微結(jié)構(gòu)(MEMS)材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)

1、微結(jié)構(gòu)（微結(jié)構(gòu)（MEMS）材料力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)）材料力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)vMEMSMEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)了所用材料微尺度力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)了所用材料微尺度力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。的發(fā)展。MEMS的定義：的定義： microelectromechanical system(微電子機(jī)械系統(tǒng)微電子機(jī)械系統(tǒng))是集傳感、信息處理和執(zhí)行于一體的集成微系統(tǒng)。是集傳感、信息處理和執(zhí)行于一體的集成微系統(tǒng)。MEMS所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)（小體積、大批量、低成本、可靠性），近所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)（小體積、大批量、低成本、可靠性），近十年來(lái)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家高新技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。十年來(lái)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家高

2、新技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。MEMS器件的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)：傳感、致動(dòng)、射頻（器件的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)：傳感、致動(dòng)、射頻（RF）、光學(xué)、生化）、光學(xué)、生化和醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域。和醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域。所使用的材料：?jiǎn)尉Ч?、和在其上形成的微、亞微米?jí)厚的薄膜所使用的材料：?jiǎn)尉Ч?、和在其上形成的微、亞微米?jí)厚的薄膜為主。為主。薄膜主要有：?jiǎn)尉Ч?、多晶硅、氧化硅、氮化硅和一些金屬、和薄膜主要有：?jiǎn)尉Ч?、多晶硅、氧化硅、氮化硅和一些金屬、和一些高分子材料。一些高分子材料。制造方法制造方法化學(xué)沉積、濺射、電鍍等方法形成薄膜，再經(jīng)光刻、蝕刻、犧牲層化學(xué)沉積、濺射、電鍍等方法形成薄膜，再經(jīng)光刻、蝕刻、犧牲層腐蝕、體硅腐蝕等形成各種形狀，構(gòu)成

3、微機(jī)械結(jié)構(gòu)。腐蝕、體硅腐蝕等形成各種形狀，構(gòu)成微機(jī)械結(jié)構(gòu)?；緲?gòu)件基本構(gòu)件主要有細(xì)絲、懸臂梁、微橋、薄膜、齒輪和微軸承等。主要有細(xì)絲、懸臂梁、微橋、薄膜、齒輪和微軸承等。當(dāng)構(gòu)件細(xì)微到微米當(dāng)構(gòu)件細(xì)微到微米/納米尺度后，材料本身的力學(xué)、物理性質(zhì)及其納米尺度后，材料本身的力學(xué)、物理性質(zhì)及其受環(huán)境的影響程度有很大變化，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的受環(huán)境的影響程度有很大變化，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)表面效應(yīng)，傳統(tǒng)的力學(xué)性能參數(shù)已不能滿足傳統(tǒng)的力學(xué)性能參數(shù)已不能滿足MEMS微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)構(gòu)件小到一定程度時(shí)，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)及加工過(guò)程的當(dāng)構(gòu)件小到一定程度時(shí)，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)

4、及加工過(guò)程的影響，材料的力學(xué)性能與體相時(shí)相比有顯著的不同，如：?jiǎn)?、多晶影響，材料的力學(xué)性能與體相時(shí)相比有顯著的不同，如：?jiǎn)?、多晶硅顯示出較大的斷裂強(qiáng)度和較小的裂紋擴(kuò)展速度等；硅顯示出較大的斷裂強(qiáng)度和較小的裂紋擴(kuò)展速度等；目前，由測(cè)試所得到的微結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能參數(shù)分散性較大，甚至目前，由測(cè)試所得到的微結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能參數(shù)分散性較大，甚至連最基礎(chǔ)的彈性模量都沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的結(jié)果。連最基礎(chǔ)的彈性模量都沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的結(jié)果。目前，硅類薄膜材料的電學(xué)、化學(xué)特性均得到了充分的了解，目前，硅類薄膜材料的電學(xué)、化學(xué)特性均得到了充分的了解，但對(duì)其力學(xué)性能的了解還甚少，主要原因是力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)但對(duì)其力學(xué)性能的了解還

5、甚少，主要原因是力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)未能跟上，對(duì)未能跟上，對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)的可靠性和失效性的研究還不充分，結(jié)構(gòu)的可靠性和失效性的研究還不充分，由于缺乏有關(guān)微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前還沒(méi)有建由于缺乏有關(guān)微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前還沒(méi)有建立起一個(gè)有效的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，嚴(yán)重地阻礙了立起一個(gè)有效的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，嚴(yán)重地阻礙了MEMS的的設(shè)計(jì)和發(fā)展。設(shè)計(jì)和發(fā)展。有些學(xué)者把這些狀況歸結(jié)為兩個(gè)主要原因：1. 解釋數(shù)據(jù)的模型不夠準(zhǔn)確2. 試件的幾何尺寸測(cè)量的誤差較大MEMS器件在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)部分的形式有限，大多數(shù)MEMS的設(shè)計(jì)包括如下一些基本單元一端固定懸臂梁兩端固定懸臂

6、梁微型薄膜微型鉸鏈微型齒輪微型彈簧微型反射板MEMS的設(shè)計(jì)和服役中需了解的力學(xué)特性的設(shè)計(jì)和服役中需了解的力學(xué)特性彈性模量：決定著器件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性；彈性模量：決定著器件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性；殘余應(yīng)力：影響器件的成品率和服役性能；殘余應(yīng)力：影響器件的成品率和服役性能；斷裂強(qiáng)度：設(shè)計(jì)承載結(jié)構(gòu)中最重要的材料特性；斷裂強(qiáng)度：設(shè)計(jì)承載結(jié)構(gòu)中最重要的材料特性；疲勞強(qiáng)度：決定器件長(zhǎng)期服役的可靠性；疲勞強(qiáng)度：決定器件長(zhǎng)期服役的可靠性；MEMSMEMS器件的特征長(zhǎng)度一般小于器件的特征長(zhǎng)度一般小于1mm,1mm,因而，測(cè)試設(shè)備和方法成為最因而，測(cè)試設(shè)備和方法成為最大難題。如：如何制作、夾持、對(duì)中微小試件，如何提高載荷和

7、位大難題。如：如何制作、夾持、對(duì)中微小試件，如何提高載荷和位移的分辨率等。移的分辨率等。自從自從1982年誕生了的一臺(tái)掃描隧道顯微鏡（年誕生了的一臺(tái)掃描隧道顯微鏡（STM）后，人們才對(duì)）后，人們才對(duì)微微/納觀尺度的觀測(cè)有了新手段。之后，又有了原子力顯微鏡納觀尺度的觀測(cè)有了新手段。之后，又有了原子力顯微鏡（AFM）和納米壓痕測(cè)試系統(tǒng)，從而極大的推動(dòng)了微）和納米壓痕測(cè)試系統(tǒng)，從而極大的推動(dòng)了微/納尺度下材納尺度下材料的性能測(cè)試研究。料的性能測(cè)試研究。反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng)nmSTMSTM原理示意圖原理示意圖STM的構(gòu)造及測(cè)試原理的構(gòu)造及測(cè)試原理當(dāng)探針與被測(cè)試件足夠接當(dāng)探針與被測(cè)試件足夠接近時(shí)，將會(huì)發(fā)生隧

8、道效應(yīng)，近時(shí)，將會(huì)發(fā)生隧道效應(yīng)，產(chǎn)生隧道電流產(chǎn)生隧道電流;相對(duì)距離的變化使隧道電相對(duì)距離的變化使隧道電流發(fā)生很大變化，通過(guò)反饋流發(fā)生很大變化，通過(guò)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)探針的高度來(lái)維持系統(tǒng)調(diào)節(jié)探針的高度來(lái)維持電流為常值，從而得到被測(cè)電流為常值，從而得到被測(cè)試件的表面物理特征。試件的表面物理特征。VAFM的構(gòu)造及測(cè)試原理的構(gòu)造及測(cè)試原理同同STMSTM類似，其反饋系統(tǒng)不是電流，而是探針和試樣表類似，其反饋系統(tǒng)不是電流，而是探針和試樣表面的作用力。一般和探針相聯(lián)結(jié)的是一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，面的作用力。一般和探針相聯(lián)結(jié)的是一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)光信號(hào)對(duì)懸臂梁的彎曲作用反饋控制，以此來(lái)識(shí)別通過(guò)光信號(hào)對(duì)懸臂梁的彎曲作用反

9、饋控制，以此來(lái)識(shí)別表面的物理特征。表面的物理特征。微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的測(cè)試方法大致可分為：片外測(cè)試片外測(cè)試和片上片上測(cè)試測(cè)試兩類。片外測(cè)試系統(tǒng)：片外測(cè)試系統(tǒng)：片外測(cè)試是以MEMS工藝為基礎(chǔ)加工出微小試件，用外部專門的儀器設(shè)備對(duì)試件加載，并檢測(cè)載荷和位移。其測(cè)試方法包括：1. 單軸拉伸法；2. 納米壓痕法；3. 鼓膜法；4. 微梁彎曲法；5. 襯底曲率法；一、單軸拉伸法：是獲得薄膜力學(xué)特性最直接的方法，主要用于研究與襯底分離的獨(dú)立薄膜構(gòu)件的力學(xué)行為。通過(guò)記錄試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可直接測(cè)得試件的楊氏模量、屈曲強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。難點(diǎn)：薄膜材料易碎，試件加工、安裝和夾持比較困難。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還要求較高分辨率

10、的應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)量。針對(duì)以上困難，人們研發(fā)出許多拉伸測(cè)試系統(tǒng)，巧妙解決了試件的安裝、夾持問(wèn)題。1992年Read等人設(shè)計(jì)的帶保護(hù)框試件的放大圖原理：先把帶保護(hù)框架的試件安裝在測(cè)試系統(tǒng)中，再在顯微鏡下用鋸把保護(hù)框架中和試件平行的部分切掉，釋放試件。特點(diǎn)：由于試件保護(hù)框的尺寸在毫米量級(jí)，便于操作。但無(wú)法保證同軸度及切割保護(hù)框時(shí)對(duì)試件的沖擊作用。1、帶有保護(hù)框的試件測(cè)試靜電力夾持拉伸裝置示意圖1998年Tsuchiya等人設(shè)計(jì)原理：將拉伸試件的一端固定在測(cè)試臺(tái)上，另一端設(shè)計(jì)成一個(gè)大的電極板，靠靜電力固定在驅(qū)動(dòng)端。特點(diǎn)：簡(jiǎn)化了試件的安裝和夾持，同時(shí)提高了試件和驅(qū)動(dòng)器的同軸度。2、靜電力夾持拉伸3、自由端

11、環(huán)狀懸臂梁試件拉伸1999年Greek等人設(shè)計(jì)的自由端環(huán)狀懸臂梁試件的SEM圖原理：把拉伸試件的自由端設(shè)計(jì)成環(huán)狀，用一根前端直徑小于環(huán)內(nèi)徑的探針插入環(huán)中來(lái)驅(qū)動(dòng)試件，同時(shí)用光測(cè)的方法來(lái)測(cè)量試件的位移。特點(diǎn)：雖然解決了試件的夾持對(duì)中問(wèn)題，但無(wú)法排除探針和襯底間的摩擦，增加了數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性。用納米壓痕儀壓頭來(lái)驅(qū)動(dòng)，在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)精度。由Espinasa等人設(shè)計(jì)MDE測(cè)試系統(tǒng)側(cè)面示意圖4、薄膜偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)（MDE）原理：用可控制載荷的納米壓頭在兩端固定薄膜的中部施加線載荷，同時(shí)用光干涉儀從薄膜的背面記錄薄膜的變形。特點(diǎn)：薄膜漸縮的幾何形狀消除了邊界彎曲效應(yīng)和應(yīng)力梯度，使試件處于純拉伸狀態(tài)。這種測(cè)

12、試系統(tǒng)試件加工簡(jiǎn)單，加載精度高，應(yīng)力和應(yīng)變單獨(dú)檢測(cè)，可測(cè)量的試件尺寸范圍較大。二、納米壓痕法納米壓痕法用納米壓頭壓入試件表面，測(cè)量壓入深度h和載荷P的關(guān)系，根據(jù)載荷壓深曲線及接觸面積等可以推算出材料的硬度、彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度及殘余應(yīng)力。納米壓痕法的標(biāo)準(zhǔn)壓頭是尖三棱錐形金剛石Berkovich、Vickers和Knoop式壓頭。hDVickersDKnoop為了排除底襯效應(yīng)的影響，壓入深度一般小于薄膜厚度的10以獲得準(zhǔn)確的薄膜特性。納米壓痕法已相對(duì)比較成熟，并發(fā)展出了連續(xù)剛度測(cè)量方法（）max/HPA2rSEA22(1)(1)1iriEEE定義硬度H和等效彈性模量 存在問(wèn)題是：A的量不

13、好確定。72(1/2)024.56iciciAhC hOliver, W.C. 納米壓痕測(cè)試技術(shù)SPhhcmaxmfhhBP)(1max)(maxmfhhhhBmdhdPShc總是小于壓入深度： 如下函數(shù)擬合曲線的卸載部分當(dāng)壓入深度小到一定值時(shí),硬度的測(cè)量值不再是一個(gè)常數(shù),而與壓入深度有關(guān)。這就是納米壓痕或微米壓痕方法中的尺度效應(yīng)問(wèn)題 三、鼓膜法1959年由Beams提出，從一側(cè)用氣體或液體對(duì)薄膜進(jìn)行加壓，通過(guò)測(cè)量壓力P和凸起高度H的關(guān)系，轉(zhuǎn)換得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以得到薄膜的殘余應(yīng)力和彈性模量。隨著壓力P的增大，還可以得到薄膜的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。特點(diǎn)為所需的夾持和加載設(shè)備簡(jiǎn)單，消除了試件的邊

14、緣效應(yīng)，避免襯底材料的黏著問(wèn)題和因試件邊緣損傷引起的早期徑縮失穩(wěn)現(xiàn)象。但薄膜殘余應(yīng)力必須是拉應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋較復(fù)雜。膜內(nèi)最大應(yīng)力m 和最大應(yīng)變m 由下式給出 按照梁的處理 , 通常可取為2/3缺點(diǎn)：由于應(yīng)變硬化的影響,金屬膜的鼓起形狀并不能唯一確定膜中的應(yīng)變，許多實(shí)驗(yàn)也證明金屬薄膜鼓起并非球冠形狀。四、微梁彎曲法最早由Weihs等人提出，用壓頭對(duì)懸臂梁加載，最大應(yīng)變發(fā)生在梁的固定端，通過(guò)記錄壓頭的載荷與位移可以得到微梁的彈性模量、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。測(cè)出撓度載荷曲線,彈性模量即可由該曲線的斜率求出。五、襯底曲率法薄膜中的殘余應(yīng)力會(huì)造成襯底的彈性彎曲，對(duì)薄膜力學(xué)性能的測(cè)量影響很大。通過(guò)測(cè)量薄膜

15、生長(zhǎng)前后襯底撓度或曲率半徑的變化，可以測(cè)量薄膜內(nèi)的平均殘余應(yīng)力，這種方法被成為襯底曲率法。具體測(cè)量時(shí)，襯底的曲率半徑可以通過(guò)光測(cè)或電測(cè)方法實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只要知道薄膜的厚度就可以得到薄膜的應(yīng)變，不需要知道薄膜的彈性特性。除以上介紹的方法外，其它方法，如拉曼光譜、低能電子衍射、傅立葉變換紅外光譜和X射線衍射等方法在微構(gòu)件材料殘余應(yīng)力測(cè)量方面也是有力的手段。片上測(cè)試系統(tǒng)片上測(cè)試系統(tǒng)片上測(cè)試系統(tǒng)集成了MEMS工藝加工的試件、驅(qū)動(dòng)器和傳感器。由于片上測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和測(cè)量的方式較多，力和位移檢測(cè)的分辨率較高，同時(shí)具有高的諧振頻率，可以做動(dòng)態(tài)測(cè)試，因此在微結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試，特別是在疲勞性能測(cè)

16、試方面有很大優(yōu)勢(shì)。1、扇狀梳齒靜電驅(qū)動(dòng)彎曲測(cè)試系統(tǒng)由Muhlstein等人提出，利用扇形梳齒靜電驅(qū)動(dòng)器來(lái)檢測(cè)單晶硅和多晶硅測(cè)量的斷裂強(qiáng)度和疲勞特性。原理：在扇形梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器的一端加電壓（直流或交流）驅(qū)動(dòng)微懸臂梁（梳齒的支撐梁）進(jìn)行面內(nèi)彎曲實(shí)驗(yàn)，另一端是分辨率很高的電容位移傳感器來(lái)測(cè)量位移。懸臂梁根部設(shè)計(jì)了一個(gè)缺口，在缺口處為I形應(yīng)力集中。這種方法采用表面硅或體硅的標(biāo)準(zhǔn)工藝，在MEMS器件可靠性測(cè)試中很有前景。（a）諧振子，（b）叉指驅(qū)動(dòng)電容，（c）電容位移傳感器，（d）被測(cè)量懸臂梁（帶缺口）2、單軸拉伸片上測(cè)試系統(tǒng)由Haque等學(xué)者提出，設(shè)計(jì)一個(gè)片上測(cè)試芯片，集成了位移傳感器（S1和S2）和

17、力傳感器（已知?jiǎng)偠鹊牧海┤鐖D一端固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，另一端用壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，折疊梁和支撐梁可以補(bǔ)償不共軸的驅(qū)動(dòng)力，保證試件不受彎曲。通過(guò)比較傳感梁在實(shí)驗(yàn)前和試件斷裂后的變形可以測(cè)得試件的殘余應(yīng)力?？膳cSEM或TEM同時(shí)在線測(cè)量。3、拉伸疲勞片上測(cè)試系統(tǒng)由Taeko等人設(shè)計(jì)了一個(gè)拉伸疲勞片上測(cè)試系統(tǒng)，由試件、加載杠桿、一對(duì)扭桿和支撐框架組成。如圖:測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)單晶硅三步刻蝕工藝加工而成，其中最上面一層是被測(cè)試件的材料。當(dāng)外部載荷加在加載杠桿上時(shí)，薄膜試件被準(zhǔn)單軸拉伸，載荷與施加在試件上的作用力和扭桿的彈性力相平衡。載荷大小及位移通過(guò)傳感器測(cè)量，只要知道扭桿的剛度就可得到試件上的作用拉力。當(dāng)試件被拉斷后，載荷與扭桿的彈性力平衡，便可得到扭桿的剛度。同時(shí)，試件的位移可通