一种导电薄膜材料残余应力的在线测量方法及测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种导电薄膜材料残余应力的测量方法及其对应的测量装置。本发明专利技术利用静电驱动Pull‑in(吸合)原理设计测量结构，并通过采用同步加工控制两个测量件的参数的关联性，通过限制两个测量件总应变能的相关参数，进而约束其总应变能的偏微分方程组，通过求解偏微分方程组的方式得到两测量件未知的残余应力σ0和杨氏模量E数值。本发明专利技术通解决了未知材料参数、未知残余应力的大小和正负(张应力或压应力)情况下无法对导电薄膜材料进行的实时测量的难题。具有测量结构简单、电信号加载和测量简便、计算方法稳定、测量效率高的特点。

On line measuring method and device for residual stress of conductive film material

The invention provides a method for measuring the residual stress of conductive film material and a corresponding measuring device. The invention uses Pull in (electrostatic pull) measurement principle and structure design, and through the use of synchronous processing related control two parts of the measurement parameters, by limiting the two measuring total strain energy related parameters, and the constraint of the total strain energy of partial differential equations, the equations for solving the partial differential measurement residual two unknown value of stress and Young's modulus of 0 Sigma E. The invention solves the residual unknown material parameters, unknown stress and negative (Zhang Yingli or stress) real-time measurement problem under the condition of conducting films are unable to. The utility model has the advantages of simple measuring structure, convenient loading and measuring of electric signals, stable calculation method and high measuring efficiency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及导电薄膜在线测量领域，尤其涉及在线测量导电薄膜材料残余应力的测量领域。
技术介绍
微机电器件的性能与材料物理参数有密切的关系，而制造微机电器件的材料物理参数又与制造工艺过程有关。即材料的制造工艺过程不同，其物理参数也将不同。在线测量目的就在于实时地测量由具体工艺制造的微机电材料物理参数。微机电器件结构的基本的材料通常是薄膜材料，通常通过化学气相沉积(CVD)方法制备得到。残余应力是材料的重要物理参数，对微机电器件的性能有着显著的影响。通常，残余应力可以通过制作测量样品由专门的仪器进行离线测量。但离线测量方法无法实时得到材料的物理参数，并且会提高测量成本。因而，微机电产品的制造厂商希望能够在工艺线内通过通用的测量仪器进行在线测量，以及时反映工艺控制水平。因此，在线测量成为工艺监控的必要手段。传统的方法中，为了测得材料的残余应力，首先需要测得材料的杨氏模量。杨氏模量的测量通常通过施加电压产生静电力来驱动梁结构发生Pull-in(吸合)现象而得到。而残余应力的测量则需要额外的测量结构。在线测量通常需要通过特殊的结构和计算以提取材料的物理参数。采用电学激励和电学测量的方法，通过测量得到电学量再配合有针对性的计算方法，才能能够得到材料的物理参数。但是测量结构通常只针对张应力状态或者只针对压应力状态而设计，无法在未知材料参数、未知残余应力的大小和正负(张应力或压应力)情况下进行测量。本专利技术提出了一组测量结构和一种微机电系统导电薄残余应力的计算方法，在未知材料参数的基础下，对测量结构进行简单的电压扫描激励并测量Pull-in(吸合)电压，将测量得到的相应电压代入计算公式，利用结构关联性消去其他参数影响，即可最终得到微机电系统导电薄膜材料的残余应力及杨氏模量。这种方法对于压应力或张应力同样适用，不受限制于加工工艺条件。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)导电薄膜材料残余应力的在线测量方法及测量装置。通过静电驱动待测材料产生Pull-in(吸合)现象，通过对一组简单的双端固支梁Pull-in(吸合)电压测量，在未知材料参数、未知残余应力的大小和正负(张应力或压应力)情况下，通过计算测得导电薄膜材料的残余应力及杨氏模量。首先，为实现上述目的，提出一种导电薄膜材料残余应力的测量方法，其特征在于，步骤如下：第一步，将长度为L1、宽度为W、厚度为H的第一测量件安装在第一驱动电极的上方，第一测量件与第一驱动电极之间间隔一层空气间隙；将长度为L2的、宽度为W、厚度为H的第二测量件安装在第二驱动电极的上方，第二测量件与第二驱动电极之间间隔一层空气间隙；第二步，向第一驱动电极施加缓慢增大的驱动电压，并实时监测第一驱动电极与第一测量件之间的电阻值，当第一驱动电极与第一测量件之间的电阻值跳变为有限值时(即发生纵向吸合现象。电压未达到产生纵向吸合现象的阈值前，由于第一驱动电极与第一测量件之间不存在电连接，两者之间的电阻值为无穷大；当发生纵向吸合现象时，测量件发生形变，与驱动电极形成电连接，两者之间电极由无穷大跳变为某一固定的电阻值，即此处所述的有限值。此处的“某一固定电阻值”可能会由于具体测量件的材料、尺寸、结构等的不同而有所区别。但由于此处的电阻值只是用来判断测量件是否发生纵向吸合，因而具体阻值大小并不影响测量。)，记录跳变瞬间第一驱动电极上所施加的驱动电压为第一纵向吸合电压UPI1；第三步，向第二驱动电极施加缓慢增大的驱动电压，并实时监测第二驱动电极与第二测量件之间的电阻值，当第二驱动电极与第二测量件之间的电阻值跳变为有限值时(即发生纵向吸合现象，两者之间电极由无穷大跳变为某一固定的电阻值，即此处所述的有限值)，记录跳变瞬间第二驱动电极上所施加的驱动电压为第二纵向吸合电压UPI2；第四步，对第一测量件和第二测量件分别进行准静态的能量法分析： P = P ϵ + P e = E · w 2 ∫ - h 2 h 2 ( ∫ - l 2 2 l ϵ t o t a l 2 d x ) d z + ϵ e · w · 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电薄膜材料残余应力的测量方法，其特征在于，步骤如下：第一步，将长度为L1、宽度为W、厚度为H的第一测量件(104‑1)安装在第一驱动电极(103‑1)的上方，第一测量件(104‑1)与第一驱动电极(103‑1)之间间隔一层空气间隙；将长度为L2的、宽度为W、厚度为H的第二测量件(104‑2)安装在第二驱动电极(103‑2)的上方，第二测量件(104‑2)与第二驱动电极(103‑2)之间间隔一层空气间隙；第二步，向第一驱动电极(103‑1)施加缓慢增大的驱动电压，并实时监测第一驱动电极(103‑1)与第一测量件(104‑1)之间的电阻值，当第一驱动电极(103‑1)与第一测量件(104‑1)之间的电阻值跳变为有限值时，记录跳变瞬间第一驱动电极(103‑1)上所施加的驱动电压为第一纵向吸合电压UPI1；第三步，向第二驱动电极(103‑2)施加缓慢增大的驱动电压，并实时监测第二驱动电极(103‑2)与第二测量件(104‑2)之间的电阻值，当第二驱动电极(103‑2)与第二测量件(104‑2)之间的电阻值跳变为有限值时，记录跳变瞬间第二驱动电极(103‑2)上所施加的驱动电压为第二纵向吸合电压UPI2；第四步，对第一测量件和第二测量件分别进行准静态的能量法分析：P=Pϵ+Pe=E·w2∫-h2h2(∫-l22lϵtotal2dx)dz+ϵe·w·U22·∫-l22l1g0-ωdx]]>ϵtotal=ϵbending+ϵstretching+ϵresidual=-z·d2ωdx2+12l∫-l22l(dωdx)2dx+σ0E,]]>ω=c2·(1+cos(2πxl))]]>其中，εe为空气的介电常数，w为测量件的宽度，U为施加的电压，g0为测量件与驱动电极之间空气间隙的厚度，x为测量件长度方向上的位置，l为测量件的总长度，z为在测量件厚度方向上的位置，σ0为残余应力，E为杨氏模量，ω为挠度函数，c为测量件中心位置的挠度；将第一、第二测量件的宽度W带入试件的宽度w，将第一纵向吸合电压UPI1和第二纵向吸合电压UPI2分别带入施加的电压U，将第一测量件的长度L1和第二测量件的长度L2分别带入测量件的总长度l；第五步，根据第四步的公式带入求解下面的偏微分方程组：dP1dc1=0,d2P1dc12=0dP2dc2=0,d2P2dc22=0]]>其中，下标1代表第四步的公式带入第一测量件参数所得到的方程，下标2代表第四步的公式带入第二测量件参数所得到的方程；根据初始的驱动电压为0得到初始的测量件中心位置的挠度为：求解计算上述偏微分方程组得到残余应力σ0和杨氏模量E。...

【技术特征摘要】
1.一种导电薄膜材料残余应力的测量方法，其特征在于，步骤如下：第一步，将长度为L1、宽度为W、厚度为H的第一测量件(104-1)安装在第一驱动电极(103-1)的上方，第一测量件(104-1)与第一驱动电极(103-1)之间间隔一层空气间隙；将长度为L2的、宽度为W、厚度为H的第二测量件(104-2)安装在第二驱动电极(103-2)的上方，第二测量件(104-2)与第二驱动电极(103-2)之间间隔一层空气间隙；第二步，向第一驱动电极(103-1)施加缓慢增大的驱动电压，并实时监测第一驱动电极(103-1)与第一测量件(104-1)之间的电阻值，当第一驱动电极(103-1)与第一测量件(104-1)之间的电阻值跳变为有限值时，记录跳变瞬间第一驱动电极(103-1)上所施加的驱动电压为第一纵向吸合电压UPI1；第三步，向第二驱动电极(103-2)施加缓慢增大的驱动电压，并实时监测第二驱动电极(103-2)与第二测量件(104-2)之间的电阻值，当第二驱动电极(103-2)与第二测量件(104-2)之间的电阻值跳变为有限值时，记录跳变瞬间第二驱动电极(103-2)上所施加的驱动电压为第二纵向吸合电压UPI2；第四步，对第一测量件和第二测量件分别进行准静态的能量法分析： P = P ϵ + P e = E · w 2 ∫ - h 2 h 2 ( ∫ - l 2 2 l ϵ t o t a l 2 d x ) d z + ϵ e · w · U 2 2 · ∫ - l 2 2 l 1 g 0 - ω d x ]]> ϵ t o t a l = ϵ b e n d i n g + ϵ s t r e t c h i n g + ϵ r e s i d u a l = - z · ...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾一帆，周再发，黄庆安，李伟华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32