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专利名称：用于微电子机械系统的非硅薄膜力学特性复合测量方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统的材料测量技术领域，特别是一种用于微电子机械系统(MEMS)的非硅薄膜力学特性复合测量方法。
背景技术：
MEMS是微电子技术与机械和光学等技术结合的产物。MEMS及其相关技术使制造光、机、电、磁、声、热等微型化和集成化功能器件成为可能，并为功能的复合创造了条件，不但可明显提高现有产品的性能和竞争力，还可为创造新器件和新系统奠定基础。因而MEMS 日益得到世界各国的重视，并得到了迅速的发展。在MEMS中，多数器件的微机械结构是薄膜结构。薄膜的力学特性与MEMS器件的性能和可靠性密切相关，尤其是多数情况下需要得到自由可动的结构单元以实现其功能的器件，如微机械开关、微阀、微马达、微加速度计等。对于这些MEMS器件，它们所使用薄膜微结构的力学特性，需要准确地测量与描述，以便于仿真分析和优化设计，确定器件失效的临界加载情况等。通常所见到的材料力学性能的列表数据，都是由大体积材料样本测得的。但是， MEMS并非传统意义下宏观机电系统的简单几何尺寸缩小。机械尺寸微小型化后，构件材料的力学特性和构件在环境介质中的行为以及所受体积力和表面力的相对关系等与宏观尺度下材料相比，均发生了变化。同时，材料结构尺寸的微型化使得测试力学性能的传统测试方法和测试仪器由于物理尺寸的限制已不再适用。精确的测量只有设计与微结构尺寸相当的测试器件才能实现。目前，人们对微尺度硅类材料的力学特性的测量研究，已经有了相当的积累。而非硅类微结构材料的力学特性参数则相对缺乏。对于涉及多种材料应用的MEMS 领域，对非硅类微结构薄膜的力学性能研究，具有重要的实际意义。对微尺度下结构材料力学性能的测试，有纳米压痕法、单轴拉伸法、薄膜弯曲实验、静电静态加载驱动实验、扭转实验、谐振法等，它们都有一定的局限性。更重要的是，它们都是根据一种机理进行的测试，所能测得的力学性能参数有限。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于MEMS的非硅薄膜力学特性复合测量方法，该方法利用弯曲-扭转复合测量机构，能够实现对微观尺度非硅材料薄膜力学性能多角度、精确的测试，为相关优化设计提供参考依据，以适应MEMS系统优化设计及其工作稳定性和可靠性研究工作的需要。本发明的目的是这样实现的
一种用于MEMS的非硅薄膜力学特性复合测量方法，该方法包括以下具体步骤 a)设定待测量样品单元结构
在衬底上设置呈“十”字形的悬梁及扭梁，悬梁两端的上电极和衬底上的下电极能够用于静电驱动，其中扭梁的截面为倒“T”形；b)样品单元的制作
第一步、以玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷片或表面平整的基片作衬底，用传统方法清洗和烘干衬底；
第二步、在经第一步处理的衬底上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层与种子层合为第一粘附-种子层，第一粘附-种子层的厚度为80nm，其中粘附层厚度为20nm，种子层厚度为60nm ；
第三步、在第一粘附-种子层上涂第一光刻胶，用传统方法烘胶后光刻下电极及引线的结构图形，第一光刻胶的厚度为1 30μπι;
第四步、在第三步得到的下电极及引线的结构图形上电镀下电极及引线，电镀的金属是金、铜、坡莫合金或镍，其厚度与第一光刻胶相同，剩余的第一光刻胶充当牺牲层；
第五步、在第一光刻胶和下电极及引线上涂第二光刻胶，用传统方法烘胶后，光刻支撑立柱的结构图形，第二光刻胶的厚度为1 30 μ m ；
第六步、第五步得到的结构图形上电镀支撑立柱，电镀的金属是金、铜、坡莫合金或镍， 其厚度与第二光刻胶的相同，剩余的第二光刻胶充当牺牲层；
第七步、在第二光刻胶和支撑立柱上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层和种子层合为第二粘附-种子层，第二粘附-种子层的厚度为80nm，其中粘附层厚度为20nm，种子层的厚度为60nm ；
第八步、在第二粘附-种子层上涂第三光刻胶，第三光刻胶的厚度是1 30 μ m，传统方法烘胶后，光刻上电极、悬梁及扭梁的结构图形，在得到的结构图形上电镀电极、悬梁及扭梁，电镀的金属是待测量的薄膜材料；重复一次本步骤，将扭梁7做成截面为倒“T”形； 第九步、将牺牲层材料刻蚀去除，使悬梁及扭梁释放悬空。C)测量
利用薄膜材料力学特性弯曲-扭转复合测量线路系统，对制作好的样品单元采用非接触式静电驱动-悬梁两端交替激励至谐振、悬梁两端同时激励弯曲变形，利用垂直扫描干涉对悬梁及扭梁薄膜结构进行谐振频率及原位变形的非接触静/动态的测量，将结果进行比对分析，结合ANSYS仿真，能够得到较为精确、全面的薄膜结构材料的力学性能特征参数。本发明的有益效果
(1)、利用准LIGA微加工技术的优势，得到具有对称性的测量样品单元，由于测量样品单元悬梁、扭转结构的存在，使得该测量结构同时能进行弯曲和扭转实验，从而实现对材料力学性能弯曲弹性模量、剪切弹性模量、屈服强度、断裂强度、疲劳损伤强度等多个特征参数、尤其是包括泊松比ο的测试与评价；
⑵、利用易于变形的弯曲方法以减小测量的相对误差，利用测试结构的对称性进一步减小测量误差，同时运用ANSYS仿真技术考虑空气环境的影响，进行原位、非接触式加载与测量以避免机械切割、试件夹持对中操作等的不利影响，通过采用多方面多角度的综合措施以保证测量的精确性。


图1为本发明的待测量样品单元结构示意图；图2为本发明的待测样品单元制作流程图3为本发明的薄膜材料力学特性弯曲-扭转复合测量线路系统图。
具体实施方式
实施例参阅附图1、图2及图3，本发明包括以下步骤
a)设定待测量样品单元结构
在衬底1上设置呈“十”字形的悬梁6及扭梁7，悬梁6两端的上电极8和衬底1上的下电极9能够用于静电驱动，其中扭梁7的截面为倒“T”形；
b)样品单元的制作
第一步、以玻璃片作衬底1，用传统方法清洗和烘干衬底1 ；
第二步、在经第一步处理的衬底1上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层与种子层合为第一粘附-种子层2，第一粘附-种子层2的厚度为80nm，其中粘附层和种子层的厚度分别为20nm和60nm ；
第三步、在第一粘附-种子层2上涂第一光刻胶3，用传统方法烘胶后，光刻下电极9及引线4的结构图形，第一光刻胶3的厚度是10 μ m ；
第四步、在第三步得到的下电极9及引线4的结构图形上电镀下电极9及引线4，电镀的金属是铜，其厚度与第一光刻胶3的相同，剩余的第一光刻胶3充当牺牲层；
第五步、在第一光刻胶3和下电极9及引线4上涂第二光刻胶3’，用传统方法烘胶后， 光刻支撑立柱5的结构图形，第二光刻胶3’的厚度是20 μ m ；
第六步、在第五步得到的结构图形上电镀支撑立柱5，电镀的金属是铜，其厚度与第二光刻胶3’的相同，剩余的第二光刻胶3’充当牺牲层；
第七步、在第二光刻胶3’和支撑立柱5上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层和种子层合为第二粘附-种子层2’，第二粘附-种子层2’的厚度为80nm，其中粘附层和种子层的厚度分别为20nm和60nm ；
第八步、在第二粘附-种子层2’上涂第三光刻胶3”，第三光刻胶3”的厚度是20 μ m,传统方法烘胶后，光刻上电极8、悬梁6及扭梁7的结构图形，在得到的结构图形上电镀上电极 8、悬梁6及扭梁7，电镀的金属是待测量的镍薄膜材料； 重复一次第八步，将扭梁7做成截面为倒“T”形的结构； 第九步、将牺牲层材料刻蚀去除，使悬梁6及扭梁7释放悬空。C)测量
利用薄膜材料力学特性弯曲-扭转复合测量线路系统，对制作好的样品单元采用非接触式静电驱动-悬梁两端交替激励至谐振、悬梁两端同时激励弯曲变形，利用垂直扫描干涉对悬梁及扭梁薄膜结构进行谐振频率及原位变形的非接触静/动态的测量，将结果进行比对分析，结合ANSYS仿真，得到镍薄膜材料的弯曲弹性模量、剪切弹性模量、屈服强度、断裂强度、疲劳损伤强度等多个力学特征参数以及该材料的泊松比ο。本发明样品单元制作步骤中，电镀材料为铜、镍或坡莫合金，若待测量材料为不易电镀得到，如铝硅合金，则需要将上述制作步骤的第八步改为溅射工艺得到待测材料；如果待测量材料为不导电的，如氮化硅，则需要将上述制作步骤的第八步中的电镀成份用作导电层，再在其上溅射得到待测量的薄膜材料。
权利要求
1. 一种用于MEMS的非硅薄膜力学特性复合测量方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤a)设定待测量样品单元结构在衬底(1)上设置呈“十”字形的悬梁(6)及扭梁(7)，悬梁(6)两端的上电极(8)和衬底(1)上的下电极(9)能够用于静电驱动，其中扭梁(7)的截面为倒“T”形；b)样品单元的制作第一步、以玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷片或表面平整的基片作衬底(1)，用传统方法清洗和烘干衬底(1);第二步、在经第一步处理的衬底(1)上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射Cu，作种子层，粘附层与种子层合为第一粘附-种子层(2)，第一粘附-种子层(2)的厚度为80nm，其中粘附层厚度为20nm，种子层厚度为60nm ；第三步、在第一粘附-种子层(2)上涂第一光刻胶(3)，用传统方法烘胶后光刻下电极 (9)及引线(4)的结构图形，第一光刻胶(3)的厚度为1 30μ m ；第四步、在第三步得到的下电极(9)及引线(4)的结构图形上电镀下电极(9)及引线 (4)，电镀的金属是金、铜、坡莫合金或镍，其厚度与第一光刻胶(3)相同，剩余的第一光刻胶 (3)充当牺牲层；第五步、在第一光刻胶(3)和下电极(9)及引线(4)上涂第二光刻胶(3’)，用传统方法烘胶后，光刻支撑立柱(5)的结构图形，第二光刻胶(3’)的厚度为1 30μπι ；第六步、第五步得到的结构图形上电镀支撑立柱(5)，电镀的金属是金、铜、坡莫合金或镍，其厚度与第二光刻胶(3’)的相同，剩余的第二光刻胶(3’)充当牺牲层；第七步、在第二光刻胶(3’)和支撑立柱(5)上溅射Cr，作粘附层，再在粘附层上溅射 Cu,作种子层，粘附层和种子层合为第二粘附-种子层(2’)，第二粘附-种子层(2’)的厚度为80nm，其中粘附层厚度为20nm，种子层的厚度为60nm ；第八步、在第二粘附-种子层(2’)上涂第三光刻胶(3’’)，第三光刻胶(3’’)的厚度是 1 30μπι，传统方法烘胶后，光刻上电极(8)、悬梁(6)及扭梁(7)的结构图形，在得到的结构图形上电镀电极(8)、悬梁(6)及扭梁(7)，电镀的金属是待测量的薄膜材料；重复本步骤，使扭梁(7)截面为倒“Τ”形；第九步、将牺牲层材料刻蚀去除，使悬梁(6 )及扭梁(7 )释放悬空；c)测试利用薄膜材料力学特性弯曲-扭转复合测量线路系统，对制作好的样品单元采用非接触式静电驱动-悬梁两端交替激励至谐振、悬梁两端同时激励弯曲变形，利用垂直扫描干涉对悬梁(6)及扭梁(7)薄膜结构进行谐振频率及原位变形的非接触静/动态的测量，将结果进行比对分析，结合ANSYS仿真，能够得到较为精确、全面的薄膜结构材料的力学性能特征参数。
全文摘要
本发明公开了一种用于微电子机械系统的非硅薄膜力学特性复合测量方法，该方法的样品单元是在衬底上设置呈“十”字形的悬梁及扭梁，悬梁两端的上电极和衬底上的下电极能够用于静电驱动，其中扭梁的截面为倒“T”形；其制备包括衬底的准备；溅射Cr/Cu电镀种子层；涂胶、烘胶、光刻图形化；电镀引线及上下电极；电镀扭悬梁；去除光刻胶及部分电镀种子层，实现悬空结构的释放步骤；对制备的样品单元采用非接触式静电驱动悬梁两端交替激励至谐振、悬梁两端同时激励弯曲变形，利用垂直扫描干涉系统对其薄膜结构进行谐振频率及原位变形的非接触静/动态的测量，将结果进行比对分析，结合ANSYS仿真，得到较为精确、全面的薄膜结构材料的力学性能特征参数。本发明能同时进行弯曲和扭转实验，从而实现对材料力学性能多个特征参数、尤其是包括泊松比σ的测试与评价，具有相对误差小、精度高的优势。
文档编号G01N3/00GK102374948SQ20111028039
公开日2012年3月14日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者张永华, 郭方敏, 陈德智 申请人:华东师范大学