[发明专利]绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构及方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术领域。

技术背景

微机电器件的性能与材料参数有密切的关系，由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。材料力学性能的物理参数主要包括杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等。

在MEMS技术领域内，绝缘衬底上的硅膜(一种SOI材料)是一种常用的衬底材料，主要由三层材料叠合而成，自下而上为大衬底，绝缘层(通常为二氧化硅)，硅膜层。这类SOI材料通常采用两类方法制造：注氧和键合。注氧SOI材料所形成的硅膜比较薄，大约为几百纳米，键合形成的SOI材料上的硅膜相对注氧结构要厚一些，几微米到几十微米。SOI材料中的绝缘层主要是二氧化硅，其中注氧形成的二氧化硅通常只有几十纳米，键合形成SOI的二氧化硅则相对厚一些，厚度范围也大一些。这些二氧化硅常作为制作MEMS器件的牺牲层，即这层二氧化硅在结构下的部分最终将被腐蚀掉，这样，上层硅膜所制作的结构可以做离面或面内运动。不论是注氧工艺还是键合工艺，都将在上面的硅膜中形成应力。绝缘衬底上的硅膜为单晶硅薄膜，其薄膜材料的力学参数和晶向有关。采用绝缘衬底上的薄膜硅所制作的MEMS器件通常是离面运动形式，而绝缘衬底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面内运动形式。

目前大多数微机电材料参数在线测试结构主要是测量微机械表面加工工艺所制作的薄膜材料，如各层多晶硅、金属层等。随着绝缘衬底上的硅膜材料在MEMS加工中越来越多的得到应用，对于绝缘衬底上硅膜材料的杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等力学参数的在线测量需求越来越大。

本发明提供了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量的测试结构。测试结构由两组结构构成。其中第一组由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅悬臂梁、一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组由一个多晶硅悬臂梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成。实际测量薄膜硅杨氏模量的单元是薄膜硅悬臂梁，而两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅悬臂梁，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。施加静电力使多晶硅悬臂梁下弯并进而下压薄膜硅悬臂梁和垫板接触衬底。通过两组测试结构的测试提取出单独驱动薄膜硅悬臂梁弯曲到测试挠度所需要的力，由力、测试挠度和几何尺寸可以计算得到绝缘衬底上薄膜硅材料的杨氏模量。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。

发明内容

技术问题：测量材料的杨氏模量通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或弯曲的挠度。本发明提出了一种绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构及方法。利用两组测试单元提取出杨氏模量测量单元所受到的力的大小，利用SOI材料中二氧化硅层的厚度设置杨氏模量测量单元受力弯曲的挠度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

该测试结构由两组单元组成：其中一组用于测量包含了薄膜硅杨氏模量测量单元的结构产生一定弯曲挠度时所施加力的大小；另一组用于测量在同样弯曲挠度条件下，去除薄膜硅的杨氏模量测量单元后所需要施加的力的大小。将两次所施加的力相减，得到在薄膜硅的杨氏模量测量单元上实际受到的力值，根据该值和弯曲挠度并结合测试结构的几何参数，即可计算得到该绝缘衬底上薄膜硅材料的杨氏模量。另一方面，由于在SOI材料上制作的MEMS结构在牺牲层腐蚀时很容易使结构的锚区受到钻蚀，使锚区的强度受到影响，必须对其进行加固。

实际测试绝缘衬底上的薄膜硅材料杨氏模量的单元，为一个由该薄膜硅材料制作的悬臂梁(以下简称薄膜硅悬臂梁)。驱动薄膜硅悬臂梁向下弯曲的作用力源是一个利用静电驱动的多晶硅悬臂梁(以下简称为多晶硅悬臂梁)。弯曲挠度为SOI中二氧化硅层厚度，也即当薄膜硅悬臂梁向下弯曲接触到大衬底时测试结束。

根据上述技术方案，本发明提出了一种绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量测试结构，该测试结构由两组结构构成，其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅悬臂梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁和一个薄膜硅制作的垫板组成；