MEMS压电薄膜材料压电系数的提取方法和在线测试结构研究

摘要

随着微电子机械系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）工艺的不断进步与完善，越来越多的微机械结构得以设计并制造出来。这些可动的微机械结构大多尺寸很小，需要用到大量的薄膜结构。但是由于薄膜结构的力学行为与宏观的大块机械材料之间的差距很大，所以不能用所熟知的宏观机械材料的机械参数来衡量薄膜结构材料的力学性能。因此，在线测试对于每一批次的薄膜材料特性的监控具有重要的作用。 随着MEMS器件集成化、微型化的要求逐渐提高，压电薄膜作为一个备受关注的材料登上了历史的舞台。由于薄膜的压电性能决定着器件的设计和使用寿命，因此准确测量压电薄膜的压电系数是相关MEMS产品的重要支撑技术之一，而横向压电系数d31更是成为这方面的重点研究内容。但是由于压电薄膜的压电系数的提取模型不是十分成熟，因此目前对一套能够准确提取压电薄膜材料的压电系数的在线测试方法的需求是十分迫切的。 本文主要研究了表面微加工工艺中多晶硅薄膜材料的力学参数和压电薄膜材料的特性参数的在线测试方法。主要的测试结构是多层悬臂梁，结构简单直接，所需工艺与成熟的加工工艺兼容，且测试重复性强，操作简单。主要研究思路是首先提取多层悬臂梁的各层杨氏模量，并将此带入到压电薄膜的横向压电系数d31的提取过程中，进而提高了横向压电系数d31的准确性。主要内容是：1.对于薄膜材料的杨氏模量的提取，分别从欧拉-伯努利梁（Euler–Bernoulli梁）结构和铁木辛柯梁（Timoshenko梁）结构这两方面建立谐振模型，且又将欧拉-伯努利梁（Euler–Bernoulli梁）结构分为初始平直和初始挠曲的多层悬臂梁两方面进行讨论；2.对于压电薄膜的特性参数的提取，分别用两种方法进行对比验证：一种是本文提出的能量法，另一种则是经典的力平衡法；3.本文针对测试结构进行了有限元仿真，误差均小于8%，证实了提出的两种薄膜材料参数提取模型的可靠性，同时也进行了版图设计和流片实验，并对薄膜的力学参数进行了在线测试，与纳米压痕法所得到结果进行对比，误差均小于9%，证明了该理论模型的正确性。

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