随着MEMS 加工工艺地不断成熟与发展, 微机械加工技术已经越来越多地应用在传感器和执行器的制造过程中. MEMS 器件的性能除了受设计与工艺加工影响外, 还对材料参数非常敏感. MEMS 器件与普通微电子器件的一个重要的差别在于:MEMS 器件可能存在可运动部分, 也就是说, 有一些MEMS 器件的工作是通过运动来完成的. 例如,MEMS 谐振器, 它的核心是一个做振荡运动的部件, 当外部激励频率达到谐振器的本振频率后, 谐振器产生最大运动幅度的振荡. 该振荡频率以及振荡幅度除了和尺寸参数有关外, 还和制造器件的材料参数有关. 又如, 以悬臂梁结构为核心制做的MEMS 开关, 当结构被释放后, 由于残余应力的作用, 悬臂梁可能会发生上翘或下弯, 即偏离了设计者希望保持的水平态, 这将导致开关阈值发生变化. 由于MEMS 运动性能对材料及参数特别敏感, 因此设计者必须了解实际的材料参数. 所谓实际的材料参数正是设计问题的难点, 因为材料参数不但和材料的属性有关, 还和材料在加工过程中所受到的处理有关, 如果加工过程温度不同, 温度变化的快慢不同, 都会导致材料参数的差异. 正是因为MEMS 器件的性能对材料参数非常敏感, 所以, 对MEMS 材料参数的测试十分重要, 尤其是这些参数的在线测试. 例如, 我们经常需要知道实际的薄膜残余应力、杨氏模量、薄膜的热扩散率等表面微机械结构加工的薄膜材料参数. 因为它们和加工工艺及工艺过程有关, 所以, 如何在工艺线环境下进行在线的跟踪测试就成为一个具有实际价值的技术.
1 在线测试系统组成
在线测试系统由三个主要部分组成: 测试图形;测试信号生成、处理电路及外围附件; 专用软件.测试图形是一组专门设计的硅结构组芯片, 它由一组不同结构和形状的测试图样组成. 该结构随MEMS 器件的工艺加工被同步加工, 目的是能够实时跟踪工艺, 反映材料参数的真实情况.
测试信号生成、处理电路及外围附件是用于产生所需要的电压、电流以及读取测试图形产生的测试响应的硬件. 处理电路包括测试输入输出信号放大、衰减电路, 外围附件包括探针台, 计算机及内置数据采集卡.
专用软件包括两个主要部分: 测试信号控制软件, 材料参数提取、计算分析软件.
测试系统的基本工作原理是通过对MEMS 器件材料参数测试结构施加一定性质与幅度的电压或电流, 迫使测试结构产生相应的动作, 如位移、振动、发热、膨胀等, 同时发生电参量的变化, 如电流、电压等, 通过分析这些参量的变化, 代入数学模型或其他类型的模型, 通过开发的专门软件将所需要掌握的材料参数提取获得, 如MEMS 材料的杨氏模量、残余应力、断裂强度、热膨胀率、热导率, 热扩散率等等. 测试系统工作流程如图1 所示:
由测试信号控制软件控制模拟信号输出卡输出测试信号, 经处理电路处理( 放大, 衰减等) 提供激励信号给测试结构, 测试结构发生运动产生响应信号再经处理电路处理后由模拟信号输入卡采集数据给测试信号控制软件进行数据处理, 之后把数据提供给计算分析软件得出材料参数.
测试信号生成及测试信号采集都是由测试信号控制软件通过数据采集卡来完成, 本系统采用的数据采集卡是研华公司的PCI1723D/ A 卡和PCI1716A/ D 卡.
2 测试图形
在线测试系统要求测试结构必须具有简便性和准确性, 占用芯片面积小, 采用圆片级测试并且不需要复杂的设备. 本系统设计的测试结构采用电参量测试方法, 激励信号和响应信号均为电信号, 测试方法简单并且不需要复杂的测试设备, 能用于工艺线上的在线测试. 以杨氏模量测试结构[ 1] 和热扩散率测试结构[ 2] 为例, 测试图形如图2 所示.
3 测试信号生成、处理电路
由测试控制软件控制采集卡生成的测试信号受采集卡的输入输出范围限制并不能满足各个测试结构的测试要求, 测试信号需要经过处理电路进行相应的处理, 如信号的放大或衰减, 根据各个测试参数的测试要求, 设计了相应的处理电路模块, 如杨氏模量的线性可调升压电路, 热扩散率的电流源, 热导率的电压源等等. 结合采集卡, 为每个参数的处理电路模块合理分配输入输出通道, 如图3 所示:
PCI1723D/ A 有8 个电压输出通道- channel 0~ channel 7, PCI1716A/ D 有16 个输入通道-channel 0~ channel 15. 测试系统用了7 个输出通道和13 个输入通道, 输出channel 1 为共用通道, 这些输出通道为每个处理电路提供测试信号, 测试信号经电路处理后得到的响应信号由输入通道采集, 整个测试过程由测试控制软件自动完成.
4 专用软件- 测试信号控制软件, 材料参数提取、计算分析软件
本系统设计的测试信号控制软件包括对材料的杨氏模量、残余应力、断裂强度、热膨胀率、热导率 热扩散率等参数的测试. 根据各个参数的具体测试要求设计信号的生成及对应信号的采集. 如杨氏模量的测试, 要求提供给测试结构的激励信号是个缓慢增大的电压, 得到的响应信号是测试结构发生吸合时的激励信号. 因此, 数据采集卡结合外部的信号处理电路在测试信号控制软件的控制输出所需的激励信号同时采集测试结构在激励信号下发生的响应信号. 图4 是杨氏模量和热扩散率的测试软件. 计算分析软件如后面的图7 所示, 将测试数据及测试结构的几何参数代入, 就能得出所需的参量参数.
5 测试结果
以测试多晶硅的杨氏模量参数为例说明整个测试系统的工作流程. 选择由标准牺牲层加工工艺制作的多晶硅双端固支梁进行测试, 两种多晶硅测试结构的几何参数是:
多晶硅梁1 长度200 um, 宽度20 um, 厚度2um, 高度2 um.
多晶硅梁2 长度850 um, 宽度20 um, 厚度2um, 高度2 um.
测试图形如图2( a) 所示, 测试方法是获得两个不同长度的梁的吸合电压[ 1] , 处理电路是线性可调升压电路, 检测电路由R7 和D1 ~ D3 组成. 升压电路增益为Vout= ( 1+ R2 / R3 ) * Vref U( 1+ R2 / R3 ) * Vin= Av* Vin . 在没有吸合时测试结构类似电容, 可调电阻R7和二极管D1、D2、D3 回路开路没有电流, Vsample 电压为零, 当测试结构发生吸合时, 回路导通, Vs ample 为三个二极管的导通电压之和. 基于二极管的伏安特性,Vsample 不随回路电流变化而变化, 基本保持恒定, 因此能保护后级的数据采集卡. 电路图如图5 所示:
按照电路图接好电路, 启动测试控制软件开始测试. 当发生吸合是, V sample电压升高, 这时的激励信号V ou t 即为测试结构的吸合电压. 如图6 测试出长度为200 Lm 的多晶硅梁的吸合电压. 将测量值及测试结构的几何参数提供给计算分析软件就可得到多晶硅的杨氏模量参数. 杨氏模量的计算分析软件如图7 所示, 得出多晶硅的杨氏模量: 161. 78 GPa,残余应力: 100. 19 MPa.
6 结 论
本文设计的MEMS 薄膜材料参数在线测试系统基于数据采集结合软件和硬件能自动的完成各个材料参数的在线提取. 测试方法采用电学测量法, 测试图形简单, 不需复杂的测试设备, 能即时准确的获得测试结构发生的电参量变化并自动给出材料参数. 适合工业上的大规模生产.
参考文献:
[ 1] 聂萌, 黄庆安, 王建华, 戎华, 李伟华. 静电执行的MEMS 多层膜材料参数在线提取方法[ J ] . 半导体学报, 2004, 25( 11) :1537-1543.
[ 2] 戚丽娜, 许高斌. 多晶硅薄膜热扩散率的测试结构. 中国机械工程, 2005, 16( 增刊) : 393~ 395.
[ 3] Behzad Razavi. 模拟cmos 集成电路设计[ M] . 西安: 西安交通大学出版社, 2002.
[ 4] Q A H uang, N K S Lee. An aly sis and Design of Polysil iconT hermal Flexure Actu at or [ J ] . J. Micr om ech . Microeng，1999, 9: 64-70.
[ 5] M von Arx, O Paul , H Balt es. T est S t ructure t o M easure theDif fusivit y of Polysil icon Thin Film s [ J] . IEEE Transact ionson S emi conduct or Man ufacturin g, 1998, 11( 2) : 217-224.
[ 6] Rong H ua, Hun g Qing. an, NIe Men g, et al. An Anal yti calModel f or th e Pu l-l In Volt age of Doubly-Clamped Mu lt-i LayerBeams. C hinese Journ al of Sem iconduct ors, 2003, 24 ( 11 ) :1185 ( in Chines e) [ 戎华, 黄庆安, 聂萌等. 两端固支多层梁吸合电压的解析模型. 2003, 24( 11) : 1185] .
[ 7] Sentu ria S D. CAD Challege for Micr os ens ors, M icroactuator s, and Microsyst em s[ J] . Proceedin gs of th e IEEE, 1998,86( 8) : 1611.
[ 8] Bochobza- Degani O, Nemirovsk y Y. Model ing the Pul-l in Paramet er s of El ect ros tat ic Actuators w ith a Novel Lumped T w oDegrees of Freedom Pu l-l in Model [ J] . S ens ors an d Actuat orsA 2002, 97-98: 569.
[ 9] Najaf i K, Suz uki K. A Novel T ech nique an d St ru cture f or theMeasu rement of Int rinsic S tr ess and You ng's Modulus of ThinFilms, Micro El ect ro M ech anical Syst em s, 1989, Proceedings ,'An Invest igat ion of Micro S t ructures[ J] , Sen sors, Actuat ors ,Machines an d Robot s'. IEEE , 20-22 Feb. 1989: 96.
