微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試方法和裝置的製作方法

2023-06-07 05:26:26 1

專利名稱：微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及微機電系統，尤其涉及用於測量微機電系統薄膜材料 力學性能與可靠性參數的測試方法和裝置。
背景技術：
微機電系統(Micro Electromechanical System, MEMS)是指集微型 傳感器、執行器、信號處理與控制電路、接口電路和電源等於一體的 微型機電系統。MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適 於大批量生產等優點，因此在汽車、通信、生物醫學、消費產品、航 空航天和國防等領域都具有廣泛的應用前景。隨著MEMS設計方法和 加工工藝不斷發展和成熟，越來越多的MEMS器件被成功製備出來， 如壓力傳感器、諧振器等。
MEMS器件的性能與所選材料及其力學性能參數密切相關。 MEMS器件所使用的結構材料以厚度在微米、亞微米級的薄膜材料為 主，包括單晶矽、多晶矽、氧化矽、氮化矽、金屬和高分子材料等。 當進入微米/納米尺度後，由於尺寸效應、表面效應和微觀結構的影響， 薄膜材料的物理、力學性質及受環境影響的程度與宏觀體材料相比會 有顯著變化，體材料的力學性能參數不能外推用於MEMS器件所採用 的薄膜材料。其次，用於宏觀體材料的傳統測試方法也無法適用於薄 膜材料的測試。因此，迫切需要開發適用於薄膜材料的新型測試方法 和裝置，使設計者獲得準確可靠的薄膜材料力學性能參數，從而為預 測MEMS器件性能、優化MEMS器件設計和確保MEMS器件壽命與 可靠性提供指導。
適用於MEMS薄膜材料的力學性能測試方法及裝置必須具有準 確、快速、簡單的特點。目前關於薄膜材料力學性能參數的測試方法 己有一些報導，如微拉伸法、微梁彎曲法等。T. Tsuchiya等人採用靜電力夾持的方式實現對微拉伸樣品的單軸拉伸加載，微拉伸法的理論 模型直接簡單，可以測量表徵薄膜材料的楊氏模量、斷裂強度和剛度。
T. P. Weihs等人採用壓頭對懸臂梁自由端加載，通過記錄壓頭的載荷與
位移可以得到被測材料的楊氏模量和斷裂強度。
但是，這些測試方法的樣品製備工藝大多比較複雜，需要對被測 薄膜進行刻蝕等圖形化工藝，加工工藝對被測薄膜的損傷和影響無法 消除。同時，這些測試方法大多採用硬接觸的方式加載樣品，容易損
傷樣品；而且，樣品的夾持與對準非常困難，測量較複雜。

發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑑於此，為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明的主要 目的在於提供可準確、方便地測試微機電系統薄膜材料的力學性能與 可靠性的測試方法和裝置，其中，測試樣品製備和測試簡單，樣品操 作安全，測試效率高，無需複雜的測試設備和苛刻的測試環境。
(二) 技術方案
為達到上述目的，本發明提供了一種微機電系統薄膜材料力學性 能與可靠性測試方法，該方法包括
對測試結構中懸浮膜片進行壓力 撓度測量；
根據測量出來的壓力 撓度參量的變化關係，採用根據理論計算 模型編制的數學處理程序提取被測材料薄膜的力學性能和可靠性相關 參數。
優選地，該方法在進行壓力 撓度測量步驟之前進一步包括制 備所述測試結構，該製備過程具體包括在襯底3上形成所述測試結
構的被測材料薄膜2，通過從背面腐蝕所述襯底3而形成空腔7，使空 腔7上方的所述被測材料薄膜2部分區域形成所述懸浮膜片6。
優選地，所述懸浮膜片6的形狀是矩形、正方形或圓形的一種， 同一襯底3上可製備具有多個所述懸浮膜片6的陣列。
優選地，所述對測試結構中懸浮膜片進行壓力 撓度測量包括施加一壓力於測試結構中懸浮膜片6的一側，使所述懸浮膜片6產生 變形而向另一側凸起，同時測量在給定壓力下的所述懸浮膜片6的中
心撓度，該中心撓度為懸浮膜片6的最大撓度，逐漸增加壓力直至所 述懸浮膜片6破裂。
優選地，所述施加一壓力於測試結構中懸浮膜片6 —側的步驟具
體包括將壓力通過氣體通道8施加在所述測試結構的懸浮膜片6靠
近空腔7的一側，或者將測試結構翻轉使空腔7朝上，將壓力施加在 懸浮膜片6遠離空腔7的一側使懸浮膜片6向空腔7內變形凸起；所 述測量在給定壓力下的所述懸浮膜片6的中心撓度，並逐漸增加壓力
直至所述懸浮膜片6破裂的步驟具體包括通過非接觸式光學方法測
量在給定壓力下的懸浮膜片6中心撓度，該中心撓度為懸浮膜片6最 大撓度，逐漸增加壓力直至懸浮膜片6破裂，逐個對測試結構的懸浮 膜片6進行測試。
優選地，所述根據測量出來的壓力 撓度參量的變化關係，採用 根據理論計算模型編制的數學處理程序提取被測材料薄膜的力學性能 和可靠性相關參數的步驟，是通過將測量出來的壓力 撓度參量的變 化關係代入精確的綜合理論計算模型，精確計算獲得被測材料的力學
性能和可靠性相關參數平面應變模量、楊氏模量、泊松比、殘餘應
力、斷裂強度。
為達到上述目的，本發明還提供了一種微機電系統薄膜材料力學
性能與可靠性測試裝置，該裝置包括
樣品臺4，用於放置測試結構，所述測試結構包括襯底3和所述襯 底3上的被測材料薄膜2，所述樣品臺4放置在步進電機移動臺上5，
所述測試結構可跟隨所述樣品臺4在水平面內移動；
壓力控制器9，其壓力輸入端與壓力源連接，壓力輸出端與所述樣 品臺4的氣體通道8連接，用於向懸浮膜片6—側施加壓力，直至懸 浮膜片6破裂；
位移傳感器1，用於測量在給定壓力下懸浮膜片6的表面輪廓曲
線，以獲得懸浮膜片6中心撓度；數據釆集和控制單元10，用於控制壓力控制器9向懸浮膜片6 —
側施加壓力，控制步進電機移動臺5並帶動樣品臺4在水平面內移動， 測量懸浮膜片6的中心撓度隨施加壓力的變化關係，並記錄數據。
優選地，所述測試結構通過粘接固定在樣品臺4上，所述樣品臺4 放置在一個步進電機移動臺上，數據採集和控制單元IO通過控制步進 電機移動臺實現樣品臺4在水平面內移動。
優選地，所述位移傳感器1在測量時位於待測懸浮膜片6正上方， 通過光學方法測量懸浮膜片6中心撓度，位移傳感器1在測量過程中 不接觸被測薄膜材料2。
優選地，所述數據採集和控制單元IO實現壓力步進增加和懸浮膜 片6中心撓度精確測量的自動交替進行，通過對懸浮膜片6的表面輪 廓曲線進行傾斜誤差修正來找平，數據採集和控制單元IO的數據輸出 採用多種形式輸出，直接應用於理論計算模型。
(三)有益效果
1、 採用本發明提供的測試方法和裝置，可以對MEMS器件所使 用的各種常用薄膜材料的力學性能和可靠性進行精確地測試表徵，為 預測MEMS器件性能、優化MEMS器件設計和確保MEMS器件壽命 與可靠性提供了參考和支持，為滿足MEMS器件設計領域對薄膜材料 力學性能和可靠性測試的迫切需求建立了基本方法和手段。
2、 採用本發明提供的測試方法和裝置，採用粘接方式固定樣品， 可保證在高壓負載下良好的氣密性和氣壓穩定性，並在測試完成後方 便取下測試結構，採用流體壓力均勻加載並採用非接觸式光學方法測 量撓度，其樣品測試簡單，樣品操作安全，不易損傷樣品。本發明所 介紹的測試裝置通過數據採集和控制單元可實現壓力步進增加和中心 撓度測量的自動交替進行，測試效率高。
3、 採用本發明提供的測試方法和裝置，利用背面腐蝕襯底釋放懸 浮膜片結構，因此與其它測試方法相比其樣品製備非常簡單，大大提 高了樣品製備成品率。同時被測薄膜在澱積之後不經過任何圖形化工 藝，保持連續完整，其受工藝過程的影響幾乎可以忽略，有助於獲得被測薄膜材料的準確的力學性能參數。
4、 採用本發明提供的測試方法和裝置，在製備測試結構時，通過 利用背面腐蝕襯底釋放懸浮膜片結構，因此樣品製備非常簡單，成品率高。
5、 採用本發明提供的測試方法和裝置，測試獲得壓力和撓度的變 化關係數據，使用精確的綜合理論計算模型，可以精確計算獲得被測 MEMS薄膜材料的力學性能和可靠性參數平面應變模量，楊氏模量， 殘餘應力，斷裂強度。


圖1是微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試裝置組成示意圖。
圖2是待測試具有懸浮膜片的樣品結構示意圖。 圖3是利用圖1所示測試裝置進行測試的示意圖。 圖4是本發明提供的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試 的方法流程圖。
圖5是依照本發明實施例、採用本發明的測試裝置和測試方法對 一個碳化矽樣品的測試結果曲線和理論擬和曲線結果圖。 圖6是依照圖5所述實施例進行測試的方法流程圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具 體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明提供的測試裝置包括樣品臺4，壓力控制器9， 位移傳感器l，數據採集和控制單元IO。
其中，樣品臺4用於放置測試結構，所述測試結構包括襯底3和 所述襯底3上的被測材料薄膜2，所述樣品臺4放置在步進電機移動臺 上5，所述測試結構可跟隨所述樣品臺4在水平面內移動。所述測試結 構通過粘接固定在樣品臺4上，所述樣品臺4放置在一個步進電機移 動臺上，數據採集和控制單元IO通過控制步進電機移動臺實現樣品臺4在水平面內移動。
壓力控制器9，其壓力輸入端與壓力源連接，壓力輸出端與所述樣
品臺4的氣體通道8連接，用於向懸浮膜片6—側施加壓力，直至懸 浮膜片6破裂。
位移傳感器1，用於測量在給定壓力下懸浮膜片6的表面輪廓曲 線，以獲得懸浮膜片6中心撓度。所述位移傳感器1在測量時位於待 測懸浮膜片6正上方，通過光學方法測量懸浮膜片6中心撓度，位移 傳感器1在測量過程中不接觸被測薄膜材料2。
數據採集和控制單元10，用於控制壓力控制器9向懸浮膜片6 — 側施加壓力，控制步進電機移動臺5並帶動樣品臺4在水平面內移動， 測量懸浮膜片6的中心撓度隨施加壓力的變化關係，並記錄數據。所 述數據採集和控制單元10實現壓力步進增加和懸浮膜片6中心撓度精 確測量的自動交替進行，通過對懸浮膜片6的表面輪廓曲線進行傾斜 誤差修正來找平，數據採集和控制單元IO的數據輸出採用多種形式輸 出，直接應用於理論計算模型。
將測試結構通過粘接固定在樣品臺4上，可在高壓負載下保證良 好的氣密性，並在測試完成後方便取下測試結構。樣品臺4放置在一 個步進電機移動臺5上，數據採集和控制單元10通過一個數字運動控 制器來控制精密步進電機移動臺以實現樣品臺4及測試結構在水平面 內移動，使樣品臺4上的待測懸浮膜片6在測試時位於位移傳感器1 下方。
壓力控制器9的壓力輸入端與壓力源連接，壓力輸出端與樣品臺4 的氣體通道8連接。數據採集和控制單元10通過控制壓力控制器9向 懸浮膜片6 —側施加壓力，使懸浮膜片6產生變形而向另一側凸起。 可以將壓力施加在測試結構的懸浮膜片6靠近空腔7的一側，使懸浮 膜片6向遠離空腔7的一側變形凸起，也可以將測試結構翻轉使空腔7 朝上，將壓力施加在懸浮膜片6遠離空腔7的一側，使懸浮膜片6向 空腔7內變形凸起。壓力控制器9採用商業化的壓力控制器，可實現 精度為士80Pa的穩定差分壓力控制，並且可以通過RS232通訊埠返 回當前壓力值。如圖2所示，通過非接觸式光學方法測量在給定壓力P下懸浮膜
片6的表面輪廓曲線以獲得懸浮膜片6中心撓度即懸浮膜片6最大撓 度Wo，逐漸增加壓力直至懸浮膜片6破裂，逐個對測試結構的懸浮膜 片6進行測試。位移傳感器1採用商業化的自動聚焦雷射位移傳感器， 可實現垂直解析度lOrnn、水平解析度lpm的位移測量。位移傳感器1 在測量過程中位於待測懸浮膜片6正上方，不接觸被測材料薄膜2。位 移傳感器1測量得到的懸浮膜片6的表面輪廓曲線數據通過RS232通 訊埠輸入到數據採集和控制單元10。
數據採集和控制單元10可實現壓力步進增加和懸浮膜片6中心撓 度測量的自動交替進行。通過對懸浮膜片6的表面輪廓曲線進行傾斜 誤差修正來找平可減小因測試結構放置傾斜帶來的誤差。數據採集和 控制單元10的數據輸出可以多種形式輸出，直接應用於理論計算模型。
對被測材料薄膜2的厚度和懸浮膜片6的幾何尺寸進行測量。通 過將測量出來的壓力、撓度參量的變化關係及被測材料薄膜2的厚度 和懸浮膜片6的幾何尺寸數據，代入與懸浮膜片6形狀相對應的理論 計算模型，可以精確計算獲得被測材料薄膜2的力學性能和可靠性相 關參數平面應變模量，楊氏模量，泊松比、殘餘應力，斷裂強度等。
本發明提供的利用圖1所示測試裝置進行測試的過程如圖3所示， 圖3是利用圖1所示測試裝置進行測試的示意圖。數據採集和控制單 元10採用一個測試控制系統向數字壓力控制器9和步進電機移動臺5 分別發出壓力和運動控制信號，數字壓力控制器9向測試結構產生激 勵信號(差分壓力)，測試結構在激勵信號作用下產生響應信號(撓度) 並被位移傳感器1接收，位移傳感器1接收的數據信號通過通訊埠 返回到數據採集和控制單元10的測試控制系統。將獲得的測量數據輸 入計算分析單元即可提取獲得被測材料薄膜2的力學性能和可靠性相 關參數平面應變模量、楊氏模量、泊松比、殘餘應力、斷裂強度。 測試控制系統基於虛擬儀器技術編制，包括電機控制模塊、壓力控制 模塊和數據採集模塊，實現了控制測試裝置、採集測量數據和分析保 存數據的功能。基於圖1所示的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試裝置
組成示意圖，圖4示出了本發明提供的微機電系統薄膜材料力學性能
與可靠性測試的方法流程圖，包括以下步驟
步驟401:對測試結構中懸浮膜片進行壓力 撓度測量； 步驟402:根據測量出來的壓力 撓度參量的變化關係，採用根據
理論計算模型編制的數學處理程序提取被測材料薄膜的力學性能和可
靠性相關參數。
上述步驟401之前進一步包括製備所述測試結構，該製備過程 具體包括在襯底3上形成所述測試結構的被測材料薄膜2，通過從背
面腐蝕所述襯底3而形成空腔7，使空腔7上方的所述被測材料薄膜2 部分區域形成所述懸浮膜片6。所述懸浮膜片6的形狀是矩形、正方形 或圓形的一種，同一襯底3上可製備具有多個所述懸浮膜片6的陣列。
上述步驟401中所述對測試結構中懸浮膜片進行壓力 撓度測量 包括施加一壓力於測試結構中懸浮膜片6的一側，使所述懸浮膜片6 產生變形而向另一側凸起，同時測量在給定壓力下的所述懸浮膜片6 的中心撓度，該中心撓度為懸浮膜片6的最大撓度，逐漸增加壓力直 至所述懸浮膜片6破裂。
在施加一壓力於測試結構中懸浮膜片6的一側的步驟之前進一步
包括製備所述測試結構，該製備過程具體包括在襯底3上形成所
述測試結構的被測材料薄膜2，通過從背面腐蝕所述襯底3而形成空腔 7，使所述空腔7上方的所述被測材料薄膜2部分區域形成所述懸浮膜 片6。所述懸浮膜片6的形狀是矩形、正方形或圓形的一種，同一襯底 3上可製備具有多個所述懸浮膜片6的陣列。
上述施加一壓力於測試結構中懸浮膜片6的一側的步驟具體包括 將壓力通過氣體通道8施加在所述測試結構的懸浮膜片6靠近空腔7 的一側，或者將測試結構翻轉使空腔7朝上，將壓力施加在懸浮膜片6 遠離空腔7的一側使懸浮膜片6向空腔7內變形凸起。
上述測量在給定壓力下的所述懸浮膜片6的中心撓度，並逐漸增 加壓力直至所述懸浮膜片6破裂的步驟具體包括通過非接觸式光學 方法測量在給定壓力下的懸浮膜片6中心撓度，該中心撓度為懸浮膜片6最大撓度，逐漸增加壓力直至懸浮膜片6破裂，逐個對測試結構 的懸浮膜片6進行測試。
上述根據測量出來的壓力 撓度參量的變化關係，採用根據理論 計算模型編制的數學處理程序提取被測材料薄膜的力學性能和可靠性 相關參數的步驟，是通過將測量出來的壓力 撓度參量的變化關係代 入精確的綜合理論計算模型，精確計算獲得被測材料的力學性能和可 靠性相關參數平面應變模量、楊氏模量、泊松比、殘餘應力、斷裂 強度。
結合圖4，本發明提供的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測
試的方法具體包括如下步驟:測試結構的製備、測試結構的加壓測試 以及對測試結果進行分析提取獲得被測薄膜材料的力學性能與可靠性參數。
上述測試結構的製備步驟如下將被測材料薄膜2澱積在襯底3
上，被測材料薄膜2的澱積工藝可以是傳統的化學氣相沉積法(CVD)， 物理氣相沉積法(PVD)等。然後，在襯底3背面澱積一層薄膜，該 薄膜用作對襯底3進行腐蝕時的掩模，對該薄膜進行光刻和幹法刻蝕 形成圖形窗口。將背面帶有掩模圖案的襯底3置於溼法腐蝕劑中，掩 模層薄膜的圖形窗口中被暴露出來的襯底3被腐蝕掉，形成空腔7，從 而使被測材料薄膜2部分區域形成懸浮膜片6。
懸浮膜片6的形狀是矩形、正方形或圓形中的一種，同一襯底3 上可以同時製備具有多個懸浮膜片6的陣列。
在測試結構的工藝製備過程中，被測材料薄膜2不經過任何圖形 化工藝，因此保持了完整連續。
在襯底3的腐蝕過程中，使用保護裝置將襯底3的被測材料薄膜2 一側密封保護，使得被測材料薄膜2不接觸溼法腐蝕劑，因此測試結 構的工藝製備過程對被測材料薄膜2的影響幾乎可以忽略。
以下結合具體的實施例對本發明微機電系統材料力學性能與可靠 性的測試方法作進一步說明。圖5是依照本發明實施例採用本發明的測試裝置和測試方法對一個碳化矽樣品的測試結果曲線和理論擬曲線 圖。測試結構製備、樣品測試流程及數據分析過程分別介紹如下
使用低壓化學氣相沉積法(LPCVD)在(100)矽襯底上澱積3C-SiC 薄膜，使用掃描電子顯微鏡測量薄膜厚度為0.40jLim。在矽襯底背面採 用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)澱積的氮化矽薄膜作為溼 法腐蝕掩模。採用氫氧化鉀水溶液作為溼法腐蝕劑，從矽襯底背面溼 法腐蝕矽襯底，製備得到形狀為長矩形的3C-SiC懸浮膜片陣列。
使用本發明介紹的測試方法和相應的測試裝置，對長度為 4026pm、寬度為524jxm的3C-SiC懸浮膜片進行測試。使用基於虛擬 儀器技術開發的測試控制模塊執行自動測試，懸浮膜片的破裂壓力為 3.42x105Pa。
如圖6所示，圖6是依照圖5所述實施例進行測試的方法流程圖， 具體測試流程如下
(1) 啟動程序，設置運動初始點和終止點，運動速度和撓度測量 採點間距，初始壓力、最大壓力和壓力步進值。壓力步進值可以根據 需要設置，可以設置每次增加3xlO卞a，或每次增加6xl0卞a等等。
(2) 執行自動測試，向懸浮膜片一側輸出一個壓力值，沿著懸浮 膜片寬度方向進行掃描，獲得懸浮膜片的表面輪廓曲線，對懸浮膜片 的表面輪廓曲線進行傾斜誤差修正以減小因測試結構放置傾斜帶來的 誤差，比較懸浮膜片中心位置相對於未發生變形凸起的基準點在修正 後的高度差作為懸浮膜片在給定壓力值下的中心撓度。
(3) 關閉壓力控制器的壓力輸出，判斷壓力控制器的壓力輸出端 的壓力值，如果壓力值迅速降低，則表明懸浮膜片破裂無法維持設定 壓力，程序自動停止並給出這時加在測試結構上的差分壓力，這個壓 力值就是破裂壓力。如果壓力值保持不變，則表明懸浮膜片尚未破裂。 在等待設定的時間間隔後繼續進行測試。
(4) 當懸浮膜片破裂時，程序自動停止，並將測量得到的懸浮膜 片在破裂前的壓力一撓度變化關係數據輸出為數據文件，保存於數據 採集和控制單元，此處數據釆集和控制單元為計算機。
矩形膜的寬度是"，長度是6，厚度是/2。碳化矽薄膜材料的楊氏模量是5，泊松比是V，殘餘應力是So，平面應變模量五p/^/(l-v2)，矽 襯底的平面應變模量是五:,。基於薄板理論可以推導出矩形膜在壓力作 用下產生平面應變變形的平衡方程。
血 血
其中A = ^3/12(l-v2)， S = S。+A 「/2(^^)2血，^-V^， A)=
"/2 血
￡/z/(l-v2)。
根據彈性固支邊界條件
A^"W(X)U +&4w(X)|。/2 =D2;W(X)|—。/2 —^務w(X)l-。,2 =0
其中^-:^， &是與結構形狀相關的係數，對於固定在矽襯 12^
底上的懸浮膜片，&取0.75。
求解上述矩形膜平面應變變形的平衡方程，可以推導出矩形膜的 壓力一撓度關係的解析表達式。
formula see original document page 15
將獲得的壓力一撓度變化關係數據代入基於矩形理論模型的計算 分析單元，由圖5可以看出，實驗測試結果曲線與理論擬和曲線吻合 得很好。
提取得到3C-SiC薄膜材料的殘餘應力&為279MPa，斷裂強度s, 為6.62GPa，平面應變模量^p,為365GPa，取文獻報導的3C-SiC薄膜 泊松比v為0.168，可計算得到楊氏模量E為355GPa。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體 實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內， 所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍 之內。
權利要求
1、一種微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試方法，其特徵在於，該方法包括對測試結構中懸浮膜片進行壓力～撓度測量；根據測量出來的壓力～撓度參量的變化關係，採用根據理論計算模型編制的數學處理程序提取被測材料薄膜的力學性能和可靠性相關參數。
2、 根據權利要求1所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試方法，其特徵在於，該方法在進行壓力 撓度測量步驟之前進一步包括製備所述測試結構，該製備過程具體包括在襯底(3)上形成所述測試結構的被測材料薄膜(2)，通過從背面腐蝕所述襯底(3)而形成空腔(7)，使空腔(7)上方的所述被測 材料薄膜(2)部分區域形成所述懸浮膜片(6)。
3、 根據權利要求2所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性 測試方法，其特徵在於，所述懸浮膜片(6)的形狀是矩形、正方形或 圓形的一種，同一襯底(3)上可製備具有多個所述懸浮膜片(6)的 陣列。
4、 根據權利要求1所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性 測試方法，其特徵在於，所述對測試結構中懸浮膜片進行壓力 撓度測量包括施加一壓力於測試結構中懸浮膜片(6)的一側，使所述懸浮膜片 (6)產生變形而向另一側凸起，同時測量在給定壓力下的所述懸浮膜 片(6)的中心撓度，該中心撓度為懸浮膜片(6)的最大撓度，逐漸 增加壓力直至所述懸浮膜片(6)破裂。
5、 根據權利要求4所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性 測試方法，其特徵在於，所述施加一壓力於測試結構中懸浮膜片(6)—側的步驟具體包括 將壓力通過氣體通道(8)施加在所述測試結構的懸浮膜片(6)靠近 空腔(7)的一側，或者將測試結構翻轉使空腔(7)朝上，將壓力施加在懸浮膜片(6)遠離空腔(7)的一側使懸浮膜片(6)向空腔(7) 內變形凸起；所述測量在給定壓力下的所述懸浮膜片(6)的中心撓度，並逐漸 增加壓力直至所述懸浮膜片(6)破裂的步驟具體包括通過非接觸式 光學方法測量在給定壓力下的懸浮膜片(6)中心撓度，該中心撓度為 懸浮膜片(6)最大撓度，逐漸增加壓力直至懸浮膜片(6)破裂，逐 個對測試結構的懸浮膜片(6)進行測試。
6、 根據權利要求1所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性 測試方法，其特徵在於，所述根據測量出來的壓力 撓度參量的變化 關係，採用根據理論計算模型編制的數學處理程序提取被測材料薄膜 的力學性能和可靠性相關參數的步驟，是通過將測量出來的壓力 撓 度參量的變化關係代入精確的綜合理論計算模型，精確計算獲得被測 材料的力學性能和可靠性相關參數平面應變模量、楊氏模量、泊松 比、殘餘應力、斷裂強度。
7、 一種微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試裝置，其特徵在於，該裝置包括樣品臺(4)，用於放置測試結構，所述測試結構包括襯底(3)和 所述襯底(3)上的被測材料薄膜(2)，所述樣品臺(4)放置在步進 電機移動臺上(5)，所述測試結構可跟隨所述樣品臺(4)在水平面內 移動；壓力控制器(9)，其壓力輸入端與壓力源連接，壓力輸出端與所 述樣品臺(4)的氣體通道(8)連接，用於向懸浮膜片(6) —側施加 壓力，直至懸浮膜片(6)破裂；位移傳感器(1)，用於測量在給定壓力下懸浮膜片(6)的表面輪 廓曲線，以獲得懸浮膜片(6)中心撓度；數據採集和控制單元(10)，用於控制壓力控制器(9)向懸浮膜 片(6) —側施加壓力，控制步進電機移動臺(5)並帶動樣品臺(4) 在水平面內移動，測量懸浮膜片(6)的中心撓度隨施加壓力的變化關 系，並記錄數據。
8、 根據權利要求7所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測試裝置，其特徵在於，所述測試結構通過粘接固定在樣品臺(4)上， 所述樣品臺(4)放置在一個步進電機移動臺上，數據採集和控制單元(10)通過控制步進電機移動臺實現樣品臺(4)在水平面內移動。
9、 根據權利要求7所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性 測試裝置，其特徵在於，所述位移傳感器(1)在測量時位於待測懸浮 膜片(6)正上方，通過光學方法測量懸浮膜片(6)中心撓度，位移 傳感器(1)在測量過程中不接觸被測薄膜材料(2)。
10、 根據權利要求7所述的微機電系統薄膜材料力學性能與可靠 性測試裝置，其特徵在於，所述數據採集和控制單元(10)實現壓力 步進增加和懸浮膜片(6)中心撓度精確測量的自動交替進行，通過對 懸浮膜片(6)的表面輪廓曲線進行傾斜誤差修正來找平，數據採集和 控制單元(10)的數據輸出釆用多種形式輸出，直接應用於理論計算 模型。
全文摘要
本發明公開了一種微機電系統薄膜材料力學性能與可靠性測量方法和相應的測試裝置。通過將具有懸浮膜片的薄膜測試結構固定在具有氣體通道的樣品臺上，通過向懸浮膜片一側施加差分壓力使懸浮膜片向另一側變形凸起，測量在外加壓力下的膜片中心撓度即膜片最大撓度，逐漸增加壓力至懸浮膜片破裂，通過測量壓力—撓度變化曲線，根據理論計算模型提取獲得被測薄膜材料力學性能和可靠性相關參數平面應變模量、楊氏模量、泊松比、殘餘應力、斷裂強度等。本發明採用非接觸式光學方法，利用數據採集和控制單元自動執行撓度測量，具有樣品製備和測試簡單，測量精度高，操作靈活方便，測試效率高的特點。
文檔編號G01N3/00GK101520385SQ20081010095
公開日2009年9月2日 申請日期2008年2月27日 優先權日2008年2月27日
發明者威 周, 楊富華, 楊晉玲 申請人:中國科學院半導體研究所