[发明专利]绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比测试结构

说明书

技术领域

本发明提供了一种绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比的测试结构。属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术领域。

背景技术

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，绝缘衬底上硅(SOI)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-硅膜层。当硅膜层较厚时称为厚膜SOI，厚膜SOI主要利用键合工艺实现。这类SOI材料的硅膜厚度在几微米到几十微米。SOI材料中的绝缘层主要是二氧化硅，厚度通常只有几十纳米，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。由绝缘衬底上厚膜硅制作的MEMS器件通常为面内运动形式。

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。

面内运动形式主要包括平行移动和扭转运动。其中，决定扭转运动力-角度关系的重要参量是材料的泊松比。测量泊松比的主要方法是沿某个方向拉伸结构并测量垂直方向所发生的形变，或者是对结构进行扭转，测量力和相应扭转角之间的关系。

静电驱动是MEMS微结构运动的常用驱动形式。利用静电力可以驱动一个扭转结构做面内的扭转运动。通过设计的结构和几何尺寸，可以控制静电力的大小以及在静电力的作用下发生的扭转角度，由结构的几何尺寸、设置的扭转角、材料的杨氏模量以及所施加的静电力就可以计算得到泊松比。采用静电驱动方式的一个重要问题是吸合现象，由于吸合现象属于非稳态情况，测量数据的准确性也不稳定，因此，在静电驱动结构中应尽可能避免出现吸合，即希望小角度扭转。

发明内容：

技术问题：本发明的目的是提供一种绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比测试结构，测量材料的泊松比除了已知的结构几何参数和杨氏模量外，通常还需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变或扭转的角度。本发明提出了一种测试结构，用于测量绝缘衬底上厚膜硅材料的泊松比。利用静电力驱动一个悬挂结构做扭转运动。利用止挡结构控制扭转角度，形成一个特定的测试角。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种绝缘衬底上厚膜硅材料泊松比测试结构采用的技术方案是：

该测试结构由两部分组成：包括用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁和扭转结构；

所述用于悬挂扭转结构的多晶硅固支梁由第一锚区、第二锚区和一个宽短梁连接而成，其中该两个锚区分别位于由厚膜硅制作的第一支撑孤岛、第一支撑孤岛上，第一支撑孤岛、第二支撑孤岛通过绝缘衬底上厚膜硅材料的二氧化硅绝缘层固定在大衬底上；