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

1、微結(jié)構(gòu)（微結(jié)構(gòu)（MEMS）材料力學(xué)性能的測試技術(shù)）材料力學(xué)性能的測試技術(shù)vMEMSMEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動了所用材料微尺度力學(xué)性能測試技術(shù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動了所用材料微尺度力學(xué)性能測試技術(shù)的發(fā)展。的發(fā)展。MEMS的定義：的定義： microelectromechanical system(微電子機械系統(tǒng)微電子機械系統(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所獨有的優(yōu)點（小體積、大批量、低成本、可靠性），近所獨有的優(yōu)點（小體積、大批量、低成本、可靠性），近十年來已成為世界各發(fā)達國家高新技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。十年來已成為世界各發(fā)達國家高

2、新技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。MEMS器件的開發(fā)熱點：傳感、致動、射頻（器件的開發(fā)熱點：傳感、致動、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：單晶硅、和在其上形成的微、亞微米級厚的薄膜所使用的材料：單晶硅、和在其上形成的微、亞微米級厚的薄膜為主。為主。薄膜主要有：單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅和一些金屬、和薄膜主要有：單晶硅、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、微機械結(jié)構(gòu)。腐蝕、體硅腐蝕等形成各種形狀，構(gòu)成微機械結(jié)構(gòu)?；緲?gòu)件基本構(gòu)件主要有細絲、懸臂梁、微橋、薄膜、齒輪和微軸承等。主要有細絲、懸臂梁、微橋、薄膜、齒輪和微軸承等。當構(gòu)件細微到微米當構(gòu)件細微到微米/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，會出現(xiàn)強烈的受環(huán)境的影響程度有很大變化，會出現(xiàn)強烈的尺寸效應(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)計要求。微結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。當構(gòu)件小到一定程度時，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)及加工過程的當構(gòu)件小到一定程度時，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)

4、及加工過程的影響，材料的力學(xué)性能與體相時相比有顯著的不同，如：單、多晶影響，材料的力學(xué)性能與體相時相比有顯著的不同，如：單、多晶硅顯示出較大的斷裂強度和較小的裂紋擴展速度等；硅顯示出較大的斷裂強度和較小的裂紋擴展速度等；目前，由測試所得到的微結(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)的彈性模量都沒有一個公認的結(jié)果。連最基礎(chǔ)的彈性模量都沒有一個公認的結(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，但對其力學(xué)性能的了解還甚少，主要原因是力學(xué)性能測試技術(shù)但對其力學(xué)性能的了解還

5、甚少，主要原因是力學(xué)性能測試技術(shù)未能跟上，對未能跟上，對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)，目前還沒有建立起一個有效的機械可靠性設(shè)計準則，嚴重地阻礙了立起一個有效的機械可靠性設(shè)計準則，嚴重地阻礙了MEMS的的設(shè)計和發(fā)展。設(shè)計和發(fā)展。有些學(xué)者把這些狀況歸結(jié)為兩個主要原因：1. 解釋數(shù)據(jù)的模型不夠準確2. 試件的幾何尺寸測量的誤差較大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)計和服役中需了解的力學(xué)特性的設(shè)計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；斷裂強度：設(shè)計承載結(jié)構(gòu)中最重要的材料特性；斷裂強度：設(shè)計承載結(jié)構(gòu)中最重要的材料特性；疲勞強度：決定器件長期服役的可靠性；疲勞強度：決定器件長期服役的可靠性；MEMSMEMS器件的特征長度一般小于器件的特征長度一般小于1mm,1mm,因而，測試設(shè)備和方法成為最因而，測試設(shè)備和方法成為最大難題。如：如何制作、夾持、對中微小試件，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年誕生了的一臺掃描隧道顯微鏡（年誕生了的一臺掃描隧道顯微鏡（STM）后，人們才對）后，人們才對微微/納觀尺度的觀測有了新手段。之后，又有了原子力顯微鏡納觀尺度的觀測有了新手段。之后，又有了原子力顯微鏡（AFM）和納米壓痕測試系統(tǒng)，從而極大的推動了微）和納米壓痕測試系統(tǒng)，從而極大的推動了微/納尺度下材納尺度下材料的性能測試研究。料的性能測試研究。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)造及測試原理的構(gòu)造及測試原理當探針與被測試件足夠接當探針與被測試件足夠接近時，將會發(fā)生隧

8、道效應(yīng)，近時，將會發(fā)生隧道效應(yīng)，產(chǎn)生隧道電流產(chǎn)生隧道電流;相對距離的變化使隧道電相對距離的變化使隧道電流發(fā)生很大變化，通過反饋流發(fā)生很大變化，通過反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)探針的高度來維持系統(tǒng)調(diào)節(jié)探針的高度來維持電流為常值，從而得到被測電流為常值，從而得到被測試件的表面物理特征。試件的表面物理特征。VAFM的構(gòu)造及測試原理的構(gòu)造及測試原理同同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)的是一個懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過光信號對懸臂梁的彎曲作用反饋控制，以此來識別通過光信號對懸臂梁的彎曲作用反

9、饋控制，以此來識別表面的物理特征。表面的物理特征。微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的測試方法大致可分為：片外測試片外測試和片上片上測試測試兩類。片外測試系統(tǒng)：片外測試系統(tǒng)：片外測試是以MEMS工藝為基礎(chǔ)加工出微小試件，用外部專門的儀器設(shè)備對試件加載，并檢測載荷和位移。其測試方法包括：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立薄膜構(gòu)件的力學(xué)行為。通過記錄試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可直接測得試件的楊氏模量、屈曲強度和斷裂強度。難點：薄膜材料易碎，試件加工、安裝和夾持比較困難。同時實驗還要求較高分辨率

10、的應(yīng)力和應(yīng)變測量。針對以上困難，人們研發(fā)出許多拉伸測試系統(tǒng)，巧妙解決了試件的安裝、夾持問題。1992年Read等人設(shè)計的帶保護框試件的放大圖原理：先把帶保護框架的試件安裝在測試系統(tǒng)中，再在顯微鏡下用鋸把保護框架中和試件平行的部分切掉，釋放試件。特點：由于試件保護框的尺寸在毫米量級，便于操作。但無法保證同軸度及切割保護框時對試件的沖擊作用。1、帶有保護框的試件測試靜電力夾持拉伸裝置示意圖1998年Tsuchiya等人設(shè)計原理：將拉伸試件的一端固定在測試臺上，另一端設(shè)計成一個大的電極板，靠靜電力固定在驅(qū)動端。特點：簡化了試件的安裝和夾持，同時提高了試件和驅(qū)動器的同軸度。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)中來驅(qū)動試件，同時用光測的方法來測量試件的位移。特點：雖然解決了試件的夾持對中問題，但無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驅(qū)動，在一定程度上提高了實驗精度。由Espinasa等人設(shè)計MDE測試系統(tǒng)側(cè)面示意圖4、薄膜偏轉(zhuǎn)實驗（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，同時用光干涉儀從薄膜的背面記錄薄膜的變形。特點：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

12、試系統(tǒng)試件加工簡單，加載精度高，應(yīng)力和應(yīng)變單獨檢測，可測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、屈服強度、斷裂強度及殘余應(yīng)力。納米壓痕法的標準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以獲得準確的薄膜特性。納米壓痕法已相對比較成熟，并發(fā)展出了連續(xù)剛度測量方法（）max/HPA2rSEA22(1)(1)1iriEEE定義硬度H和等效彈性模量 存在問題是：A的量不

13、好確定。72(1/2)024.56iciciAhC hOliver, W.C. 納米壓痕測試技術(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壓入深度小到一定值時,硬度的測量值不再是一個常數(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)問題 三、鼓膜法1959年由Beams提出，從一側(cè)用氣體或液體對薄膜進行加壓，通過測量壓力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度和斷裂強度。特點為所需的夾持和加載設(shè)備簡單，消除了試件的邊

14、緣效應(yīng)，避免襯底材料的黏著問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，實驗結(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?？扇?/3缺點：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，許多實驗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，用壓頭對懸臂梁加載，最大應(yīng)變發(fā)生在梁的固定端，通過記錄壓頭的載荷與位移可以得到微梁的彈性模量、屈服強度和斷裂強度。測出撓度載荷曲線,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)力會造成襯底的彈性彎曲，對薄膜力學(xué)性能的測量影響很大。通過測量薄膜

15、生長前后襯底撓度或曲率半徑的變化，可以測量薄膜內(nèi)的平均殘余應(yīng)力，這種方法被成為襯底曲率法。具體測量時，襯底的曲率半徑可以通過光測或電測方法實現(xiàn)精確測量。這種方法的優(yōu)點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)力測量方面也是有力的手段。片上測試系統(tǒng)片上測試系統(tǒng)片上測試系統(tǒng)集成了MEMS工藝加工的試件、驅(qū)動器和傳感器。由于片上測試系統(tǒng)驅(qū)動和測量的方式較多，力和位移檢測的分辨率較高，同時具有高的諧振頻率，可以做動態(tài)測試，因此在微結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能測試，特別是在疲勞性能測

16、試方面有很大優(yōu)勢。1、扇狀梳齒靜電驅(qū)動彎曲測試系統(tǒng)由Muhlstein等人提出，利用扇形梳齒靜電驅(qū)動器來檢測單晶硅和多晶硅測量的斷裂強度和疲勞特性。原理：在扇形梳狀靜電驅(qū)動器的一端加電壓（直流或交流）驅(qū)動微懸臂梁（梳齒的支撐梁）進行面內(nèi)彎曲實驗，另一端是分辨率很高的電容位移傳感器來測量位移。懸臂梁根部設(shè)計了一個缺口，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準工藝，在MEMS器件可靠性測試中很有前景。（a）諧振子，（b）叉指驅(qū)動電容，（c）電容位移傳感器，（d）被測量懸臂梁（帶缺口）2、單軸拉伸片上測試系統(tǒng)由Haque等學(xué)者提出，設(shè)計一個片上測試芯片，集成了位移傳感器（S1和S2）和

17、力傳感器（已知剛度的梁）如圖一端固定在實驗臺上，另一端用壓電驅(qū)動器驅(qū)動，折疊梁和支撐梁可以補償不共軸的驅(qū)動力，保證試件不受彎曲。通過比較傳感梁在實驗前和試件斷裂后的變形可以測得試件的殘余應(yīng)力?？膳cSEM或TEM同時在線測量。3、拉伸疲勞片上測試系統(tǒng)由Taeko等人設(shè)計了一個拉伸疲勞片上測試系統(tǒng)，由試件、加載杠桿、一對扭桿和支撐框架組成。如圖:測試系統(tǒng)通過單晶硅三步刻蝕工藝加工而成，其中最上面一層是被測試件的材料。當外部載荷加在加載杠桿上時，薄膜試件被準單軸拉伸，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傳感器測量，只要知道扭桿的剛度就可得到試件上的作用拉力。當試件被拉斷后，載荷與扭桿的彈性力平衡，便可得到扭桿的剛度。同時，試件的位移可通