[發明專利]基于微懸臂梁結構的介電伸縮系數測量方法

有效

• 申請號: 200910033237.9
• 申請日: 2009-06-10
• 公開（公告）號: CN101634673A
• 公開（公告）日: 2010-01-27
• 發明（設計）人: 黃慶安;黃見秋;秦明
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26;G01B11/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明涉及一種基于微懸臂梁結構測量微電子薄膜材料介電伸縮系數的方法，尤其適用于測量氧化硅、氮化硅等微電子薄膜材料的介電伸縮系數。

背景技術

介電伸縮系數是表征介質介電常數隨機械應力(或應變)變化的物理量。介電伸縮是電致伸縮效益的逆效應。作為一種電機械耦合效應，介電伸縮可以作為一種敏感機制。2002年Torrey?R.Flianc-Bown(人名)等人基于介電伸縮效應提出了一種新型的觸覺傳感器，2005年周閔新(人名)等人提出了一種氣壓傳感器也與這種效應有關。另一方面，隨著集成電路的不斷按比例縮小，應力對器件性能的影響越來越重要，因此有必要測量不同介質材料的介電伸縮系數。2003年Rattikorn?Yimnirun(人名)等人提出了一種基于動態壓縮計測量塊狀材料介電伸縮系數的方法，但是這種方法不適用于薄膜材料的測量，同時，為了實現較大的應力加載需要復雜的裝置。

發明內容

技術問題：本發明的目的是提出一種利用微懸臂梁結構測量介質介電伸縮系數的方法。這種方法可以用于測量微電子薄膜材料的介電伸縮系數。通過微懸臂梁彎曲可以實現較大的應力加載，測量方法簡單可靠，同時，由于樣品制作采用了微電子工藝，因此具有較高的精度。

技術方案：本發明提出的基于微懸臂梁結構的介電伸縮系數測量方法，利用微電子工藝制作測試結構，測試結構為懸臂梁結構，檢測電容位于懸臂梁的固執端附近，集中力加載點位于梁的自由端，探針施加的集中力使得懸臂梁彎曲，由此在介質中實現應力加載，為了精確控制加載位置，加載點處通過微加工方法制作了定位標記。通過對樣品不同的加載方式，可以對懸臂梁施加不同方向的機械載荷，由此在介質薄膜中分別實現壓應力和拉應力。

采用微加工工藝制作的懸臂梁樣品進行測量，具體包括：

第一步：將測試樣品固定在PCB板上，探針從正面或背面對懸臂梁自由端加載集中力，背面加載時，PCB板由支架支撐，探針通過PCB板上的通孔加載，

第二步：在懸臂梁固支端由金屬、待測介質薄膜以及N+硅膜組成的檢測電容處，通過柵線投影相關法測量檢測電容的形變，進而確定介質中的應力載荷，

第三步：由LCR測試儀測量檢測電容在不同應力下的電容變化情況，

第四步：由電容變化量提取介質的介電常數變化量，

第五步：得出介電常數隨應力變化的材料系數，即介電伸縮系數。

在懸臂梁自由端進行集中力加載，使得懸臂梁彎曲，由此實現對檢測電容中介質進行應力加載。檢測電容位于懸臂梁固支端，懸臂梁固支端結構為金屬/介質/低阻硅形成的三明治結構。在懸臂梁自由端制作加載點定位標記，便于精確加載位置。

有益效果：傳統的壓縮計測量方法不適用于對薄膜材料進行測量。本發明利用微機械工藝制作測試結構，可以測量各種微電子薄膜材料的介電伸縮系數，測試方法簡單，易于在介質中實現較大的應力，同時，由于樣品制作采用了微電子工藝，因此具有較高的精度。

附圖說明

圖1為加載方式的示意圖，(a)為正向加載，(b)為反向加載，圖中有；測試樣品1，PCB板2，微探針3，支架4，通孔5。

圖2為測試結構的示意圖，(a)為側視圖，(b)為俯視圖，圖中有：金屬6，待測介質7，N+硅梁8，檢測電容9，加載點定位標記10。

具體實施方式

本發明是一種基于微懸臂梁結構測量微電子薄膜材料介電伸縮系數的方法。利用懸臂梁彎曲的方法在介質中實現應力加載，通過觀察檢測電容在應力下的變化測量介電伸縮系數。測試樣品1固定在PCB板2上，通過微探針3對懸臂梁加載使得懸臂梁彎曲。探針既可以在樣品正面加載，也可在樣品背面加載，背面加載時，PCB板2由支架4支撐，探針通過通孔5進行加載。測試樣品

由微加工工藝制作。由金屬6、待測介質薄膜7以及N+硅膜8組成的檢測電容9位于懸臂梁的固支端附近，加載點定位標記10位于懸臂梁的自由端。由于N+硅膜8較金屬6和待測介質薄膜7要厚得多，介質層偏離梁的中性面。因此將受到應力作用。正面加載，懸臂梁向下彎曲，介質受到拉應力作用，背面加載，懸臂梁反向彎曲，介質受到壓應力作用。通過柵線投影相關法測量懸臂梁形變，LCR測量儀測量檢測電容變化。最后通過形變表征的機械物理量和電容表征的介電物理量提取出介質的介電伸縮系數。

樣品制備工藝步驟為：

a)以P型(100)硅片為襯底，濃磷摻雜形成N+擴散層作為檢測電容的下電極。

b)生長介質薄膜(可采用氧化，CVD，溶膠-凝膠等)。

c)光刻，刻蝕接觸孔以使下電極引出。