[發明專利]薄膜殘余應力測量結構及其制作和測試方法

無效

• 申請號: 200710017231.3
• 申請日: 2007-01-12
• 公開（公告）號: CN101051018A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 苑偉政;虞益挺;喬大勇;梁慶
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00;B81B3/00;B61C1/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明屬于測量領域，涉及薄膜殘余應方的測量。

背景技術

近十年來，表面硅微加工技術在微機電系統(MEMS)領域得到了廣泛應用，大量的微傳感器、微致動器等MEMS器件都在該技術的基礎上研制成功。然而，由于表面工藝通常情況都是在高溫條件下進行的，因此工藝結束以后、在冷卻至室溫的過程中，結構薄膜的內部將產生很大的熱應力。同時，在薄膜的淀積過程中也會出現較大的內應力。這兩部分應力是薄膜殘余應力的主要來源，最終表現為壓應力和拉應力兩種狀態。過大的殘余應力將極大影響MEMS結構或器件的使用性能和工作可靠性，甚至導致結構失效。因此，有效監控結構薄膜內部的應力狀況(包括應力狀態和大小)對改進和優化工藝參數、改善器件工作性能、提高器件成品率、降低研制成本等具有積極的促進意義。

臨界屈曲法是較早出現，并且獲得廣泛應用的一種薄膜殘余應力測量技術。它的基本工作原理是：通過觀察結構在薄膜殘余應力作用下的臨界屈曲點，經推導求出結構內部的薄膜殘余應力大小及其狀態。H.Guckel等人于1985年最先利用這種方法提出了一種測量薄膜殘余應力的結構，其制作和測試方法如下：

采用表面硅微加工技術，在MEMS器件版圖上設計一組寬度相同、長度均勻增加的兩端固支微梁陣列，見附圖1(a)。該微梁陣列經歷與器件完全相同的工藝流程，因此可以認為其結構內部的殘余應力狀況與器件中的一致。當犧牲層釋放以后，微梁結構變為自由體，其內部的殘余應力也隨之釋放。此時，當微梁的長度超過某一臨界值時，微梁將發生屈曲變形，而該長度以下的微梁仍保持平直。利用光學顯微鏡或掃描電鏡(SEM)觀察發生屈曲變形的最短微梁，根據其幾何尺寸以及結構薄膜的基本材料屬性可以推出結構內部的殘余應力大小。

利用上述的觀察微梁陣列屈曲變形的方法只能測壓應力，對于拉應力情況不能適用。1988年，H.Guckel等人又提出了另一種利用臨界屈曲法工作的薄膜殘余應力測量結構——Guckel環，見附圖1(b)。當環內的拉應力達到某一量值時，圓形的環將變成橢圓形，并進一步引起環中心處的直梁發生屈曲變形。因此，設計一組不同半徑的Guckel環，由發生屈曲變形的最小圓環幾何尺寸和結構薄膜的基本材料屬性可以推出結構內部的拉應力大小。然而，這種結構只能用于測拉應力。

H.Guckel等人利用臨界屈曲法設計的薄膜殘余應力測量結構具有設計簡單、測量方便等優點，因此至今仍然被廣泛使用著。然而，為了測得殘余應力的大小，必須設計一組尺寸逐漸變化的結構陣列，這將占用較大的并且十分寶貴的器件版圖空間，尤其是Guckel環，這個問題更加嚴重。同時，不管是微梁陣列還是Guckel環陣列，都只能用于單一狀態的殘余應力測量，如果預先不知道結構薄膜內部的殘余應力狀態，則需要同時使用這兩組結構陣列，這勢必造成版圖空間的進一步浪費。

發明內容

為了克服現有技術中薄膜殘余應力測量結構占用器件版圖空間大、單一結構陣列不能同時測量殘余壓應力和拉應力的缺陷，本發明提出了一種利用臨界屈曲法測量薄膜殘余應力的新結構及其制作和測試方法，使測試結構占用極小的器件版圖空間，并且使用一個測試結構就能同時測得結構薄膜內部的殘余壓應力或拉應力大小。

本發明提出的薄膜殘余應力測量結構6包括一個測試平板1、一個支撐錨點2和犧牲層4，測試平板1通過支撐錨點2懸置于基底3上，犧牲層4填充在測試平板1和基底3之間。支撐錨點2的位置和形狀可以任意。測試平板1可以為圓形、方形等任意形狀。測試平板1的厚度與待測應力器件的薄膜厚度一致，支撐錨點2的高度與待測應力器件的錨點高度一致。由于工藝原因，測試平板1在支撐錨點2處有凹陷，凹陷形狀與錨點形狀一致。

薄膜殘余應力測量結構6采用表面硅微加工技術制作，如圖7所示，其加工工藝流程包括以下步驟：

(a)在基底3的表面淀積犧牲層4，并在犧牲層4上刻蝕出支撐錨點2的淀積孔；

(b)淀積殘余應力待測的結構薄膜層和支撐錨點2，并在結構薄膜層上刻蝕出測試平板1。

利用上述的薄膜殘余應力測量結構6測量薄膜殘余應力，其基本步驟如下：

第一步：搭建測量裝置。如圖8所示，將包含待測應力的器件和薄膜殘余應力測量結構6的樣品置于釋放槽5內，釋放槽5內充滿了腐蝕液7，用透明蓋板8將釋放槽5蓋住；利用顯微鏡9、CCD攝像儀10和電腦顯示屏12對整個釋放過程進行在線監控，并將錄制的視頻數據保存在電腦主機11上。