MEMS多層膜力學參數(shù)在線提取方法的研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是在微電子基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種前沿技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景。微電子電路的在線監(jiān)測技術(shù)對于保證產(chǎn)品的均勻性、一致性、重復性、可靠性等起了關(guān)鍵的作用，其手段是讓設(shè)計出的測試圖形隨同芯片經(jīng)歷相同的工藝步驟，然后利用方便快捷的測試方法測出相關(guān)的性能參數(shù)，以便監(jiān)控工藝，同時為IC設(shè)計者提供參數(shù)?？梢钥闯?，在線監(jiān)測工藝對于提高產(chǎn)品一致性，降低生產(chǎn)成本起著不可低估的作用。MEMS器件也面臨同樣的問題。由于構(gòu)成MEMS器件的材料

2、對器件的結(jié)構(gòu)與性能有很大的影響。很多材料，尤其是薄膜材料在形成薄膜、細梁等結(jié)構(gòu)時，同樣的工藝，在不同生產(chǎn)環(huán)境中會表現(xiàn)出明顯不同的力學參數(shù)，如密度、楊氏模量、殘余應(yīng)力、斷裂強度等等。如果以上力學參數(shù)已知的話，則傳感器、執(zhí)行器的一些靜態(tài)或動態(tài)響應(yīng)，就可以由已測得的其它參數(shù)計算出來。所以，在線監(jiān)測薄膜結(jié)構(gòu)的力學參數(shù)對于MEMS器件設(shè)計及工藝監(jiān)測具有非常重要的意義。另外，在實際的MEMS器件中，總不可避免的要出現(xiàn)多層膜結(jié)構(gòu)，在預先存在的薄膜或襯

3、底上生長出一層或幾層薄膜材料，它們可以起絕緣或?qū)щ姷淖饔茫涣硗?，有些結(jié)構(gòu)層薄膜，呈現(xiàn)出拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，使整個薄膜呈現(xiàn)出翹曲現(xiàn)象，也需要生長相反方向應(yīng)力的薄膜，克服單層膜的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力對MEMS器件的影響。由上可見，在實際應(yīng)用時，有比較多的場合需要用到多層膜結(jié)構(gòu)，因此對多層薄膜的力學參數(shù)在線測試是很重要的問題，在線測試結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于：(1)測試結(jié)構(gòu)的工藝必須與待測薄膜材料的加工工藝相兼容；(2)測試結(jié)構(gòu)必須提供與后端數(shù)據(jù)處理模塊相兼

4、容的數(shù)據(jù)輸出接口；(3)測試結(jié)構(gòu)在滿足一定測試精度的前提下應(yīng)盡量簡單、盡量占用較小面積，并且沒有破壞性；(4)結(jié)構(gòu)對測試環(huán)境和測試儀器的要求不應(yīng)太高。 本論文的主要工作有： 第一：采用靜電執(zhí)行結(jié)構(gòu)，分析不等寬多層梁在靜電作用下的靜態(tài)特性，不僅考慮了梁在靜電作用下彎曲時軸向拉伸的問題，而且首次考慮了復合膜與單層膜結(jié)構(gòu)釋放后殘余應(yīng)力分布不同對梁性能造成影響的前提下，運用能量法，建立了不等寬多層固支粱吸合電壓解析模型。

5、 第二：在此模型的基礎(chǔ)上，提出了一種通過不等寬兩端固支梁的吸合電壓提取多層材料殘余應(yīng)力、楊氏模量的方法，并且提出了通過設(shè)計一組寬梁與窄梁實現(xiàn)泊松比的求解的方法。 第三：設(shè)計出了合適的測試結(jié)構(gòu)，減小了錨區(qū)柔性支撐對吸合電壓的影響，通過實驗測試出多晶硅與金屬鋁的楊氏模量及殘余應(yīng)力。這種測試結(jié)構(gòu)非常簡單，占用很少的芯片面積，適用于通常MEMS加工工藝的在線監(jiān)測。 第四：本論文還提出了一種基于背面腐蝕的多層膜殘余應(yīng)力測試方法，此

6、方法無需腐蝕基片正面有用薄膜層，只需要依次腐蝕掉基片背面的各層薄膜，測出對應(yīng)復合結(jié)構(gòu)的曲率半徑，就可以提取各層薄膜的殘余應(yīng)力，既簡化了腐蝕工藝，又保留了基片正面有用薄膜層，是一種精度較高、而且簡單易行的薄膜殘余應(yīng)力在線提取方法。 本論文設(shè)計的測試結(jié)構(gòu)可隨表面微機械器件制作工藝加工制作。測試結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷與MEMS器件同樣的工藝后，具有與表面微機械器件本身同樣的力電性能。Coventor、Matlab軟件模擬分析和實驗驗證了本論文的方