專利名稱：Mems磁性能在線測試結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對在線微電子機械系統MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)磁性能進行測試的方法及這種方法所用的相關結構，特別是對薄膜磁學 性能測量的方法，如對MEMS的磁導率、磁化強度和矯頑力等的測量。
技術背景在設計、制造MEMS器件如微機械傳感器和微執行器中，薄膜是很重要的 構件。磁性MEMS器件，作為MEMS器件發展的一個重要方向，有著廣泛的應 用前景。而薄膜材料的磁學特性對這些器件的性能有很大的影響，有些器件如 高密度磁性存儲器，其性能就直接依賴于薄膜的磁學性質。MEMS薄膜磁學在 線測試結構為的是能實吋監控MEMS器件的行為，是磁性MEMS器件走向自動 化的必備部分，因此有著十分重要的意義。由于體材料的磁學性質和薄膜的磁學性質具有很大的差異性，薄膜材料的 磁學性質不能用體材料的磁學性質來代替。上個世紀90年代以來，國內外的專 家學者對薄膜磁性的測量作了很多有益的探索，相繼提出了各種各樣的測試方法，具有代表意義的有沖擊法，磁軛法，罐形磁芯法，微波法，磁秤法等。上述傳統的薄膜磁性測試結構，測量的都是宏觀幾何尺度上的膜，不適合 于MEMS尺寸上膜的磁特性測量。因而需要提供一種新的方法測量薄膜的磁學 性質。 發明內容本發明提供一種用于MEMS薄膜磁學在線測試方法及這種方法所使用的結 構，實現MEMS薄膜磁學特性(如磁導率、磁化強度和矯頑力等)的實時測量。本發明的方法是在微電子機械系統的同一基片上且與待測微電子機械系統 旁，用與建立待測微電子機械系統相同的工藝條件建立一個陪管單元，在測量 時通過測量陪管單元的磁性能，間接得到待測系統的磁性能。本發明的方法中所建立的陪管單元中有兩組線圈，在測量時給其中的一個 線圈上加電壓或電流使陪管單元磁化而成為勵磁線圈，另一個未加電的線圈即 成為感應線圈，通過測量勵磁線圈所加電壓或電流可以算出能代表待測微電子 機械系統磁場強度的對應陪管單元的磁場強度H，通過測量感應線圈感應產生 的感應電動勢或感應電流可以得出能代表待測系統磁感應強度的對應陪管單元 的磁感應強度B，進而得到待測樣品的磁導率、磁化強度和矯頑力等磁學參數。
本發明的測量方法所涉及的結構是在待測微電子機械系統的同一基片上用 與待測微電子機械系統相同的工藝建立起的陪管，在陪管上至少有兩組獨立的 線圈。本發明是采用沖擊法的原理對磁學量進行測量的，該方法仍是目前國際上 公認的測試磁性材料直流參數的標準方法。沖擊法測量磁場是根據電磁感應定 律，利用被測直螺線管中磁通量變化時，包圍在這個磁通回路的探測線圈感應 出電動勢為基礎，由串聯在探測回路中的沖擊電流計準確地測出流過回路的瞬 時電量，借以計算相應的磁學參量的。本發明提供了一種基于沖擊法原理采用陪管單元測量MEMS薄膜磁學特性 的方法，其中的陪管單元是和待測的樣品在完全相同的工藝條件下(如溫度、 組分和厚度等)制得的跟待測樣品距離很近用于測量的單元。
附圖給出本發明的結構示意，從附圖的說明中，將可以更好地了解本發明的目的、結構特征和優點。其中圖1為本發明實施例的整體結構圖。圖2為為附圖1的結構放大示意圖和相關的測量參數圖。圖3為表示本發明實施例截面圖。圖4為表示本發明實施例的底層線圈示意圖。圖5為表示本發明實施例的上層線圈示意圖。圖6為表示本發明矩形陪管單元結構實施例的結構示意圖。圖7為表示本發明圓形陪管單元結構實施例的結構示意圖。
具體實施方式
本發明參照附圖來說明本發明的優選實施例。在附圖中，相同的標號表示 相同的零件和單元。參見圖l，在微電子機械系統MEMS7的基片6上形成絕緣層5，在此之上 用以與建立MEMS的相同工藝建立一個供測試的陪管8。陪管測試部分8包括 陪管單元4、勵磁線圈l、感應線圈2和線圈與陪管單元間的絕緣層3。陪管測 試部分8應在與樣品距離較近的空間內，這一較近距離只要保證測試的陪管8 與待測MEMS間為兩個獨立的單元即可。如圖3所示，本發明用光刻的方式制作立體線圈1和2，兩線圈間不可密繞， 本發明采用間隔打孔連接的方式實現層與層間線圈的連接。穿孔要與陪管單元 有一定間隙，以實現陪管單元與線圈絕緣。以下是形成陪管的具體工藝過程 在同一基片上(一般用單晶硅)生長一層厚度為500A的絕緣層(一般為 Si02)，在上面濺射生長厚度為5000A的金屬Cu層，光刻后作為立體測量線圈 的下層(形狀如附圖4示)，然后在生長一層厚度為500A絕緣層，用以實現測 量線圈和陪管單元電絕緣用，用陰版套刻一次以去除生長絕緣層的起伏，接著 再在同一條件下同時濺射MEMS樣品薄膜和陪管單元(如附圖1所示)，然后 再生長一層厚度為500A絕緣層，光刻上下連接孔，最后生長上層線圈(如附圖 5示)并壓焊、封裝。本發明的陪管制備工藝過程，陪管單元也可以作成矩形、圓形和橢圓等形 狀(如附圖6和7示)，可根據需要確定之。本發明中的陪管單元上采用光刻技術制作了兩組條狀線圈(勵磁線圈和感 應線圈)。在勵磁線圈上加電壓(或電流)使陪管單元磁化，由法拉第電磁感應 定律可知，會在陪管單元上的感應線圈中產生感應電動勢(閉合時會有感應電 流)。通過測量勵磁線圈所加電壓(或電流)可以算出對應陪管單元的磁場強度 H，通過測量感應線圈感應產生的感應電動勢(或感應電流)可以算出對應陪管 單元的磁感應強度B，于是就得到了陪管單元的B—H關系，進而得到樣品的磁 導率、磁化強度和矯頑力等磁學參數。如單匝線圈寬為W，陪管單元寬為b，陪管單元厚度為2a，通過線圈的電 流為I，陪管單元的相對磁導率為p則理論計算得條狀線圈在陪管單元中心處 產生的磁感應強度(由于厚度很小，忽略高度上對中心產生磁場)為陪管單元=,V4"2"2 (^^)當取a-ljmi， b=60pm， W=6jxm， [1=10000， (|io=47txlO-7N/A2)當單匝線圈中電 流加到0.412667mA時即可在樣品中心處產生IT的磁場。由上述計算可知，本 發明的測試結構工作的電流很微弱，因而對要測量的樣品影響很小，是實現樣 品在線磁學特性測量的一個很好的測試結構。應該理解的是，本發明不局限于本說明書所述的具體實施例。相反，本發 明被認為覆蓋了包括權利要求的構思與范圍內的各種各樣的修正和等效安排。
權利要求
1、測量在線微電子機械系統磁性能的方法，其特征是在微電子機械系統的同一基片上且與待測微電子機械系統旁，用與建立待測微電子機械系統相同的工藝條件建立一個陪管單元，在測量時通過測量陪管單元的磁性能，間接得到待測系統的磁性能。
2、 根據權利要求l所述的測量微電子機械系統磁性能的方法，其特征是所 建立的陪管單元中有兩組線圈，在測量時給其中的一個線圈上加電壓或電流使 陪管單元磁化而成為勵磁線圈，另一個未加電的線圈即成為感應線圈，通過測 量勵磁線圈所加電壓或電流可以算出能代表待測微電子機械系統磁場強度的對 應陪管單元的磁場強度H，通過測量感應線圈感應產生的感應電動勢或感應電流 可以得出能代表待測系統磁感應強度的對應陪管單元的磁感應強度B，進而得到 待測樣品的磁導率、磁化強度和矯頑力等磁學參數。
3、 根據權利要求2所述的測量微電子機械系統磁性能的方法所涉及的陪管， 其特征是陪管上至少有兩組相互獨立的線圈。
全文摘要
本發明公開一種對在線微電子機械系統MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)磁性能進行測試的方法及這種方法所用的相關結構，特別是對薄膜磁學性能測量的方法，如對MEMS的磁導率、磁化強度和矯頑力等的測量。本發明的方法是在微電子機械系統的同一基片上且與待測微電子機械系統最近距離處，用與建立待測微電子機械系統相同的工藝條件建立一個陪管單元，在測量時通過測量陪管單元的磁性能，間接得到待測系統的磁性能。
文檔編號G01R33/02GK101153895SQ200710137430
公開日2008年4月2日 申請日期2007年7月12日 優先權日2007年7月12日
發明者肅 劉, 劉林生, 李偉華, 黃慶安 申請人:蘭州大學
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