微结构(MEMS)材料力学性能测试技术

微结构（MEMS）材料力学性能的测试技术MEMS技术的迅猛发展，推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展。MEMS的定义：microelectromechanicalsystem(微电子机械系统)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。MEMS所独有的优点（小体积、大批量、低成本、可靠性），近十年来已成为世界各发达国家高新技术领域研究的热点。MEMS器件的开发热点：传感、致动、射频（RF）、光学、生化和医学等不同领域。所使用的材料：单晶硅、和在其上形成的微、亚微米级厚的薄膜为主。薄膜主要有：单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅和一些金属、和一些高分子材料。制造方法化学沉积、溅射、电镀等方法形成薄膜，再经光刻、蚀刻、牺牲层腐蚀、体硅腐蚀等形成各种形状，构成微机械结构。基本构件主要有细丝、悬臂梁、微桥、薄膜、齿轮和微轴承等。－当构件细微到微米/纳米尺度后，材料本身的力学、物理性质及其受环境的影响程度有很大变化，会出现强烈的尺寸效应、表面效应，传统的力学性能参数已不能满足MEMS微结构的设计要求。－当构件小到一定程度时，由于表面效应、组织结构及加工过程的影响，材料的力学性能与体相时相比有显著的不同，如：单、多晶硅显示出较大的断裂强度和较小的裂纹扩展速度等；目前，由测试所得到的微结构件的力学性能参数分散性较大，甚至连最基础的弹性模量都没有一个公认的结果。－目前，硅类薄膜材料的电学、化学特性均得到了充分的了解，但对其力学性能的了解还甚少，主要原因是力学性能测试技术未能跟上，对MEMS结构的可靠性和失效性的研究还不充分，由于缺乏有关微结构材料力学性能的基础数据，目前还没有建立起一个有效的机械可靠性设计准则，严重地阻碍了MEMS的设计和发展。有些学者把这些状况归结为两个主要原因：1.解释数据的模型不够准确2.试件的几何尺寸测量的误差较大MEMS器件在工业中得到了广泛的应用，但其结构部分的形式有限，大多数MEMS的设计包括如下一些基本单元一端固定悬臂梁两端固定悬臂梁微型薄膜微型铰链微型齿轮微型弹簧微型反射板MEMS的设计和服役中需了解的力学特性①弹性模量：决定着器件的结构响应特性；②残余应力：影响器件的成品率和服役性能；③断裂强度：设计承载结构中最重要的材料特性；④疲劳强度：决定器件长期服役的可靠性；－MEMS器件的特征长度一般小于1mm,因而，测试设备和方法成为最大难题。如：如何制作、夹持、对中微小试件，如何提高载荷和位移的分辨率等。－自从1982年诞生了的一台扫描隧道显微镜（STM）后，人们才对微/纳观尺度的观测有了新手段。之后，又有了原子力显微镜（AFM）和纳米压痕测试系统，从而极大的推动了微/纳尺度下材料的性能测试研究。－＋反馈系统nmSTM原理示意图STM的构造及测试原理－当探针与被测试件足够接近时，将会发生隧道效应，产生隧道电流;－相对距离的变化使隧道电流发生很大变化，通过反馈系统调节探针的高度来维持电流为常值，从而得到被测试件的表面物理特征。VAFM的构造及测试原理同STM类似，其反馈系统不是电流，而是探针和试样表面的作用力。一般和探针相联结的是一个悬臂梁结构，通过光信号对悬臂梁的弯曲作用反馈控制，以此来识别表面的物理特征。微结构材料力学性能的测试方法大致可分为：片外测试和片上测试两类。片外测试系统：－片外测试是以MEMS工艺为基础加工出微小试件，用外部专门的仪器设备对试件加载，并检测载荷和位移。其测试方法包括：1.单轴拉伸法；2.纳米压痕法；3.鼓膜法；4.微梁弯曲法；5.衬底曲率法；一、单轴拉伸法：是获得薄膜力学特性最直接的方法，主要用于研究与衬底分离的独立薄膜构件的力学行为。通过记录试件的应力－应变曲线，可直接测得试件的杨氏模量、屈曲强度和断裂强度。难点：薄膜材料易碎，试件加工、安装和夹持比较困难。同时实验还要求较高分辨率的应力和应变测量。针对以上困难，人们研发出许多拉伸测试系统，巧妙解决了试件的安装、夹持问题。1992年Read等人设计的带保护框试件的放大图原理：先把带保护框架的试件安装在测试系统中，再在显微镜下用锯把保护框架中和试件平行的部分切掉，释放试件。特点：由于试件保护框的尺寸在毫米量级，便于操作。但无法保证同轴度及切割保护框时对试件的冲击作用。1、带有保护框的试件测试静电力夹持拉伸装置示意图1998年Tsuchiya等人设计原理：将拉伸试件的一端固定在测试台上，另一端设计成一个大的电极板，靠静电力固定在驱动端。特点：简化了试件的安装和夹持，同时提高了试件和驱动器的同轴度。2、静电力夹持拉伸3、自由端环状悬臂梁试件拉伸1999年Greek等人设计的自由端环状悬臂梁试件的SEM图原理：把拉伸试件的自由端设计成环状，用一根前端直径小于环内径的探针插入环中来驱动试件，同时用光测的方法来测量试件的位移。特点：虽然解决了试件的夹持对中问题，但无法排除探针和衬底间的摩擦，增加了数据分析的复杂性。用纳米压痕仪压头来驱动，在一定程度上提高了实验精度。由Espinasa等人设计MDE测试系统侧面示意图4、薄膜偏转实验（MDE）原理：用可控制载荷的纳米压头在两端固定薄膜的中部施加线载荷，同时用光干涉仪从薄膜的背面记录薄膜的变形。特点：薄膜渐缩的几何形状消除了边界弯曲效应和应力梯度，使试件处于纯拉伸状态。这种测试系统试件加工简单，加载精度高，应力和应变单独检测，可测量的试件尺寸范围较大。二、纳米压痕法纳米压痕法用纳米压头压入试件表面，测量压入深度h和载荷P的关系，根据载荷－压深曲线及接触面积等可以推算出材料的硬度、弹性模量、屈服强度、断裂强度及残余应力。纳米压痕法的标准压头是尖三棱锥形金刚石Berkovich、Vicker’s和Knoop式压头。hDVicker'sDKnoop为了排除底衬效应的影响，压入深度一般小于薄膜厚度的10％以获得准确的薄膜特性。纳米压痕法已相对比较成熟，并发展出了连续刚度测量方法（ＣＳＭ）max/HPA2rSEA22(1)(1)1iriEEE定义硬度H和等效弹性模量存在问题是：A的量不好确定。72(1/2)024.56iciciAhChOliver,W.C.纳米压痕测试技术SPhhcmaxmfhhBP)(1max)(maxmfhhhhBmdhdPShc总是小于压入深度：如下函数拟合曲线的卸载部分当压入深度小到一定值时,硬度的测量值不再是一个常数,而与压入深度有关。这就是纳米压痕或微米压痕方法中的尺度效应问题三、鼓膜法1959年由Beams提出，从一侧用气体或液体对薄膜进行加压，通过测量压力P和凸起高度H的关系，转换得到应力－应变曲线，可以得到薄膜的残余应力和弹性模量。随着压力P的增大，还可以得到薄膜的屈服强度和断裂强度。特点为所需的夹持和加载设备简单，消除了试件的边缘效应，避免衬底材料的黏着问题和因试件边缘损伤引起的早期径缩失稳现象。但薄膜残余应力必须是拉应力，实验结果解释较复杂。膜内最大应力σm和最大应变εm由下式给出按照梁的处理,η通常可取为2/3缺点：由于应变硬化的影响,金属膜的鼓起形状并不能唯一确定膜中的应变，许多实验也证明金属薄膜鼓起并非球冠形状。四、微梁弯曲法最早由Weihs等人提出，用压头对悬臂梁加载，最大应变发生在梁的固定端，通过记录压头的载荷与位移可以得到微梁的弹性模量、屈服强度和断裂强度。测出挠度—载荷曲线,弹性模量即可由该曲线的斜率求出。五、衬底曲率法薄膜中的残余应力会造成衬底的弹性弯曲，对薄膜力学性能的测量影响很大。通过测量薄膜生长前后衬底挠度或曲率半径的变化，可以测量薄膜内的平均残余应力，这种方法被成为衬底曲率法。具体测量时，衬底的曲率半径可以通过光测或电测方法实现精确测量。这种方法的优点是只要知道薄膜的厚度就可以得到薄膜的应变，不需要知道薄膜的弹性特性。除以上介绍的方法外，其它方法，如拉曼光谱、低能电子衍射、傅立叶变换红外光谱和X射线衍射等方法在微构件材料残余应力测量方面也是有力的手段。片上测试系统片上测试系统集成了MEMS工艺加工的试件、驱动器和传感器。由于片上测试系统驱动和测量的方式较多，力和位移检测的分辨率较高，同时具有高的谐振频率，可以做动态测试，因此在微结构件力学性能测试，特别是在疲劳性能测试方面有很大优势。1、扇状梳齿静电驱动弯曲测试系统由Muhlstein等人提出，利用扇形梳齿静电驱动器来检测单晶硅和多晶硅测量的断裂强度和疲劳特性。原理：在扇形梳状静电驱动器的一端加电压（直流或交流）驱动微悬臂梁（梳齿的支撑梁）进行面内弯曲实验，另一端是分辨率很高的电容位移传感器来测量位移。悬臂梁根部设计了一个缺口，在缺口处为I形应力集中。这种方法采用表面硅或体硅的标准工艺，在MEMS器件可靠性测试中很有前景。（a）谐振子，（b）叉指驱动电容，（c）电容位移传感器，（d）被测量悬臂梁（带缺口）2、单轴拉伸片上测试系统由Haque等学者提出，设计一个片上测试芯片，集成了位移传感器（S1和S2）和力传感器（已知刚度的梁）如图一端固定在实验台上，另一端用压电驱动器驱动，折叠梁和支撑梁可以补偿不共轴的驱动力，保证试件不受弯曲。通过比较传感梁在实验前和试件断裂后的变形可以测得试件的残余应力。可与SEM或TEM同时在线测量。3、拉伸疲劳片上测试系统由Taeko等人设计了一个拉伸疲劳片上测试系统，由试件、加载杠杆、一对扭杆和支撑框架组成。如图:测试系统通过单晶硅三步刻蚀工艺加工而成，其中最上面一层是被测试件的材料。当外部载荷加在加载杠杆上时，薄膜试件被准单轴拉伸，载荷与施加在试件上的作用力和扭杆的弹性力相平衡。载荷大小及位移通过传感器测量，只要知道扭杆的刚度就可得到试件上的作用拉力。当试件被拉断后，载荷与扭杆的弹性力平衡，便可得到扭杆的刚度。同时，试件的位移可通过加载点的位移算出。以上介绍的一些典型微结构件材料力学性能片上和片外测试方法，具有各自优缺点，其测试形式和可测定力学性能如下表MEMS可靠性分析方法可靠性是一个质量指标,具有综合性、时间性和统计性。可靠性分析方法的确定需要对MEMS整个系统进行有效分析,如图1所示。由图可知,对MEMS可靠性的研究必须联系相关学科群,采用综合分析原则,对不同方向进行可靠性研究。MEMS可靠性问题关联图MEMS可靠性整体分析示意图AFM带有许多的功能模块，分为接触式和非接触式两大类。接触式