微观表面粘附能的测量方法
【专利摘要】本发明提供一种微观表面粘附能的测量方法。利用拉伸仪拉伸已粘附双端固支梁所在的芯片，在梁中引入拉应力，使其结构刚度增加而克服粘附力抬升，直至解粘附。观测拉伸力大小和粘附形貌的对应关系可作为测量和研究表面粘附能的依据。该方法相比传统粘附能测量方法，具有简单、灵活、分辨率高、节省面积、可重复性好等优点。
【专利说明】微观表面粘附能的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微观表面粘附能的测量方法，属于微电子机械系统测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 微电子机械系统（MEMS)技术基于微电子工艺和材料制作微型可动结构，实现微 观世界多能域的传感、执行和供能等功能，开拓了现代科技新的发展方向。
[0003]目前常规MEMS可动器件的加工方法通常有两种，表面微机械加工技术和体微加 工技术。前者通过在器件衬底上淀积多层薄膜，然后腐蚀其中某层薄膜（牺牲层）的方法 释放可动结构。后者通过直接光刻、腐蚀整块材料的方法获得可动结构。无论哪种，在相邻 两结构材料间隙小于微米/亚微米量级时，宏观领域中可以忽略的作用力将在该间隙中发 挥相对显著作用，包括由液体或水汽引起的毛细力，间隙两边材料间的范德瓦尔斯力，以及 可能的卡西米尔力等等。这些力通常随着间隙尺度的减小而非线性增加，达到一定程度后， 将克服结构的弹性回复力，使相邻结构粘附在一起，影响正常工作。一般将这些力统称为粘 附力，将微结构粘附稳定后对应的能量成为粘附能。测量粘附能对于了解微观物理机制，提 高MEMS器件的可靠性有重要意义。
[0004] 目前文献中已有的测量粘附能的方法可总结为以下几类：
[0005] 1)利用表面微机械工艺加工长短不一的悬臂梁结构。利用HF溶液将微结构释放 后，因为梁和结构间隙中毛细力的影响，致使结构刚度较小的长梁自然粘附到衬底上。一般 称该现象为释放后粘附，或自动粘附。观测悬臂梁粘附部分的长度，粘附梁的形貌，以及未 粘附梁的临界长度，可根据梁的弹性回复能推算出粘附能的大小。该方法简单，但不够灵 活，组梁的加工较浪费测试结构面积。
[0006] 2)利用表面微机械工艺加工长短不一的悬臂梁结构，利用静电力使其吸合在当前 衬底上，再逐渐减小静电力直至其解粘附。观测粘附形态和电压的关系可推论出粘附能的 信息。此法简单，较灵活，可控制粘附形态的改变。但不够精确，静电力非线性强，分辨率不 高，且其加载过程中导致诸多次级效应，影响测量重复性。
[0007] 3)利用表面微机械工艺加工单一悬臂梁结构，并准备另一独立固定的衬底上。采 用纳米级精密仪器移动悬臂梁所在结构，逐渐增加悬臂梁与衬底的间距，观测粘附形态和 移动距离的关系可了解粘附能的信息。此法测量精确，但操作繁琐，要求高。
[0008] 4)根据测量对象选用合适体工艺加工不同尺寸的面外可动的弹簧-质量块系统。 其中增大质量块面积为了加强粘附力度，减小弹簧系数为了增加粘附样本数目，加大间隙 距离为了避免结构自然粘附的可能。利用原子力探针给各质量块加载，使其触及衬底并粘 附。观测结构粘附和未粘附之间的临界尺寸由此反推粘附能的大小。此法测量灵敏、精确， 适于测量不同材料表面粘附能，但工艺复杂，同样较浪费结构面积。
[0009] 5)加工面内可动结构，利用静电力或热弹性力使结构在面内与相邻结构粘附。根 据观测到的粘附情况反推粘附能。此法显然无法测量衬底和结构间，即面内粘附的粘附能。 [0010] 综上所述，粘附能测量的关键技术包括测试结构和加载方式。一般希望测试结构 简单，节约面积，普遍性强；希望加载方式简单，灵活，分辨率高，可控范围大，最好能控制微 结构从未粘附到粘附，再到解粘附的多种状态。已有的方法在其中某些要求上各自存在某 个方面的缺陷。
【发明内容】
[0011] 本发明基于双端固支梁结构，提供了一种简单、灵活的测量方法解决了 MEMS领域 表面粘附能的全面测量问题。
[0012] 本发明根据所需要测量对象的需要，选择合适工艺，例如体工艺、表面工艺等，在 一个测试芯片上加工一根双端固支梁结构。控制退火工艺，保证加工的双固梁器件上没有 显著的残余应力。将结构用湿法释放，烘干，使得释放后的结构自动粘附。或采用原子力显 微镜或其它简单方法迫使结构粘附到衬底上。设计时需要选择合适的梁长，要保证该双固 梁刚度足够小，可以保持粘附稳定而不会自动回复，且粘附部分较长，粘附能较大。
[0013] 接着，将梁所在硅芯片两端用强力胶粘贴，或利用夹具固定在拉伸试验仪上，并使 双固梁长方向与拉伸方向相同。接着根据硅芯片的材料参数控制拉伸仪的拉伸力，拉伸芯 片至所需正应变大小，一般可控制在100-400微应变范围。该拉伸应变经由锚区传递到双 固梁上，形成梁的轴向应力。根据应力刚化效应可知，拉伸应变的双固梁的结构刚度会增 力口，也即弹性回复力将增加。随着拉伸应变的不断增大，弹性回复力也将不断增加，逐渐克 服粘附力拉动双固梁抬升，直至完全解粘附，恢复水平状态。该过程中的梁的形貌，包括梁 粘附部分的长度，可由微观光学方法如白光干涉仪等进行测量。通过观测芯片所受拉伸应 变与梁粘附形貌的对应关系，可以得到测量和研究粘附能所需的数据。必要时，还可松动拉 伸仪，使梁回到粘附位置，重复测试。
[0014] 如用该方法对某硅基芯片进行粘附能的测试，可以采用以下步骤，步骤流程图如 附图1所示：
[0015] 1)选择合适梁长的双端固支梁结构，使梁结构刚度较小，容易粘附。采用MEMS硅 工艺和材料在矩形硅测试芯片上加一根适当长度的双端固支梁。控制退火工艺使得梁结构 中残余应力为最低。
[0016] 2)使用HF溶液对加工好的整个芯片连带梁结构进行湿法释放，利用原子力探针 迫使该梁粘附到衬底上且不回复或使梁在释放后自动粘附到衬底上。
[0017] 3)将测试芯片两端用强力胶，或夹具固定在拉伸试验仪上，并使梁长方向对准拉 伸方向；
[0018] 4)逐渐加大拉伸仪拉力，使梁中拉应变和结构刚度增加，克服粘附力逐渐抬升，直 至完全解粘附，回复水平位置，根据硅的弹性模量值控制拉伸仪的拉伸力，使正应变范围一 定之间，不致导致芯片或梁被拉断；
[0019] 5)利用白光干涉仪记录不同拉伸力对应的双端固支梁的粘附长度。根据粘附梁理 论可计算得到芯片表面粘附能的大小为：
[0020]
【权利要求】
1. 一种微观表面粘附能的测量方法，其特征在于： 一个用于测量的双端固支梁固定于待测试芯片的表面，双端固支梁通过控制工艺参数 具有最低的残余应力； 采用应力刚化效应，拉伸已粘附的双固梁结构所在芯片，引入拉应变，使得双端固支梁 弹性回复力增加，逐渐克服粘附力使梁抬升，粘附长度减小，直至完全解粘附回复到水平状 态； 利用光学方法观测提取双端固支梁在应力变化整个过程中的参数变化，通过粘附能计 算公式计算粘附能。
2. 与权利要求1所述的结构及原理配套的测量方案，其特征在于，具体包括以下步骤： 1) 选择合适梁长的双端固支梁结构，使梁结构刚度较小，容易粘附。采用MEMS硅工艺 和材料在矩形硅测试芯片上加一根适当长度的双端固支梁。控制退火工艺使得梁结构中残 余应力为最低。 2) 使用HF溶液对加工好的整个芯片连带梁结构进行湿法释放，利用原子力探针迫使 该梁粘附到衬底上且不回复或使梁在释放后自动粘附到衬底上。 3) 将测试芯片两端用强力胶，或夹具固定在拉伸试验仪上，并使梁长方向对准拉伸方 向； 4) 逐渐加大拉伸仪拉力，使梁中拉应变和结构刚度增加，克服粘附力逐渐抬升，直至完 全解粘附，回复水平位置，根据硅的弹性模量值控制拉伸仪的拉伸力，使正应变范围一定之 间，不致导致芯片或梁被拉断； 5) 利用光学方法，如白光干涉仪记录不同拉伸力对应的双端固支梁的粘附形貌，由此 计算和分析表面粘附能的大小，以及随粘附长度的变化关系。
3. 与权利要求1所述的结构及原理配套的计算方案，其特征在于，计算得出表面粘附 能的大小为：
其中E是梁的杨氏模量，I是梁的惯性矩，h是梁厚，L和Ls分别是梁的粘附长度。
【文档编号】G01N19/04GK104266965SQ201410544810
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】屠晨峰 申请人:东南大学