對壓電薄膜進行表征和控制的兩種工具-激光干涉法

華測儀器激光測振儀與鐵電分析儀配合使用

華測儀器提供了兩種工具，能夠在產品開發和制造過程中對壓電薄膜進行表征和控制。

• 激光干涉法：用于測量d33并評估壓電MEMS的運動。

• e31表征：用于跟蹤薄膜的壓電系數。

今天我們先講一下激光干涉法：

? 有四個實用的壓電系數:

l d33在平行電極之間施加電壓時，薄膜表面的垂直位移。

l d31在d33激活時，薄膜垂直膨脹時的橫向收縮。

l e33在d33激活時，薄膜頂部表面施加的垂直力。

l e31在d33激活時，薄膜施加的橫向力。

? 在薄膜上只能測量四個壓電系數中的兩個：

l d33這是一個較小的值，需要激光來分辨。

l d31無法用傳感器觀察到這種運動。

l e33可能可以用原子力顯微鏡（AFM）測量垂直力但難以保證準確性。

l e31薄膜產生的橫向力會使懸臂彎曲，其運動可以通過激光或光子傳感器觀察到。

物理限制

l 被測設備的物理尺寸限制了必須使用的傳感器類型。

l 光子傳感器的光斑直徑通常在 0.3mm 到 3mm 之間。

l 只有大型平面結構可以用光子傳感器測量。

l 光子傳感器價格低廉。

l 壓電MEMS中的運動結構通常太小，無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域。

l 激光比光子傳感器更昂貴。

計量工具

光子傳感器適合測量精確的大面積平均薄膜系數。

激光多普勒測振儀（LDV）憑借其小光斑尺寸，適合原位測量生產中的壓電MEMS設備。

? 兩者的結合使用:

• 光子傳感器測量工藝監控晶圓上的薄膜e31系數。

• 激光直接測量監控晶圓上夾緊電容器的d33系數。

• 使用測量的e31和d33值預測制造中設備的性能。

• 激光直接測量壓電MEMS的運動，與模型值的偏差表明工藝問題。

一、激光干涉法

l 華測儀器激光測振儀與鐵電分析儀的配合使用。

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

l 通過 16 次平均可以達到單比特 ADC 分辨率。

l 結合激光測振儀，這些測試儀可以達到 0.2 ? （0.02nm）的 d?? 活塞運動分辨率。

l 測光測振儀最小光斑直徑為 2 μm。

激光干涉法

l 測振儀測量460μm寬、580μm長的懸臂。

壓電MEMS測量

l 懸臂頂端的雙蝴蝶環，由 1Hz/20V的周邊平行板電容器驅動，32,000個點。

蝴蝶運動

l 激光測振儀可以看到夾緊薄膜的活塞運動。

d33與激光測振儀