关键词：
MEMS
多层薄膜
力学参数
在线测试
谐振频率
挠度
摘要：
微电子机械系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems),是指在微电子技术基础上发展起来的,结合了电、力、热、光、电磁和流体等技术的尖端科技。近年来,CMOS MEMS技术被广泛应用于MEMS加工中,制造出了多种多样的微器件和微系统。众所周知,诸如杨氏模量、残余应力等材料力学参数对MEMS器件的结构和功能有很大的影响。然而对于CMOS MEMS工艺薄膜材料而言,在不同的加工工艺条件下,即使相同的材料也往往会表现出明显不同的材料特性,因此这些力学参数需要被准确地测量出来。但是,一方面由于尺寸相对较小,薄膜材料的材料参数难以利用经典的宏观表征技术进行实验测量；另一方面,CMOS MEMS器件往往使用多层薄膜结构,将已有的测试单层薄膜材料力学参数方法应用到多层薄膜材料参数测量上却并不容易。因此,建立工艺兼容的对多层薄膜材料力学参数的在线测试结构和测试方法,对于监测MEMS薄膜材料力学特性,预测和优化产品性能,保证产品性能可靠、均匀一致并且长期稳定,具有非常重要的意义。对于特定的在线测试结构和方法,所要求的标准如下：测试结构加工工艺必须与被监测工艺相兼容,测试结构几何简单、占用面积小、坚固可重复使用,测量方法简单直接。本论文主要针对CMOS MEMS工艺的多层薄膜材料,设计了测试多层薄膜材料各层膜的杨氏模量和残余应力的在线测试结构,并提出了相应在线测试方法。本论文的主要工作包括：第一,采用Euler-Bernoulli梁结构,建立了不等宽多层微机械薄膜梁动力学模型,其中不仅建立了在残余应力作用下释放后保持初始平直的多层双端固支梁的谐振模型以及释放后发生屈曲的多层双端固支梁的谐振模型,而且考虑到了残余应力作用下的多层悬臂梁的挠曲,建立了多层悬臂梁的谐振模型。第二,首次提出了一种通过检测多层双端固支梁谐振频率提取多层薄膜材料杨氏模量和残余应力的方法,并且首次提出了一种利用多层微悬臂梁谐振频率和多层双端固支梁谐振频率提取多层薄膜材料杨氏模量和残余应力的方法,还第一次提出了一种通过检测多层微悬臂梁挠度和谐振频率以及多层双端固支梁谐振频率,对多层薄膜材料杨氏模量和残余应力进行提取的方法,所有方法均考虑到双端固支梁释放后保持初始平直的状态以及释放后发生屈曲的状态,具有广泛的适应性。第三,设计了测试结构,通过对测试结构谐振频率和挠度的测试,提取出了多晶硅和金的杨氏模量和残余应力,其中多晶硅的杨氏模量为148.7+5.5GPa,残余应力为-15.42±1.15MPa,金的杨氏模量为78.2±5.5GPa,残余应力为18.51±4.81MPa。测试结构简单,对芯片面积占用非常少,测量方便,适合对CMOS MEMS工艺进行在线监测。本文所提出的测试结构简单,加工方法与CMOS MEMS工艺兼容,测试方法简单可靠具有可重复性。经过仿真模拟和实验测试,本文提出的测试结构和测试方法得到了验证,适用于多层薄膜材料力学参数的在线测量,可以应用在实际工艺线上。
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