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On-Chip MEMS Material Characterization

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Academic year: 2022

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NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS Course Brussels, September 10-19, 2001

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

5.3 Applications of High- Driving Force Actuation Cells

on the Micrometer Scale

On-Chip MEMS Material Characterization

NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS CourseBrussels, September 10-19, 2001

Laboratoire de Mécanique Appliquée UMR CNRS 6604Universi de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

Investigation of Micro World using Microactuators

Macroscopic machines naturally scale with humans

“B ot to m -Up ” Ap pr oac h

Micrometer Size Actuation Cells

M acr os co pic M ach in es

“T op -D ow n” A pproa ch

Investigation of microand nano World Visible Effectsup to theHuman Scale

ArrayedElementaryActuators Conventional Machining Limits

M icr om ac hine s

Silicon Processing Technology Limits 10 0m

103 m

106 m

? !

Visible Effects up to the Human Scale

Investigation of Micro World

NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS Course Brussels, September 10-19, 2001

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

Standard Process (From CRONOS INTEGRATED MICROSYSTEMS)

Non-Stabilized Process

Various Textures of LPCVD Polysilicon Films

Industrial Development of IC-Compatible Polysilicon Surface Micromachining Technology Requires Tools to Expertise Process, Material & Structure Properties as a Function of Deposition Conditions

NATO Advanced Study Institute RESPONSIVE SYSTEMS … / MEMS Course Brussels, September 10-19, 2001

Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

Design Rules Toward Self-Consistent Testing Method

- a) Small Area on the Chip

- b) IC-Compatible Actuation Electrostatics

- c) No Special Handling Electrostatic Probing - e) Ideal Boundary Conditions Monolithic Structure - d) Large elastic deflections Image Processing

Driving Force Capabilities on the Silicon Wafer Level !

IC-Compatible Polysilicon Surface Micromachining Hybridization of Polysilicon Samples and Macroscopic Test Machines

- Human Intervention - Incompatibility in Size

- Inappropriate Boundary Conditions - Parasitic Friction

- Misalignment Between Sample and External Grippers

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Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

Fully Integrated On-Chip Laboratories for MEMS-Based Material & Structure Mechanical Analysis

4 Inches Wafer Integrating Micro Laboratories for Testing Mechanical Properties of Polysilicon Structures.

Doc. LMARC / web site: www.micromachines.univ-fcomte.fr (in Cooperation with EPFL-Lausanne) Micro Labs :

- Actuator Test Beds - Bending Test Units - Tensile Test Units According to the micrometer size of test structures, most of the wafer surface remains dedicated to the industrial application…

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On-Chip Bending Strain Analysis of LPCVD PolySi Beams

Doc. LMARC / web site: www.micromachines.univ-fcomte.fr

Critical Bending Stress

~ 1700 MPa

Critical Bending Strain

~ 1%

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On-Chip Bending Strength Measurement of LPCVD PolySi Beams

0 1000 1500 2000 2500

Contrainte à rupture (MPa)

Valeur moyenne : 1799MPa

longueur des poutres : 300µm longueur des poutres : 440µm Valeur moyenne :

1995MPa

500

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On-Chip Bending Strength Measurement on PolySi Beam Arrays

Doc. LMARC / web site: www.micromachines.univ-fcomte.fr Bending Fracture Strength:

σ

fract

= 2500 MPa

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Bending Fracture of Arrayed Polysilicon Beams using Electrostatic Probing of Silicon-Based Actuators

web site: www.micromachines.univ-fcomte.fr

- Bending Fracture Strength: σ

fract

= 2500 Mpa - External Driving Torque: Γ

fract

> 10µNm

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On-Chip Tensile Strength Measurement of LPCVD Polysilicon Films: First Generation Tensile Test Unit

Pro

Ver Actu Gr

PolysiSpec

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

700 1000 1300 1600 1900 2200 2500

Tensile Fracture(MPa) FractureProbabilityPf

Pf = 0.5

MPa mean 1735

f =

σ 0

500 1000 1500 2000 2500

n°1 n°2 n°3 n°4 n°5 n°6 n°7 n°8 n°9 n°10

Tensile Fracture (MPa)

a)

- Critical Tensile Stress : 1735 MPa

b)

- Critical Tensile Strain : 1 % - Test Duration : 5 s - Overall Test Unit Surface : 1.5 mm

2

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Polysilicon Specimen

Vernier

Actuation Grid Probe

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Integrated Tensile Test Units: Second Generation Prototype

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Laboratoire de Mécanique Appliquée – UMR CNRS 6604 – Université de Franche Comté Institut des Microtechniques de Franche Comté

Integrated Tensile Test Units: Second Generation Prototype

*

Hair’s Cross Section ~ 3000 µm 2

Each actuation cell must develop up to 1500 µN In order to initiate fracture within the tensile specimen

- Tensile Specimen Nominal Length : 270µm - Critical Elongation : 4µm

- Critical Strain : 1.48%

- Tensile Fracture Strength : 2520 MPa - Overall Test Unit Surface : 0.075 mm

2 Actuation Grid involving

6 Actuation Cells

Polysilicon Tensile Specimen:

Cross Section:2 x 1.5 µm

*

Fracture Elongation Reading Using

High Resolution CCD Camera

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