基于热驱的微梁弯曲强度在线检测系统、制造方法及应用

本发明属于微电子机械系统(mems)领域，具体公开了一种基于热驱的微梁弯曲强度在线检测系统、制造方法及应用。

背景技术：

1、微电子机械系统(mems)是一种集成了微电子技术和机械工程的先进技术，主要用于制造微型化的传感器和执行器。与传统器件相比，mems器件具有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短、灵敏度高以及易于集成等优点，广泛应用于消费电子产品、汽车工业、化工、医药乃至具有极端环境的专业领域的方方面面，基于该技术制造的产品包括压力计、陀螺仪、催化传感器、静电制动光投影显示器等。

2、作为mems技术中制造可动结构主要手段之一的深刻蚀释放(drie)工艺，在实际制造过程中存在着不同程度的刻蚀表面不平整的现象，该现象的存在会直接导致在刻蚀过程中可动结构侧壁出现随机分布的微裂纹或微损伤缺陷，从而影响微结构的实际断裂强度，造成较为严重的工艺可靠性问题。因此，通过提取经由drie工艺制造的微结构断裂强度来实现对该工艺的质量监控及可靠性检测至关重要。其中，微梁的弯曲断裂强度就是最为重要的参数之一。

3、目前，常见的提取材料弯曲断裂强度的方法很多，包括应用于传统片外试验机的四点弯曲测试以及应用于片上试验机的等强度悬臂梁集中力弯曲等，传统的四点弯曲测试无法实现对于微米级尺度结构的固定、夹取与加载，而应用于片上试验机的等强度悬臂梁集中力弯曲由于无法通过测试得到明确刻蚀裂纹的起始位置(试样表面或内部)而无法准确表征深刻蚀释放的工艺质量。同时对于片上弯曲断裂强度测试而言，常见的加载方式是通过探针台探针施加位移负载，存在定位偏差以及无法排除由于人为操作探针时偶然误差操作对器件结构造成较大破坏等问题。以上方法均对于深刻蚀工艺的工艺质量监控和器件结构的可靠性预测存在一定的局限性，故需提出一种能够避免上述局限性问题的测量方法。

技术实现思路

1、针对上述提到的问题，本发明提出了一种基于热驱的微梁弯曲强度在线检测系统、制造方法及应用，本在线检测系统可以和功能器件一起流片制作以获取测试样品结构。本检测系统中新设计的片上试验机依靠自身的电阻梁发热进行能量加载和释放，能够实现上电后全自动的弯曲断裂强度在线检测及测试结果提取，可用来进行深刻蚀释放工艺的监控以及对于mems器件结构的可靠性预测。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种基于热驱的微梁弯曲强度在线检测系统，包括：片上试验机和片上被测试样；

4、该片上试验机包括：两个热驱加载执行器、两个双梁隔热结构、一个v型放大杠杆、一个感兴趣区域定位标记结构、一个双锤头结构以及两对第一固定锚点，均关于片上试验机的中线对称；热驱加载执行器由若干组平行的v型热驱梁构成，各组v型热驱梁的两端连接于一对第一固定锚点，各组v型热驱梁的中间拐角处彼此相连；双梁隔热结构的一端连接v型热驱梁的中间拐角处内侧，另一端连接v型放大杠杆的一端；感兴趣区域定位标记结构的一侧连接v型放大杠杆的中间部位，另一侧连接双锤头结构；双锤头结构包括两个锥型锤头；

5、该片上被测试样包括：两个刚性块状结构、一个弯曲测试梁、两个弹性悬挂折叠梁以及两个第三固定锚点、两个第四固定锚点，均关于片上被测试样的中线对称；弯曲测试梁的两端连接两个刚性块状结构，并与双锤头结构相对；两个第三固定锚点位于弯曲测试梁的远离双锤头结构的一侧且留有间隔，并位于两个锥型锤头的中间位置；弹性悬挂折叠梁的一端与刚性块状结构连接，另一端连接于第四固定锚点。

6、进一步地，每个热驱加载执行器由10组等宽等长等间隔的v型热驱梁构成。

7、进一步地，双梁隔热结构由两根相互平行的细长梁构成，两根细长梁之间的部分镂空。

8、进一步地，感兴趣区域定位标记结构的中间部位含有三个尺寸相同、间隔相同的矩形槽。

9、进一步地，双锤头结构中的两个锥形锤头为圆弧形，两个锥形锤头中间的凹槽部分形状为等腰梯形。

10、进一步地，片上试验机还包括两个第二固定锚点，位于双锤头结构的横向两侧。

11、进一步地，第一、第四固定锚点的结构形状可为正方形、长方形或平行四边形；第二固定锚点的结构形状为矩形；第三固定锚点的结构形状为头部为圆弧形，尾部为矩形。

12、进一步地，弹性悬挂折叠梁由若干根相互平行的弹性梁串联组成。

13、一种基于热驱的微梁弯曲强度在线检测系统的制造方法，包括以下制造片上试验机的步骤：

14、对硅片的正面进行光刻及各向异性刻蚀，形成固定锚点，包括第一至第四固定锚点；

15、在玻璃表面进行光刻及湿法腐蚀，形成浅槽，然后在浅槽内溅射金属并剥离定义互连金属图形，得到防横向钻蚀电极；

16、将上述硅片和玻璃片进行阳极键合，将玻璃上的防横向钻蚀电极压入硅片的固定锚点区；

17、通过湿法腐蚀工艺对硅片的背面减薄，并在硅片的背面淀积一层sio2层作为硬掩模；

18、通过光刻和刻蚀工艺在硅片的背面形成与上述硬掩模厚度相同的凹槽结构，作为硅面电极区；

19、在硅面电极区淀积金属得到金属电极，作为热驱加载执行器的电压加载点；

20、通过光刻和深刻蚀释放工艺，释放可动结构，得到片上试验机。

21、进一步地，硅片选用n型单晶硅片，电阻率为0.001～0.003ω·cm；在玻璃表面的浅槽内溅射ti、pt和au三种金属。

22、一种基于热驱的微梁弯曲强度在线检测系统在微梁静态四点弯曲断裂强度检测上的应用，包括以下步骤：

23、对热驱加载执行器进行上电，将热驱电压从0v依次增大到预设值，控制双锤头结构的加载挠度；在不同的热驱电压下，对弯曲测试梁进行静态弯曲加载，观察弯曲测试梁的静态弯曲变形情况；

24、若弯曲测试梁未发生弯曲断裂，先对热驱加载执行器进行下电处理，待热驱加载执行器恢复室温后，对热区加载执行器重新执行上电操作，直至弯曲测试梁成功断裂，记录此时的电压值；

25、通过图像亚像素边缘分析测量系统读取加载挠度，并将读取的加载挠度及对应的电压值带入comsol仿真模型进行仿真模拟，得到弯曲测试梁的静态弯曲断裂强度。

26、本发明取得的有益效果如下：

27、1)本发明的在线检测系统可排除传统四点弯曲测试梁的人为偶然误差操作缺陷，实现新型全自动测试；

28、2)本发明的在线检测系统通过引入双梁隔热结构，避免了热驱加载执行器端上电时产生的焦耳热对实际加载挠度带来的误差；

29、3)本发明的在线检测系统通过引入感兴趣区域定位标记结构，通过图像亚像素边缘分析测量方法直接实现加载挠度的读取，同时提高了测量精度；

30、4)本发明的在线检测系统通过在弯曲测试梁两侧引入刚性块状结构及弹性悬挂折叠梁，可实现被加载的片上被测试样的成功定位及夹持；

31、5)本发明的在线检测系统可以对微尺度结构的弯曲测试梁进行静态四点弯曲测试；

32、6)本发明的在线检测系统可以对弯曲测试梁进行工艺监控及器件结构的可靠性预测。