所施加的電壓大小和撓度的大小計算得到此時的靜電力。此時靜電力的大小包括兩部分力:驅動多晶矽懸臂梁下彎所需要的力；非對稱十字梁發生扭轉所需要的力。
[0009]將兩次測量的靜電力相減，靜電力的差即為驅動對稱十字梁達到設定扭轉角時所需要的力。由該力的大小、扭轉角以及對稱十字梁的幾何尺寸即可計算得到待測薄膜材料的泊松比。
[0010]根據上述技術方案，本發明提出了一種測量薄膜材料泊松比的測試結構。該測試結構由兩組結構組成，第一組結構包括靜電驅動的多晶矽懸臂梁、由待測薄膜材料製作的帶有對準結構的非對稱十字梁、由待測薄膜材料製作的對稱十字梁；第二組結構是第一組結構去除對稱十字梁後的剩餘結構；
[0011]所述第一組結構的多晶矽懸臂梁由第一錨區、細長梁、作為上電極的寬梁、細短梁自左向右連接而成，在寬梁的下表面是矩形下電極，寬梁和下電極之間是空氣層；在細短梁的下表面有第一凸點、第二凸點分別作為對稱十字梁和非對稱十字梁的施力點；
[0012]所述第一組結構的對稱十字梁由第二錨區、第三錨區、水平短梁、上半豎直長梁以及下半豎直長梁組成，其中，水平短梁的左右端分別與第二錨區、第三錨區相連，在水平短梁中心位置的上下兩邊分別設有上半豎直長梁以及下半豎直長梁；其中，從水平短梁的中心線到第一凸點的長度為L2，上半豎直長梁的尺寸略長於L2，從水平短梁的中心到下半豎直長梁的下端邊界的長度也等於L2，上半豎直長梁的自由端位於多晶矽懸臂梁的左邊第一凸點之下；
[0013]所述第一組結構中的非對稱十字梁由第四錨區、第五錨區、第一豎直短梁、兩根不同長度的左邊長梁、右邊長梁以及一個對準結構組成；其中，第一豎直短梁的兩端分部與第四錨區、第五錨區相連，在第一豎直短梁中心位置的左右兩邊設有左邊長梁和右邊長梁，從第一豎直短梁的中心到第二凸點的長度為L2，從豎直短梁的中心到豎直梁B邊的長度為LI，LI大於L2 ;在右邊長梁的右端連接一個對準結構，對準結構由第二豎直短梁、第三豎直短梁和第六錨區構成，其中第二豎直短梁連接在右邊長梁的右端，成垂直關係，第三豎直短梁一端與第六錨區相連；對準結構的對準邊為第三豎直短梁的A邊和第二豎直短梁的B邊，A、B邊有一個微小的距離Λ，非對稱十字梁的水平軸線和多晶矽懸臂梁的水平軸線重合。
[0014]本發明的薄膜材料泊松比測試結構的測試方法為:對稱十字梁以水平短梁為軸扭轉的角度由設計值Λ、L1、L2進行控制，當A、B對準時，對稱十字梁以水平短梁為軸的扭轉
角為
【權利要求】
1.一種薄膜材料泊松比測試結構，其特徵在於測試結構由兩組結構組成，第一組結構包括靜電驅動的多晶矽懸臂梁(101)、由待測薄膜材料製作的帶有對準結構的非對稱十字梁(102)、由待測薄膜材料製作的對稱十字梁(103);第二組結構是第一組結構去除對稱十字梁(103)後的剩餘結構； 所述第一組結構的多晶矽懸臂梁(101)由第一錨區(101-1)、細長梁(101-2)、作為上電極的寬梁(101-3)、細短梁(101-4)自左向右連接而成，在寬梁(101-3)的下表面是矩形下電極(101-7)，寬梁(101-3)和下電極(101-7)之間是空氣層；在細短梁(101-4)的下表面有第一凸點(101-5)、第二凸點(101-6)分別作為對稱十字梁(103)和非對稱十字梁(102)的施力點； 所述第一組結構的對稱十字梁(103)由第二錨區(103-2)、第三錨區(103-3)、水平短梁(103-4)、上半豎直長梁(103-1)以及下半豎直長梁(103-5)組成，其中，水平短梁(103-4)的左右端分別與第二錨區(103-2)、第三錨區(103-3)相連，在水平短梁(103-4)中心位置的上下兩邊分別設有上半豎直長梁(103-1)以及下半豎直長梁(103-5);其中，從水平短梁(103-4)的中心線到第一凸點(101-5)的長度為L2，上半豎直長梁(103-1)的尺寸略長於L2，從水平短梁(103-4)的中心到下半豎直長梁(103-5)的下端邊界的長度也等於L2，上半豎直長梁(103-1)的自由端位於多晶矽懸臂梁(101)的左邊第一凸點(101-5)之下； 所述第一組結構中的非對稱十字梁(102)由第四錨區(102-2)、第五錨區(102-3)、第一豎直短梁(102-4)、兩根不同長度的左邊長梁(102-1)、右邊長梁(102-5)以及一個對準結構組成；其中，第一豎 直短梁(102-4)的兩端分別與第四錨區(102-2)、第五錨區(102-3)相連，在第一豎直短梁(102-4)中心位置的左右兩邊設有左邊長梁(102-1)和右邊長梁(102-5)，從第一豎直短梁(102-4)的中心到第二凸點(101-6)的長度為L2，從豎直短梁(102-4)的中心到豎直梁(102-6)B邊的長度為L1，L1大於L2 ;在右邊長梁(102-5)的右端連接一個對準結構，對準結構由第二豎直短梁(102-6)、第三豎直短梁(102-8)和第六錨區(102-7)構成，其中第二豎直短梁(102-6)連接在右邊長梁(102-5)的右端，成垂直關係，第三豎直短梁(102-8) —端與第六錨區(102-7)相連；對準結構的對準邊為第三豎直短梁(102-8)的A邊和第二豎直短梁(102-6)的B邊，A、B邊有一個微小的距離Λ，非對稱十字梁(102)的水平軸線和多晶矽懸臂梁(101)的水平軸線重合。
2.一種如根據權利要求1所述的薄膜材料泊松比測試結構的測試方法，其特徵在於對稱十字梁(103)以水平短梁(103-4)為軸扭轉的角度由設計值A、L1、L2進行控制，當A、B 對準時，對稱十字梁(103)以水平短梁(103-4)為軸的扭轉角為
【文檔編號】G01N3/08GK104034583SQ201410243090
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】李偉華, 王雷, 張璐, 周再發 申請人:東南大學