[發明專利]基于變形測量與數值反求確定薄膜應力的系統與方法

有效

• 申請號: 200910011403.5
• 申請日: 2009-05-04
• 公開（公告）號: CN101629859A
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發明（設計）人: 付康
• 申請（專利權）人: 付康
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00;G01B11/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于集成電路和微機電系統(MEMS)制造過程中使用的測量技術，該技術用于測量薄膜材料中的薄膜應力。?

背景技術

薄膜材料被廣泛用于制造集成電路和微機電系統(MEMS)。在基體表面采用化學沉積(CVD)和物理沉積(PVD)等技術形成具有特定性質和功能的薄膜材料后，采用掩模，光刻和腐蝕等微加工工藝可將薄膜材料加工成為集成電路和微結構。由于薄膜形成過程中產生的晶體缺陷和薄膜材料與基體材料熱膨脹系數之間的差異，導致不可避免地在薄膜材料中出現不可忽視的應力。薄膜應力可引起薄膜材料的變形、脫層和開裂，也可使得由薄膜材料制造的器件發生力學性能的改變，甚至失效。薄膜材料應力的精確測量是設計能夠對其進行有效控制的工藝過程的重要依據。?

薄膜應力測量的方法可分為直接和間接兩類方法。直接方法包括像X-射線散射儀和微拉曼光譜儀等。不過這類方法成本很高，也不便于在生產過程采用。間接方法則是通過測量試樣變形(位移和曲率變化等)來確定薄膜應力。比如在微機電系統領域，對環結構、金剛石結構和指針旋轉結構測量其在特殊點處的平面位移，對兩端固支梁列陣和懸臂梁測量其特殊點的離面位移等。這些模型的主要缺陷是難于提供足夠正確的幾何，邊界和材料參數來保證得到高精度的薄膜應力。在半導體集成電路制造領域使用最為普遍的是基體彎曲法。該方法采用光學干涉儀或表面輪廓儀測量晶片變形前后曲率或角度的改變，然后通過如下Stoney公式計算薄膜中的應力?

σf=Ests2κ/6tf(1-vs),---(1)]]>

其中，σ_f為薄膜應力；t_s和t_f分別為基體和薄膜厚度；E_s和v_s分別為基體的彈性模量和泊松比；κ為薄膜應力引起的基體曲率變化(假設初始曲率為0)。雖然該方法簡單實用也無需薄膜的材料參數，但是該方法的解析計算公式建立在圓形薄板各向同性和均勻平面薄膜應力狀態的條件之上，不適合用于一般幾何形狀和應力狀態下薄膜應力的測量。?

有限元方法是一種適合分析一般幾何形狀、復雜載荷條件和不同材料構成等情況下相關力學問題的數?值方法。以該方法為基礎，可以建立一些直接求解薄膜應力的方法。比如，在已知薄膜和基體間非協調的溫度應變和本征應變情況下，可將這些應變變換為等效的載荷用來計算薄膜應力。但是應用這種方法的主要障礙是在通常情況下難于獲取這些應變的值。另外一種方法是通過測量試件的變形來直接獲取有限元方法中的全部運動學變量(節點位移和轉角)，由有限元方程得出節點載荷，再由節點載荷計算薄膜應力。雖然這種方法避免了使用非協調應變的問題，但是仍然存在如下的明顯缺陷：(1)測量全部節點運動學變量一般是無法實現的，除邊界上的節點外，內部節點是不可測的，只能靠插值獲得；(2)對轉角等自由度的測量難于保證獲得足夠的精度；(3)沒有考慮基體與薄膜之間變形的協調條件；(4)計算需要利用薄膜的材料參數；和(5)沒有考慮修正外力(如自重)對測量變形的影響等。?

發明內容

本發明針是對微電子和微機電系統制造過程中需要確定薄膜材料應力的要求為克服上述現有技術中的缺點而提出的一套測量系統和一種相應的測試方法。?