一種薄膜應(yīng)力測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)（EMES)測試技術(shù)，具體涉及一種薄膜應(yīng)力測試裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是指可批量制作的，集 微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器W及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于 一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是一個獨(dú)立的智能系統(tǒng)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi) 部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。
[0003] 微機(jī)電系統(tǒng)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺。它是W半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來 的。MEMS技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料。
[0004] 由于MEMS表面微機(jī)械加工制備的薄膜往往存在不可忽視的殘余內(nèi)應(yīng)力。薄膜中 較大的殘余內(nèi)應(yīng)力容易影響器件的剛度和諧振頻率等重要的靜、動態(tài)設(shè)計參數(shù)，直接影響 所設(shè)計器件的性能，甚至導(dǎo)致器件失效。對薄膜應(yīng)力進(jìn)行精確的測量為工藝設(shè)計與器件模 擬提供了必要的依據(jù)。
[0005] 薄膜應(yīng)力測量的方法可分為直接和間接兩種方法。直接法代表為采用X-射線儀 和微拉曼光譜儀測量獲得，該類方法成本高，不利于廣泛推廣使用。間接法代表為通過測量 試樣變形(位移和曲率變化等)，例如環(huán)結(jié)構(gòu)、金剛石結(jié)構(gòu)和指針旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)測量關(guān)鍵點(diǎn)的平 面位移，雙端固支梁陣列和息臂梁測量關(guān)鍵點(diǎn)的離面位移，但是該些方法也存在一些缺點(diǎn)， 例如，1、由于微結(jié)構(gòu)本身的變形，導(dǎo)致測量誤差增大。2、微結(jié)構(gòu)的形狀尺寸、支撐部分與基 底的夾角、過刻蝕等工藝誤差也會影響測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種薄膜應(yīng)力測試裝置和方法，能夠有效客服 現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，通過精密的匹配結(jié)構(gòu)，來降低微結(jié)構(gòu)本身形變而導(dǎo)致的誤差增大，同時 通過嚴(yán)格的對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，來降低微結(jié)構(gòu)形狀尺寸、支撐部分與基底的夾角等帶來的誤差。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種薄膜應(yīng)力測試裝置，包括對 軸稱設(shè)計的至少兩個固定端，每一固定端與一固定梁連接，每一固定梁的另一自由端通過 一固定梁連接頸與一息臂梁一端呈一夾角連接，兩息臂梁的另一端通過兩息臂梁連接頸夾 設(shè)一指針梁，所述指針梁靠近一息臂梁而遠(yuǎn)離另一息臂梁，所述指針梁與息臂梁連接頸連 接之處具有一彎折角度a,使得指針梁與距離較近的息臂梁的夾角范圍為10° -90°，所 述指針梁指向一刻度尺，所述刻度尺包括形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測 薄膜，其上設(shè)有梳齒結(jié)構(gòu)，用于配合指針梁讀取所述指針梁的擺動值。
[0008] 進(jìn)一步的，所述夾角度數(shù)范圍為40。-90°。
[0009] 進(jìn)一步的，每一息臂梁中部區(qū)域通過一息臂梁連接頸連接一固定基板，兩固定基 板呈中也對稱分布，其對稱中也與整體結(jié)構(gòu)對稱中也重疊。
[0010] 進(jìn)一步的，所述固定端個數(shù)為2-4個。
[0011] 進(jìn)一步的，所述指針梁端部為針狀。
[0012] 一種薄膜應(yīng)力測試方法，適用于上述裝置，包括W下步驟： 去除薄膜下方的犧牲層，對稱設(shè)置的固定梁產(chǎn)生伸縮位移分別通過各自的固定梁連接 頸傳遞給對應(yīng)的息臂梁， 各息臂梁將位移進(jìn)行旋轉(zhuǎn)放大，并將旋轉(zhuǎn)放大后的位移呈中也對稱方式經(jīng)指針梁連 接頸傳遞給指針梁，指針梁在軸對稱分布下的指針梁連接頸作用對旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為擺動位 移， 所述指針梁通過擺動位移相對刻度尺具有一定刻度值，讀取刻度值并通過線彈性理論 公式求解出薄膜中的殘余應(yīng)力。
[0013] 本發(fā)明通過采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明的裝置通過固定梁、旋轉(zhuǎn)梁、指針梁、刻度尺、固定梁連接頸、旋轉(zhuǎn)梁連接頸、指 針梁連接頸、固定端。薄膜應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)在薄膜上采用刻蝕技術(shù)制備，固定梁的一端連接在 固定端，在薄膜下方的犧牲層去除之后，由于薄膜內(nèi)部的殘余應(yīng)力作用，固定梁產(chǎn)生的伸縮 位移通過固定梁連接頸傳遞給旋轉(zhuǎn)梁，旋轉(zhuǎn)梁將位移進(jìn)行一級放大，放大后的位移然后經(jīng) 指針梁連接頸傳遞給指針梁，在對稱布置的指針梁連接頸的作用下對位移二次放大，二次 放大后的位移轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樍旱臄[動位移，指針梁尖端擺動的值通過刻度尺上的刻度讀出， 根據(jù)線彈性理論即可求解出薄膜中的殘余應(yīng)力。本發(fā)明所設(shè)計的二級微位移放大結(jié)構(gòu)具有 結(jié)構(gòu)簡單、位移放大倍數(shù)高、應(yīng)力測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合測量功能薄膜內(nèi)部的殘余應(yīng) 力。
[0014] 本發(fā)明的方法運(yùn)用于上述裝置，通過息臂梁、旋轉(zhuǎn)臂和指針梁將固定梁的微笑位 移二次放大成指針梁的擺動位移，并且通過刻度尺直接得到，并通過線彈性理論公式求解 出薄膜中的殘余應(yīng)力。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是圖1的A部放大示意圖。
[0017] 圖3是圖1的B部放大示意圖。
[001引圖4是圖1的C部放大示意圖。
[0019] 圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的一級位移放大示意圖。
[0020] 圖6為本發(fā)明的實(shí)施例的二級位移放大示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0022] 作為一個具體的實(shí)施例，如圖1所示，本發(fā)明的一種薄膜應(yīng)力測試裝置，均通過 ICP刻蝕技術(shù)在基片上制備，包括對軸稱設(shè)計的至少兩個固定端1，兩個固定端1包括形成 于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜。所述固定端1個數(shù)為2-4個，但是本實(shí) 施例采用了 2個固定端1，每一固定端1與一固定梁2連接，每一固定梁2的另一自由端通 過一固定梁連接頸3與一息臂梁9 一端呈一夾角連接，所述夾角度數(shù)范圍為40° -90°，本 實(shí)施例中采用了 90°。不同夾角的設(shè)計對于整個產(chǎn)品的小型化和力矩平衡性具有影響，本 發(fā)明通過多次實(shí)驗(yàn)及理論分析，得到了 40° -90°的夾角范圍內(nèi)，能夠滿足整個產(chǎn)品小型 化和平衡性的和諧統(tǒng)一。
[0023] 兩息臂梁9的另一端通過兩指針梁連接頸8夾設(shè)連接一指針梁7,所述指針梁7靠 近一息臂梁9而遠(yuǎn)離另一息臂梁9,所述指針梁與指針梁連接頸8連接之處具有一彎折角度 a,使得指針梁與距離較近的息臂梁9的夾角范圍為10° -90°，所述指針梁端部為針狀， 所述指針梁的端部指向一刻度尺，所述刻度尺包括形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層 上的待測薄膜，其上設(shè)有梳齒結(jié)構(gòu)，用于