微機械殘餘應力的測試結構及其測試方法

2023-11-10 17:57:52 2

專利名稱：微機械殘餘應力的測試結構及其測試方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械殘餘應力的測試結構及其測試方法，屬於微電子機械系統(MEMS)技術。
背景技術：
MEMS器件中的懸空的微機械薄膜結構，譬如懸臂梁、固支梁和鼓膜，這些結構中有的是使用體加工技術製造，但是為了和現有的通用CMOS工藝線兼容，更多的是用表面微機械加工的方法製造。一般而言，體矽加工的結構是通過腐蝕得到，沒有經過高溫處理，因而結構中的殘餘應力比較小。例如在GaAs (砷化鎵)工藝中,表面微機械加工製造的結構因為使用了澱積薄膜，腐蝕犧牲層工序。而薄膜的澱積溫度一般在600°C以上，在溫度降到室溫時的溫差變化會使結構層薄膜內存在熱殘餘應力。熱殘餘應力加上與工藝條件密切相關的本徵殘餘應力，兩者綜合作用形成薄膜中的殘餘應力。殘餘應力對MEMS器件的性能影響很大。水平方向上的殘餘應力使薄膜結構在其下層的犧牲層釋放之後發生水平變形，垂直方向上殘餘應力的分布不均會造成薄膜結構的翹曲。所以殘餘應力的大小嚴重影響MEMS器件的性能，也影響到薄膜的粘附、斷裂等重要特性，因而給製作性能優良的MEMS器件帶來了很多問題。對微機械薄膜的力學性能的準確測定，能夠為正確估計設備的性能有重大作用。

發明內容
發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種微機械殘餘應力的測試結構及其測試方法，能易於測量出器件加工後的殘餘應力大小，並且該測量結構具有較高精度。技術方案:為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:微機械殘餘應力的測試結構，包括四組結構尺寸參數完全相同的微機械梁測試結構；所述微機械梁測試結構包括一個指針梁和兩個結構尺寸參數完全相同的測試梁，所述兩個測試梁位置平行且與指針梁相互垂直，所述指針梁和測試梁之間的交點記為旋轉點；所述四組微機械梁測試結構的所有指針梁和測試梁均位於同一豎直平面內；記四組微機械梁測試結構的指針梁分別記為I號指針梁、2號指針梁、3號指針梁和4號指針梁；所述I號指針梁、2號指針梁、3號指針梁和4號指針梁位於同一豎直平面內，且在殘餘應力釋放前，I號指針梁和3號指針梁位於同一豎直線上，2號指針梁和4號指針梁位於同一水平線上。上述結構中，對四組微機械梁測試結構的排列組合位置進行了限定；對於每組微機械梁測試結構而言，當下層的襯底被腐蝕之後，原來薄膜所受的下層應力作用也將消失，結果是薄膜將會產生變形；由於四組微機械梁測試結構的結構尺寸參數完全相同，可認為四組微機械梁測試結構的變形程度也是相同的，在微機械梁測試結構收縮過程中所形成的力矩使中間的指針梁發生旋轉，最後使指針梁的端點產生一端的彎弧位移。基於上述微機械殘餘應力的測試結構的測試方法，是通過測試兩兩間的夾角差來測量的，這一方法也利於當今主流測試設備的操作，具體為:在殘餘應力釋放後，對I號指針梁和2號指針梁之間的夾角α進行測量，對3號指針梁和4號指針梁之間的夾角β進行測量，通過下式計算有效殘餘應力σ:
權利要求
1.微機械殘餘應力的測試結構，其特徵在於:包括四組結構尺寸參數完全相同的微機械梁測試結構；所述微機械梁測試結構包括一個指針梁和兩個結構尺寸參數完全相同的測試梁，所述兩個測試梁位置平行且與指針梁相互垂直，所述指針梁和測試梁之間的交點記為旋轉點；所述四組微機械梁測試結構的所有指針梁和測試梁均位於同一豎直平面內；記四組微機械梁測試結構的指針梁分別記為I號指針梁、2號指針梁、3號指針梁和4號指針梁；所述I號指針梁、2號指針梁、3號指針梁和4號指針梁位於同一豎直平面內，且在殘餘應力釋放前，I號指針梁和3號指針梁位於同一豎直線上，2號指針梁和4號指針梁位於同一水平線上。
2.根據權利要求1所述的微機械殘餘應力的測試結構的測試方法，其特徵在於:在殘餘應力釋放後，對I號指針梁和2號指針梁之間的夾角α進行測量，對3號指針梁和4號指針梁之間的夾角β進行測量，通過下式計算有效殘餘應力σ:
全文摘要
本發明公開了一種微機械殘餘應力的測試結構及其測試方法，微機械殘餘應力的測試結構，包括四組結構尺寸參數完全相同的微機械梁測試結構，四組微機械梁測試結構的指針梁分別記為1號指針梁、2號指針梁、3號指針梁和4號指針梁；所述1號指針梁、2號指針梁、3號指針梁和4號指針梁位於同一豎直平面內，且在殘餘應力釋放前，1號指針梁和3號指針梁位於同一豎直線上，2號指針梁和4號指針梁位於同一水平線上。本發明提供的微機械殘餘應力的測試結構及其測試方法，成功解決了梁長變化小不易測量的問題，與傳統微機械殘餘應變測試結構相比，結構自身就有可靠的參照點進行測量；並且與傳統微機械梁組合相比，精度更高，精確度提高了數倍。
文檔編號G01L1/00GK103196592SQ20131012431
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月10日 優先權日2013年4月10日
發明者廖小平, 楊剛 申請人:東南大學