激光干涉法可測(cè)量薄膜的壓電系數(shù)

華測(cè)儀器激光測(cè)振儀與鐵電分析儀配合使用

華測(cè)儀器提供了兩種工具，能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中對(duì)壓電薄膜進(jìn)行表征和控制。

• 激光干涉法：用于測(cè)量d33并評(píng)估壓電MEMS的運(yùn)動(dòng)。

• e31表征：用于跟蹤薄膜的壓電系數(shù)。

今天我們先講一下激光干涉法：

? 有四個(gè)實(shí)用的壓電系數(shù):

l d33在平行電極之間施加電壓時(shí)，薄膜表面的垂直位移。

l d31在d33激活時(shí)，薄膜垂直膨脹時(shí)的橫向收縮。

l e33在d33激活時(shí)，薄膜頂部表面施加的垂直力。

l e31在d33激活時(shí)，薄膜施加的橫向力。

? 在薄膜上只能測(cè)量四個(gè)壓電系數(shù)中的兩個(gè)：

l d33這是一個(gè)較小的值，需要激光來(lái)分辨。

l d31無(wú)法用傳感器觀察到這種運(yùn)動(dòng)。

l e33可能可以用原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量垂直力但難以保證準(zhǔn)確性。

l e31薄膜產(chǎn)生的橫向力會(huì)使懸臂彎曲，其運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)激光或光子傳感器觀察到。

物理限制

l 被測(cè)設(shè)備的物理尺寸限制了必須使用的傳感器類(lèi)型。

l 光子傳感器的光斑直徑通常在 0.3mm 到 3mm 之間。

l 只有大型平面結(jié)構(gòu)可以用光子傳感器測(cè)量。

l 光子傳感器價(jià)格低廉。

l 壓電MEMS中的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)通常太小，無(wú)法用光子傳感器觀察到。

l 激光的光斑尺寸可以小至 2 μm，因此可以分辨樣品的微小區(qū)域。

l 激光比光子傳感器更昂貴。

計(jì)量工具

光子傳感器適合測(cè)量精確的大面積平均薄膜系數(shù)。

激光多普勒測(cè)振儀（LDV）憑借其小光斑尺寸，適合原位測(cè)量生產(chǎn)中的壓電MEMS設(shè)備。

? 兩者的結(jié)合使用:

• 光子傳感器測(cè)量工藝監(jiān)控晶圓上的薄膜e31系數(shù)。

• 激光直接測(cè)量監(jiān)控晶圓上夾緊電容器的d33系數(shù)。

• 使用測(cè)量的e31和d33值預(yù)測(cè)制造中設(shè)備的性能。

• 激光直接測(cè)量壓電MEMS的運(yùn)動(dòng)，與模型值的偏差表明工藝問(wèn)題。

一、激光干涉法

l 華測(cè)儀器激光測(cè)振儀與鐵電分析儀的配合使用。

l 鐵電分析儀和壓電MEMS測(cè)試儀使用 18 位 ADC，具有 76 µV/位的分辨率，單次測(cè)量的噪聲底限為 ~300µV。

l 通過(guò) 16 次平均可以達(dá)到單比特 ADC 分辨率。

l 結(jié)合激光測(cè)振儀，這些測(cè)試儀可以達(dá)到 0.2 ? （0.02nm）的 d?? 活塞運(yùn)動(dòng)分辨率。

l 測(cè)光測(cè)振儀最小光斑直徑為 2 μm。

激光干涉法

l 測(cè)振儀測(cè)量460μm寬、580μm長(zhǎng)的懸臂。

壓電MEMS測(cè)量

l 懸臂頂端的雙蝴蝶環(huán)，由 1Hz/20V的周邊平行板電容器驅(qū)動(dòng)，32,000個(gè)點(diǎn)。

蝴蝶運(yùn)動(dòng)

l 激光測(cè)振儀可以看到夾緊薄膜的活塞運(yùn)動(dòng)。

d33與激光測(cè)振儀