一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、兩塊下極板和上極板、直角梁和兩個錨區(qū)；下極板沉積于襯底上表面；兩個錨區(qū)置于襯底上；上極板懸置在下極板上方，直角梁以上極板為軸分為完全對稱的兩部分，每一部分包括兩個直角邊，其中一個直角邊連接上極板的一側(cè)，另一個直角邊固定在一個錨區(qū)側(cè)面；上極板與直角梁位于同一平面，該平面與襯底所在平面平行；兩塊下極板與上極板之間分別形成平板電容C1和C2。結(jié)構(gòu)層殘余應(yīng)力在引起上極板的平移后，電容C1和C2會發(fā)生變化，通過MEMS電容常規(guī)測試，即可獲取殘余應(yīng)力的具體信息。本發(fā)明通過簡單的電容結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了表面微機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的測試，且成本低廉，易于操作。
【專利說明】—種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試領(lǐng)域，尤其是一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS 是微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems)的縮寫。MEMS 把電子技術(shù)與機(jī)械特性有機(jī)地結(jié)合了起來，通過懸浮結(jié)構(gòu)的運(yùn)動可以同時實(shí)現(xiàn)物理、化學(xué)、生物等方面的功能。MEMS的加工方法有很多種，表面微機(jī)械加工工藝是常用方法之一，通過在硅片上連續(xù)生長功能層、結(jié)構(gòu)層、犧牲層的工藝來制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用選擇性腐蝕去除結(jié)構(gòu)層下面的犧牲層，得到懸浮于襯底表面附近的微結(jié)構(gòu)。
[0003]但是，在表面微機(jī)械加工過程中不可避免地會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，過大的殘余應(yīng)力會造成薄膜結(jié)構(gòu)破裂或變形。因此，必須重視殘余應(yīng)力的測試和分析，并反饋之設(shè)計中，以保證設(shè)計和制造的MEMS器件具備良好的性能指標(biāo)。如何在不增加多少成本的情況下，完成殘余應(yīng)力的測試工作，成為了研究工作需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了客服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了結(jié)構(gòu)簡單，易于操作的一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，以及時檢測表面微機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
[0005]技術(shù)方案:一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，包括襯底、兩塊下極板和上極板、直角梁和兩個錨區(qū)；所述下極板沉積于襯底上表面；所述兩個錨區(qū)置于襯底上；上極板懸置在下極板上方，所述直角梁以上極板為軸分為完全對稱的兩部分，每一部分包括兩個直角邊，其中一個直角邊連接上極板的一側(cè)，另一個直角邊固定在一個錨區(qū)側(cè)面；上極板與直角梁位于同一平面，該平面與襯底所在平面平行；
[0006]兩塊下極板分別有一部分延伸出上極板的覆蓋范圍，兩塊下極板被上極板遮蔽的面積相同；兩塊下極板與上極板之間分別形成平板電容Cl和C2。延伸出上極板的覆蓋范圍，使得結(jié)構(gòu)層殘余應(yīng)力在引起上極板的平移后，電容Cl和C2會發(fā)生變化，通過MEMS電容常規(guī)測試，即可獲取殘余應(yīng)力的具體信息。
[0007]下極板材料為摻雜多晶硅，表面涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)薄層材料為二氧化硅；兩塊下極板為兩個完全相同的矩形。
[0008]有益效果:通過簡單的電容結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了表面微機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的測試，且成本低廉，易于操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
[0010]圖2為襯底頂面示意圖【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0012]結(jié)合圖1和圖2所示，一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，包括襯底1、兩塊下極板2和上極板3、直角梁4和錨區(qū)5 ;所述下極板2沉積于襯底I上表面；兩個錨區(qū)5置于襯底I上。
[0013]上極板3懸置在下極板2上方，所述直角梁4以上極板3為軸分為完全對稱的兩部分，每一部分包括兩個直角邊，其中一個直角邊41連接上極板3的一側(cè)，另一個縱直角邊42固定在一個錨區(qū)5側(cè)面；上極板3與直角梁4位于同一平面，該平面與襯底I所在平面平行；
[0014]兩塊下極板2為兩個完全相同的矩形，每個下極板2分別有一部分延伸出上極板3的覆蓋范圍，兩塊下極板2被上極板3遮蔽的面積相同；
[0015]兩塊下極板2與上極板3之間分別形成平板電容Cl和C2，在殘余應(yīng)力作用下，通過測試Cl和C2變化，達(dá)到測量目的。
[0016]該測量結(jié)構(gòu)的制備采用常規(guī)的MEMS表面加工工藝。例如，襯底I的材料可用單晶硅、犧牲層可用磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅等常用材料；結(jié)構(gòu)層(即上極板3和直角梁4)可用摻雜的多晶硅，常采用濕法腐蝕的方法去除犧牲層而釋放出結(jié)構(gòu)層。下極板為摻雜多晶硅，且表面沉積一層薄介質(zhì)層，可以是SiN等常用材料。為了測試時能夠方便的分辨出電容Cl和C2，加工中可以在襯底處添加標(biāo)記。需要指出的是，以上材料的選擇不僅限于提到的優(yōu)選材料，也可選擇金屬工藝。此處下極板也可以選擇金屬材料，優(yōu)選金或鋁，因為上下極板材料相同，上極板若選擇摻雜的多晶娃，則下極板也選擇摻雜的多晶娃；若上極板選擇金屬材料，則下極板也選擇金屬材料。
[0017]表面微機(jī)械加工必須在襯底上生長犧牲層、結(jié)構(gòu)層等，其中淀積、退火等工藝過程中的溫度變化不可避免地使結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。若殘余應(yīng)力為張應(yīng)力，結(jié)構(gòu)層釋放后會產(chǎn)生收縮；而殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)層釋放后會產(chǎn)生伸展。利用這種結(jié)構(gòu)變化造成的電容變化，可對殘余應(yīng)力進(jìn)行測試。測試方法如下:
[0018](為了方便辨別，分別標(biāo)示圖1中相對位于上方的下極板A為21，下方的下極板為B22)
[0019]I)存在張應(yīng)力時，直角梁4中的縱直角邊42發(fā)生收縮，長度變短，所形成的力矩拉動上極板3向后方移動。這時，上極板3與上方的下極板A21間的對應(yīng)面積減小，但上極板3與下方的下極板B22間的對應(yīng)面積增大，電容Cl小于C2。
[0020]2)存在壓應(yīng)力時，直角梁4中的縱直角邊42發(fā)生伸展，長度變長，所形成的力矩推動上極板3向前方移動。這時，上極板3與上方的下極板A21間的對應(yīng)面積增大，但上極板3與下方的下極板B22間的對應(yīng)面積減小，電容Cl大于C2。
[0021]3)表面微機(jī)械加工未產(chǎn)生殘余應(yīng)力時，釋放后結(jié)構(gòu)層長度不變，上極板3不發(fā)生明顯移動，這時，電容Cl基本等于電容C2。
[0022]因此，利用所述測試結(jié)構(gòu)，分別測量電容Cl和C2的大小，并加以比較，則可推測上極板3因釋放而發(fā)生平移的方向和距離，進(jìn)而判斷出結(jié)構(gòu)層殘余應(yīng)力的性質(zhì)及大小。
[0023]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括襯底(I)、兩塊下極板(2)和上極板(3)、直角梁(4)和兩個錨區(qū)(5)； 所述下極板(2)沉積于襯底(I)上表面； 所述兩個錨區(qū)(5 )置于襯底(I)上； 所述上極板(3)懸置在下極板(2)上方，所述直角梁(4)以上極板(3)為軸分為完全對稱的兩部分，每一部分包括兩個直角邊，其中一個直角邊(41)連接上極板(3)的一側(cè)，另一個縱直角邊(42)固定在一個錨區(qū)(5)側(cè)面；上極板(3)與直角梁(4)位于同一平面，該平面與襯底(I)所在平面平行； 所述兩塊下極板(2)分別有一部分延伸出上極板(3)的覆蓋范圍，兩塊下極板(2)被上極板(3)遮蔽的面積相同； 兩塊下極板(2)與上極板(3)之間分別形成平板電容Cl和C2。
2.如權(quán)利要求1所述的一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2 )上涂覆有介質(zhì)薄層，該介質(zhì)薄層材料為氮化硅。
3.如權(quán)利要求1所述的一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2 )材料為摻雜多晶硅。
4.如權(quán)利要求1所述的一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述兩塊下極板(2)為兩個完全相同的矩形。
5.如權(quán)利要求1所述的`一種電容式表面微機(jī)械加工殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述下極板(2)和上極板(3)的材料相同。
【文檔編號】G01L1/14GK103604536SQ201310618847
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】唐潔影, 王磊, 蔣明霞 申請人:東南大學(xué)