MEMS多层膜材料参数提取测试研究

论文总字数：35942字

摘 要

众所周知，诸如杨氏模量、残余应力等材料力学参数不仅对MEMS器件的结构和功能有很大的影响，而且对MEMS 器件的成品率、使用寿命、工作可靠性等也有极大的影响，因此这些力学参数需要被准确地测量出来。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。而制造过程中，残余应力是不稳定的应力状态。由于材料本身性质的原因，或者是因为外界环境的影响，残余应力的影响是无法避免的。因此，准确的测量杨氏模量与残余应力对于工艺控制，器件优化有着重要的作用。

在已有的薄膜材料力学参数测量方法上，大多数都是针对单层薄膜材料进行测量。但是对于微加工工艺中的某种材料，单层薄膜的方法已经不再适用。并且一些对于多层薄膜的测量方法只能测出一种参数，如杨氏模量或者残余应力，无法得知两种参数之间的相互影响。因此，多层薄膜的研究有着更为广阔的发展前景。双层膜结构是最为简单的一种，以此为基础可以举一反三，从而推导出多层膜材料的各层性质。本文基于多晶硅-金属的双层悬臂梁结构，用ANSYS软件构建曲率半径与一阶谐振频率的测试系统进行模拟验证，用谐振频率法的原理推导出理论模型，并对有限元方法和理论模型之间的误差进行比对和分析。

关键词：双层悬臂梁 ,杨氏模量，残余应力, 一阶谐振频率，测试结构

A Study on Extraction and Test of Parameters Using MEMS Multilayer Thin Films

Abstract

As is known to all, material mechanics parameters, such as young's modulus, residual stress and so on, not only have great effect on the function of MEMS devices, but also have great influence on yield, service life and work reliability of MEMS devices, so these mechanical parameters need to be accurately measured. Young's modulus is to describe quantity ability of solid materials to resist deformation, which can be considered as an index which shows the tendency of this material to resist elastic deformation. In the process of manufacturing, residual stress is an unstable stress state. Due to the nature of the material itself or the influence of the external environment, the influence of residual stress is inevitable. Therefore, the accurate measurement of young's modulus and residual stress plays an important role in controlling and device optimization.

As for the present measuring methods for mechanical parameters of thin film materials, most of them are suitable for single-layer thin film materials. But for a micro process craft of some materials, the method for the single-layer thin film is no longer applicable. And because some measuring method for multilayer films can only detect one kind of parameters, such as young's modulus or residual stress. Thus there is no way to know the mutual influence between two kinds of parameters. Therefore, the study of multilayer films has a broader prospect. Double-layer thin films structure is the simplest one. Based on it, the property of the multiple-layer thin films can be deduced. Based on the poly - metal double-layer cantilever beam structure, this article uses ANSYS to build a test system and a simulation model for the radius of curvature and the first resonance frequency. The principle of resonant frequency method is adopted to deduce the theoretical model and compares the errors between the finite element method and the theoretical model.

KEY WORDS: Double cantilever beam, young's modulus, residual stress, the first resonance frequency, test structure

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 MEMS简介 1

1.2 MEMS的特点 1

1.3 主要分类 2

1.3.1 传感MEMS 2

1.3.2 生物MEMS 2

1.3.3 MEMS光学扫描仪 2

1.3.4 射频MEMS 3

1.4 课题研究的背景和意义 3

1.5相关测试方法综述 5

1.5.1 薄膜材料力学参数测试方法分类 5

1.5.2 薄膜材料力学参数测试方法介绍 5

1.5.2.1 基片曲率测试法 5

1.5.2.2 微梁旋转法 6

1.5.2.3 静电执行法 7

1.5.2.4 纳米压痕法 9

1.5.2.5 谐振频率法 10

1.6 主要研究内容 11

第二章 悬臂梁材料参数测试结构 12

2.1悬臂梁谐振模型 12

2.1.1 等效杨氏模量与等效残余应力的概念 12

2.1.2 释放后挠曲的多层悬臂梁模型 12

2.2有限元模拟与仿真 14

2.2.1 ANSYS软件简介 14

2.2.2 测试结构仿真 15

2.2.2.1 改变杨氏模量的悬臂梁测试结构仿真（以后统称情况一） 15

2.2.2.2 改变残余应力的悬臂梁测试结构仿真（以后统称情况二） 17

2.3 小结 19

第三章 双层悬臂梁模型的理论算法 20

3.1 曲率半径的提取 20

3.2 双层悬臂梁材料一阶谐振频率与曲率半径的理论算法 22

3.2.1 一阶谐振频率的理论算法 22

3.2.2 曲率半径的理论算法 23

3.3 双层悬臂梁材料一阶谐振频率与顶端最大挠度的理论数据 23

3.3.1 情况一：一阶谐振频率的理论数据 23

3.3.2 情况一：曲率半径的理论数据 24

3.3.3 情况二：一阶谐振频率与曲率半径的理论数据 25

第四章 总结 27

致谢 28

附录A ANSYS仿真代码（以多晶硅层的杨氏模量为120GPA为例） 32

附录B 计算曲率半径代码 36

附录C 改变杨氏模量的情况下梁挠曲时对一阶谐振频率与曲率半径的提取 37

附录D 改变杨氏模量情况下梁近似平直时对一阶谐振频率的提取 39

附录E 改变残余应力情况下梁挠曲时对一阶谐振频率与曲率半径的提取 40

2. 绪论

1.1 MEMS简介

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）即称为微电子机械系统，是指在微电子技术基础上发展起来的^[1] ，结合了电、力、热、光、电磁和流体等技术的尖端科技，被誉为“微观世界的建筑学”。MEMS可以批量制造的微型器件或者器件组合，其尺寸在大约在0.1m ~ 1000m范围内，并且近年来随着NEMS的发展，研究的特征尺寸正在向1nm甚至更小的尺寸发展。

MEMS是一项革命性的新技术，也是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术^[2] ，并且广泛应用于高新技术产业之中。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。它以把信息的获取、处理和执行集成在一起为目标^[3] ，组成具有多功能的微型系统并集成于大尺寸的系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 

由于MEMS发源于微电子技术，以硅为主要材料，并且其主要的加工技术沿用半导体制造工艺，所以在某些程度上可以认为MEMS是IC集成电路的延伸。利用集成电路加工技术，微机械传感器和执行器可以与信号处理电路和控制电路同时集成在一块芯片上，通过这种单片集成方式，可以制造出多部件、功能复杂的MEMS器件与系统，为器件带来性能上的优越。并且通过集成电路加工技术，MEMS加工技术不再需要传统机械加工中的组装方法，如机器拾取或人工装配等，从而可以高精度、批量生产微器件与微系统，并且降低了成本，实现了整体工艺一致性、批量制造的可重复性优越。

MEMS在汽车、军事、航空、航天、环境监控、生物医学以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革，并在不久的将来，会对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为加速度计、微陀螺仪、压力传感器和硬盘驱动头等^[4] 。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈现迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇，但也是严峻的挑战^[5] 。

1.2 MEMS的特点

总体来说，MEMS器件具有“3M”特点，即小型化（Miniaturization）、微电子集成（Microelectronics Integration）以及高精度批量制造（Mass Fabrication with Precision）^[6] 。

(1) 微型化：MEMS器件体积小、惯性小、耗能低、重量轻、响应时间短、谐振频率高。^[7]

(2) 机械及电性能优良：硅作为主要材料，具有很多优势：Si的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，稳定性好；^[8] 几乎不受热膨胀、噪声的影响，具有较高的抗干扰性，因此可在较恶劣的环境下工作。

(3) 可批量化生产：硅的微加工工艺可以在一片硅片上同时制造上千个微型机电装置或者是完整的MEMS，^[9] 在很大程度上降低了生产成本。

(4) 集成化：把不同功能、不同感应方向或工作方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微执行器阵列、微传感器阵列，甚至把各种功能的器件集成在一块芯片上，形成复杂的微系统^[10] 。

(5) 多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、物理、化学、生物信息与自动控制等多种学科，不仅如此，还结合了当今科学技术发展的许多尖端成果，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。

MEMS发展通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以不仅完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的高度。^[11]

1.3主要分类

1.3.1 传感MEMS

传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件等来感受转换电信号的器件和系统。这里所指的敏感元包括电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等。传感MEMS包括磁、光、声、速度、湿度、压力、气体、生物、化学、加速度等各种传感器，按种类分主要有:面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。^[12] 传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由于传感器是人类探索自然界的触角，是各种自动化装置的神经元，并且由于其应用领域广泛，未来将备受世界各国的重视^[13] 。

1.3.2 生物MEMS

生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器，它在衬底上制造出了微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为一个多功能芯片,可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。概括地说，它把传统的分析实验室几乎全部的功能微缩在一个芯片上。^[10] 生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上生物MEMS的研究已成为热点，不久将在生物、化学分析系统领域带来一场重大的革新。^{[12] [13]}

1.3.3 MEMS光学扫描仪

随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术^[13] ，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:一是基于MOEMS的新型显示、投影设备，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制^[14] ；二是通信系统，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件，主要研究内容是通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变。MOEMS的特点是具有很强的综合性和学科交叉性，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。

1.3.4 射频MEMS

射频MEMS技术传统上分为固定式和可动式两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面^[13] ，由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面和由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。^[12]

随着时间的推移和技术的逐步发展，MEMS所包含的内容正在不断增加，并变得更加丰富。世界著名信息技术期刊《IEEE论文集》在1998年的MEMS专辑中将MEMS的内容归纳为：集成传感器、微执行器和微系统。微机械、微结构、灵巧传感器和智能传感器也被归入MEMS范畴。制作MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的LIGA技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器；而对于微加工技术，它很适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等。^[15] 这样做的优点是可以充分发挥微电子技术的优势，从而可以利用MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性的微小卫星。

MEMS技术是一个新兴技术领域，其发展已经历了10多年时间，已显示出了巨大的生命力。MEMS技术大都以现有技术为基础，用由大到小的技术途径制作出来，发展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率。MEMS技术的发展极有可能对科学技术和人类生活产生革命性的影响，尤其对微小卫星的发展影响更加深远，必将为大批量生产低成本高可靠性的微小卫星打开大门。

• 1. 课题研究的背景和意义

微电子机械系统是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统,^{[16] [17]} 已广泛应用于多种领域，且范围还在不断扩大。在多数MEMS应用中,MEMS系统所用材料的力学性能是保证系统正常运行的关键参数^[19] ，与大型机械系统相似,材料的选择和对材料力学性能参数的准确测量与描述对于MEMS系统来说也起着关键作用^[20] 。随着MEMS工艺的发展和完善，用表面微机械加工技术和体硅加工工艺，已经做出了多种微型机械构件，如微悬臂梁、微桥等结构。这些微型机械构件，由于尺寸较小，在宏观上往往被看作薄膜结构^[18] ，因此其力学参数已经不是我们所熟知的宏观机械材料的机械参数，也不能用此来形容其力学特性^[19] 。之所以在表面微机械结构的加工过程中薄膜材料力学参数(例如，残余应力、杨氏模量等)的控制变得尤其重要，其原因是由于薄膜材料具有较强的尺寸效应，薄膜材料的力学性能与具有相同化学成分的大体积材料的力学性能有较大的差异，各种传统的力学性能测试技术与设备也不能直接用于薄膜材料的测试^[20] 。其次，微构件的力学特性还难以用常规的方法测试,存在着很多困难,比如因尺寸较小而带来的安装对准的困难和摩擦力带来的实验偏差的问题等^[21] 。这些困难导致薄膜材料力学性能数据至今仍很匮乏, 已成为微机电系统CAD发展的重要的制约因素^[22] ，因此对于MEMS材料力学性能试验技术的研究已迫在眉睫。所以针对薄膜材料力学特性的测试与评价技术,以及利用这些技术对各种材料进行测试、收集数据的研究是十分必要的。

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