MEMS薄膜應(yīng)力梯度及楊氏模量在線測量方法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)層薄膜淀積和犧牲層釋放是硅基MEMS器件加工過程中形成可動結(jié)構(gòu)的重要工序。結(jié)構(gòu)層薄膜的力學(xué)參數(shù)對MEMS器件制作成敗及性能的好壞具有重要影響。薄膜厚度方向上的應(yīng)力梯度和薄膜的楊氏模量就是兩個十分重要的力學(xué)參數(shù)。結(jié)構(gòu)層薄膜的這些力學(xué)參數(shù)與宏觀大體積同種材料的力學(xué)參數(shù)有很大差異，而且，這些力學(xué)參數(shù)也會隨著制作工藝的不同以及加工條件的變化而改變，因此需要在工藝線上經(jīng)常測量，以確定某一特定工藝條件下薄膜材料的力學(xué)參數(shù)。
　　 現(xiàn)在，

2、MEMS薄膜力學(xué)參數(shù)的在線測量已成為MEMS材料特性研究領(lǐng)域中的一項迫切需求。
　　 本文提出一種用中心固支的圓形薄膜作為測試結(jié)構(gòu)，由光學(xué)干涉技術(shù)和多普勒技術(shù)分別在線測量MEMS薄膜應(yīng)力梯度與楊氏模量的方法。
　　 中心固支圓膜在其厚度方向上的應(yīng)力梯度作用下，四周會產(chǎn)生翹曲，由光學(xué)干涉技術(shù)測量圓膜邊緣的離面高度，計算出圓膜的曲率半徑，就可以提取MEMS 薄膜的應(yīng)力梯度。
　　 將測試結(jié)構(gòu)固定在壓電陶瓷上，由正弦信

3、號驅(qū)動，用多普勒技術(shù)測量圓膜的縱向諧振頻率，就可以計算出薄膜材料的楊氏模量。
　　 為驗證該測量方法的正確性，CoventorWare模擬了若干個不同尺寸的多晶硅圓膜，仿真計算得到的應(yīng)力梯度與楊氏模量的誤差均小于1.5％。可見這種在線測量方法具有較高的精度。
　　 由于該測試結(jié)構(gòu)的中心對稱性，其錨區(qū)接近理想固支，大大提高了模型精度；文中也證明了圓膜曲率半徑只與應(yīng)力梯度有關(guān)，而與圓膜尺寸無關(guān)，因此，可根據(jù)測量精度要求合理選