CN112229749B - 一种微纳结构力学特征参数测量装置、测量板和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种微纳结构力学特征参数测量装置、测量板和测量方法，包括固定件、变形放大件和变形传递件；该变形放大件与固定件固定连接，其还设有两支撑条，两支撑条的靠近固定件的位置设有连接点；该变形传递件两相对侧分别与两连接点相连，其上还设有安装部和限位部，该安装部用于夹持待测结构，该限位部固定于安装部两相对侧。可测量微纳结构在一道或多道工艺流程后的力学特征参数，进而获得残余应力情况。

Description

一种微纳结构力学特征参数测量装置、测量板和测量方法

技术领域

本发明涉及微纳制造领域，特别是指一种微纳结构力学特征参数测量装置、测量板和测量方法。

背景技术

在半导体制造、芯片封装及微机电***制造等涉及的微纳制造领域，制造过程常采用沉积、光刻、去除、电镀及退火等工艺流程。各工艺流程由于使用的加工参数不同，加工方法不同，加工材料不同将在加工完成的微纳结构中留下残余应力。此外，经过复杂工艺流程后微纳结构的力学特征参数也将发生一系列变化。更加准确、方便地测量工艺流程引起的残余应力及结构的力学特征参数，对微纳结构的性能评价和可靠性预测有着较重要的意义。

微纳结构的残余应力测量通常用以下三种方法：

其一，压阻效应测量，在待测结构的特征位置通过微纳制造工艺嵌入压阻传感器，结构出现残余应力时在压阻传感器位置产生电阻变化，通过测量电阻值变化即可得到结构中的应力。该方法有很多不利影响因素，如传感器的制备工艺参数，环境温度，传感器的布置位置等。

其二，显微测量，借助显微测量设备通过干涉手段测量结构晶格变化量，从而估计结构残余应力，通常该方法分为破坏性测量与非破坏性测量。破坏性测量将极大改变晶格尺寸，测量结果难以反应实际残余应力情况。非破坏性测量不改变微纳晶格尺寸，但由于晶体尺寸与微纳结构件结构尺寸近似，晶体结构影响测量值分布，给结果的评估和使用造成很大困难。

其三，纳米压印方法，使用纳米压头在结构表面留下刻痕，通过测量刻痕尺寸估计结构表面应力情况，该方法只能得到表面附近的应力情况。

微纳结构的力学特征参数测量通常使用两种方法：

其一，变形测量法，向结构施加力学载荷，通过变形情况测算结构的力学特征参数；

其二，振动试验方法，将结构装夹在振动试验装置上，通过测量结构的固有共振频率测算结构的力学特性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种微纳结构力学特征参数测量装置、测量板和测量方法，可测量微纳结构在一道或多道工艺流程后，在不同约束条件下的力学特征参数，进而获得残余应力情况。

本发明采用如下技术方案：

一种微纳结构力学特征参数测量装置，其特征在于：包括固定件、变形放大件和变形传递件；该变形放大件与固定件固定连接，其还设有两支撑条，两支撑条的靠近固定件的位置设有连接点；该变形传递件两相对侧分别与两连接点相连，其上还设有安装部和限位部，该安装部作为待测结构的基板，该限位部位于安装部两相对侧。

优选的，所述变形放大件包括连接部，该连接部与所述固定件固定连接，所述两支撑条一端与该连接部两端分别垂直相连。

优选的，所述变形传递件包括有两横向连接区域和两纵向连接区域，该两横向连接区域分别位于所述安装部的连接点所在侧，该两纵向连接区域位于所述安装部的其余两侧；所述限位部形成于该纵向连接区域上。

优选的，所述限位部为条状。

优选的，所述安装部两侧设有长孔；包括两所述限位部，分别与两长孔侧部相连。

一种微纳结构力学特征参数测量板，其特征在于：包括框架和至少一个上述的一种微纳结构力学特征参数测量装置，该框架由所述固定件组成并设有若干固定点，每个变形放大件与该固定点固定连接。

优选的，至少两所述微纳结构力学特征参数测量装置的尺寸相同或不同。

优选的，至少两所述所述微纳结构力学特征参数测量装置为互相平行设置。

一种微纳结构力学特征参数测量方法，其特征在于：采用上述的一种微纳结构力学特征参数测量板实现，包括如下步骤：

）在安装部上制作待测结构，测量两支撑条远端之间的第一参考距离并记录；

）在测量装置上完成待测结构的其中一道或一组工艺流程，再次测量两支撑条远端之间的第二参考距离，得到第一变化率并记录；

）去除限位部，测量两支撑条远端之间的第三参考距离，得到第二变化率并记录；

）重复步骤1）至3），得到各个工艺流程中，待测结构在不同约束条件下的参数。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

、本发明的装置，设有固定件、变形放大件和变形传递件等；该变形放大件构成杠杆形结构，通过测量工艺流程前后，变形放大件末端参考距离的变化率，即可得到两连接点之间的距离变化率。设置限位部以约束安装部，通过测量去除限位部前后安装部的变形率变化，可以计算得到在一定约束条件下，待测结构经工艺流程发生变形后，受到一定载荷作用时的变形量，以便计算得到经工艺流程后待测结构的力学特征参数等。

、本发明装置，其变形传递件设置有横向连接区域和纵向连接区域，以模拟待测结构在结构约束条件下的残余应力情况，纵向连接区域宽度可定义为不同数值，以模拟不同结构约束条件下待测结构的变形情况。

、本发明的装置，为平板结构，在基板（硅基板、玻璃基板等）基础上通过微纳加工工艺进行制造，装置的厚度与所有基板厚度相同，并使用平面图形式表达相关结构。

、本发明的测量板，可包含多组具有不同纵向连接区域的横向宽度的测量装置，用于测量经过相同工艺流程的不同结构约束条件下的待测结构的残余应力及结构特征参数。

、本发明的测量板，可包含多组有相同结构特征尺寸的测量装置，用于测量不同工艺流程引起的残余应力及形成的中间结构的结构力学特征参数。

、本发明的测量板，可包含多组有相同结构尺寸的测量装置，通过多组数据之间的对比和计算减小测量偶然误差的影响。

、本发明的方法，采用显微测量方法取得测量板相关参数，以取得的测量参数为基础进行计算机数值仿真计算，取得待测结构在不同工艺流程，不同约束条件下产生的残余应力数值及结构的力学特征参数等。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为变形放大件结构图；

图3为变形传递件结构图；

图4为本发明测量板结构图；

其中：

、固定件，2、变形放大件，21、前部，22、后部，23、支撑条，3、变形传递件，31、安装部，32、横向连接区域，33、纵向连接区域，34、限位部，35、长孔，4、连接点，5、固定点，

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1至图3，一种微纳结构力学特征参数测量装置，包括固定件1、变形放大件2和变形传递件3；该变形放大件2与固定件1固定连接，其还设有两支撑条23，两支撑条23的靠近固定件1的位置设有连接点4；该变形传递件3两相对侧分别与两连接点4相连，其上还设有安装部31和限位部34，该安装部31作为待测结构的基板，该限位部34固定于安装部31两相对侧。

本发明的测量装置，是在基板（硅基板、玻璃基板等）基础上通过微纳加工工艺进行制造，其厚度与基板厚度基板相同，并使用平面图形式表达相关结构。待测结构可在安装部构成的基板上开孔电镀或通过其他微纳加工工艺制作得到。

变形放大件2包括连接部，该连接部与固定件1的固定点5固定连接，两支撑条23一端与该连接部两端分别垂直相连。支撑条23可由连接点4划分为前部21和后部22，前部21靠近固定件1，后部22远离固定件1，且后部22长度尺寸远大于前部。

对于一个支撑条23，其前部21与后部22以固定件1的固定点5为基点，以连接点4为移动点构成一组杠杆形的变形放大结构，当连接点4发生微小位移时，在支撑条23的后部22末端将发生较大幅度的位移，测量后部22的位移，通过几何换算即可得到连接点4的位移。

本发明的变形放大件2由两支撑条23构成两杠杆形结构，两支撑条23的前部21经连接部连接在固定点5位置，两后部22的末端共同组成测量参考，二者之间的距离数值作为测量装置的参考距离，通过测量工艺流程前后参考距离的变化率，即可得到两连接点4之间的距离变化率。另外，支撑条23的前部21可以简化为以固定点5为支撑点，以中间的连接点4为加载点的悬臂梁结构，由于前部21的结构尺寸及参数为已知量，通过测量中间的两连接点4的位移情况，即可求该两连接点4受到变形传递结构3的作用力。

变形传递件3包括有两横向连接区域32和两纵向连接区域33，该两横向连接区域32分别位于安装部31的连接点4所在侧，该两纵向连接区域33位于安装部31的其余两侧；限位部34形成于该纵向连接区域33上，该限位部34可为条状。安装部31两侧分别设有长孔35，，该两长孔35为纵向平行设置，即位于安装部35与纵向连接区域33之间。对应的，包括两限位部34，分别与长孔35垂直相连。

当待测结构经过工艺流程产生残余应力时，将引发安装部31的横向连接结构32的位移，安装部31的水平变形将同时引发两连接点4的水平位移。在变形放大结构2作用下，通过测量其后部22末端的距离变化率，即可得到安装部31在水平面纵向的变形率。

横向连接区域32使得纵向连接区域33与安装部31建立力学连接，纵向连接区域33水平纵向尺寸与安装部31相同，在安装部31因待测结构的工艺流程发生变形时，纵向连接区域33将为安装部31的变形提供水平面纵向的额外阻力，以模拟待测结构在结构约束条件下的残余应力情况。纵向连接区域33的宽度可定义为不同数值，以模拟不同结构约束条件下安装部31的变形情况。

限位部34为构建在纵向连接区域33上的横向窄条，待测工艺流程结束后通过微纳制造去除工艺将限位部34去除，从而解除纵向连接区域33对安装部31的结构约束，由于纵向连接区域33的横向尺寸已知，通过测量限位部34去除前后安装部的变形率变化，进一步计算得到在一定约束条件下的待测结构经工艺流程发生变形后，受到载荷作用时的变形量，进而能够计算得到经工艺流程后待测结构的力学特征参数。

其中，限位部34的横向截面尺寸已知材料特性已知，相当于两已知弹性模量的弹簧，通过去除限位部34前后的安装部31的变形值可以得到限位部34对安装部31区域的约束力，进而可以得到待测结构的水平方向弹性模量数值，可通过数值仿真计算方法得到。

本发明还提出一种微纳结构力学特征参数测量板，参见图4，包括框架和至少一个上述的微纳结构力学特征参数测量装置，该框架作为固定件1并设有若干固定点5，每个变形放大件2与该固定点5固定连接。多个微纳结构力学特征参数测量装置可根据测量板形状合理布置，例如互相平行设置。

不同的微纳结构力学特征参数测量装置的尺寸可相同或不同。若包含多个有相同结构尺寸的测量装置，通过多组数据之间的对比和计算来减小测量偶然误差的影响，还可用于测量不同工艺流程引起的残余应力及形成的中间结构的结构力学特征参数。

进一步的，也可以在测量板上包含多组具有不同纵向连接区域33横向宽度的测量装置，用于测量经过相同工艺流程的不同结构约束条件下的待测结构的残余应力及结构特征参数。

本发明还提出一种微纳结构力学特征参数测量方法，采用上述的一种微纳结构力学特征参数测量装置，预先对待测结构性能进行预估，以此确定本发明测量装置的尺寸。再依据待测结构制造经历的具体工艺流程，确定测量装置的具体数量及分组。依据尺寸及分组情况，完成测量板的具体结构设计。确定测量板经历的具体工艺过程、测量时机、各测量装置的限位部34的去除时机等，再制作测量板。

而后通过测量板进行测量，包括如下步骤：

）将待测结构安装于安装部31上，测量两支撑条23远端之间的第一参考距离并记录；

）在测量装置上完成待测结构的其中一工艺流程，再次测量两支撑条23远端之间的第二参考距离，得到第一变化率并记录，该第一变化率=（第二参考距离-第一参考距离）/第一参考距离。

）去除限位部34，测量两支撑条23远端之间的第三参考距离，得到第二变化率并记录，该第二变化率=（第三参考距离-第一参考距离）/第一参考距离。

）重复步骤1）至3），得到各个工艺流程中，待测结构在不同约束条件下的参数。

本发明方法，测量得到数据通过计算机数值仿真计算，得到残余应力数值及结构力学特征参数。该计算机数值仿真模型为使用软件工具建立测量板包含的所有尺寸测量装置。

具体的，预先建立对应测量结构的变形传递件完整的计算机仿真模型；计算该计算机仿真模型中对直接受工艺流程影响区域施加多组不同数值的预应力载荷；计算施加不同预应力载荷条件下的测量结构在连接点4位置较变形前尺寸产生的相对位移；以施加的预应力载荷为自变量，以不同预应力下连接点位置产生的相对位移数值为因变量建立曲线，并进行数值拟合计算，得到第一相对位移拟合曲线。由于材料塑性影响，第一相对位移拟合曲线并不是单调曲线。

对计算机仿真模型进行二次处理，去除限位部34，进行回弹计算，计算得到施加不同预应力载荷条件下的测量结构回弹后在连接点4位置较变形前尺寸产生的相对位移，以不同预应力下连接点位置回弹计算后的相对位移数值为因变量建立曲线，并进行数值拟合计算，得到第二相对位移拟合曲线。

将测量得到的第一变化率带入第一相对位移拟合曲线，可计算出若该测量结构产生测量位移值所需要施加的预应力数值集合，将测量得到的第二变化率带入第二相对位移拟合曲线，可从预应力数值集合中选取回弹量满足测量结论的预应力数值。

将选取的预应力数值施加在所属计算机仿真模型中，再次进行预应力计算和回弹计算，可以得到在指定约束条件下，指定工艺过程在回弹前后两种状态下结构内的残余应力分布情况。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种微纳结构力学特征参数测量装置，其特征在于：包括固定件、变形放大件和变形传递件；该变形放大件与固定件固定连接，其还设有两支撑条，两支撑条的靠近固定件的位置设有连接点；该变形传递件两相对侧分别与两连接点相连，其上还设有安装部和限位部，该安装部作为待测结构的基板，该限位部位于安装部两相对侧。

2.如权利要求1所述的一种微纳结构力学特征参数测量装置，其特征在于：所述变形放大件包括连接部，该连接部与所述固定件固定连接，所述两支撑条一端与该连接部两端分别垂直相连。

3.如权利要求1所述的一种微纳结构力学特征参数测量装置，其特征在于：所述变形传递件包括有两横向连接区域和两纵向连接区域，该两横向连接区域分别位于所述安装部的连接点所在侧，该两纵向连接区域位于所述安装部的其余两侧；所述限位部形成于该纵向连接区域上。

4.如权利要求1所述的一种微纳结构力学特征参数测量装置，其特征在于：所述限位部为条状。

5.如权利要求3所述的一种微纳结构力学特征参数测量装置，其特征在于：所述安装部两侧设有长孔；包括两所述限位部，分别与两长孔侧部相连。

6.一种微纳结构力学特征参数测量板，其特征在于：包括框架和至少一个权利要求1至5中任一项所述的一种微纳结构力学特征参数测量装置，该框架由所述固定件组成并设有若干固定点，每个变形放大件与该固定点固定连接。

7.如权利要求6所述的一种微纳结构力学特征参数测量板，其特征在于：至少两所述微纳结构力学特征参数测量装置的尺寸相同或不同。

8.如权利要求6所述的一种微纳结构力学特征参数测量板，其特征在于：至少两所述所述微纳结构力学特征参数测量装置为互相平行设置。

9.一种微纳结构力学特征参数测量方法，其特征在于：采用权利要求6至8中的任一项所述的一种微纳结构力学特征参数测量板实现，包括如下步骤：

1）在安装部上制作待测结构，测量两支撑条远端之间的第一参考距离并记录；

2）在测量装置上完成待测结构的其中一道或一组工艺流程，再次测量两支撑条远端之间的第二参考距离，得到第一变化率并记录；

3）去除限位部，测量两支撑条远端之间的第三参考距离，得到第二变化率并记录；

4）重复步骤1）至3），得到各个工艺流程中，待测结构在不同约束条件下的参数。

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