[發明專利]雙層薄膜殘余應力測試結構

有效

• 申請號: 201310401239.5
• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN103439031A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 李偉華;王雷;張曉強;周再發;劉海韻;孫超
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L1/06
• 分類號: G01L1/06
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所 32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明提供了一種雙層薄膜材料殘余應力測試結構。屬于微機電系統（MEMS）材料參數測試技術領域。?

背景技術

微機電器件的性能與材料參數有密切的關系，由于加工過程的影響，一些材料參數將產生變化，這些由加工工藝所導致的不確定因素，將使得器件設計與性能預測出現不確定和不穩定的情況。材料參數測試目的就在于能夠實時地測量由具體工藝制造的微機電器件材料參數，對工藝的穩定性進行監控，并將參數反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環境并采用通用設備進行的測試成為工藝監控的必要手段。?

在制造微機電器件結構中廣泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微機械結構中，薄膜材料是結構材料的主體材料，通常采用化學氣相沉積（CVD）方法或物理氣相沉積（PVD）制造得到，例如氮化硅、多晶硅、二氧化硅、金屬層等。這些薄膜材料在加工過程中將產生內應力即存在殘余應力。殘余應力分為壓應力和張應力。當微機電結構被釋放后，殘余應力將導致結構出現初始變形或者產生對其他材料參數的影響，導致實際性能對設計性能的偏離。?

對于薄膜材料殘余應力的測試有多種方法，大部分方法對測試設備具有較高的要求。例如，基片曲率測試法是一種常見的薄膜殘余應力測試方法，但需要專門的電子/光學設備，如薄膜應力分布測試儀。?

本發明提出了一種雙層薄膜材料殘余應力的測試結構。利用簡單雙層薄膜圓盤結構并配合投影游標，可以獲得MEMS常用薄膜材料的殘余應力，并且可以推廣到更多層薄膜材料情況下的各層薄膜殘余應力測試，測量方法和參數提取的計算方法極其簡單。?

發明內容

本發明提出了一種雙層薄膜材料殘余應力的測試結構。測量單元為圓柱支撐的第一層薄膜圓盤，并且在第一層薄膜圓盤平面上覆蓋有另一層薄膜材料形成雙層薄膜圓盤結構，在第一層薄膜圓盤邊緣直徑方向上延伸出一個直梁，直梁末端有一投影游標。由于殘余應力作用，將使圓盤產生翹曲變形，形成曲面形狀，直梁則指向曲面切線方向，與襯底平面形成夾角，投影游標發生相對位移，通過簡單的幾何尺寸計算即可得到圓盤變形的曲率半徑，最后利用Stoney公式計算薄膜的殘余應力。?

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：?

本發明提供了???一種測量雙層薄膜殘余應力的測試結構，該測試結構由圓盤、投影游標尺以及連接圓盤和投影游標尺的直梁三部分組成，其特征在于：

所述圓盤包括圓柱、第一層薄膜材料和第二層薄膜材料這三個同心圓形結構，所述第一層和第二層材料薄膜均呈圓形，第二層薄膜材料覆蓋在第一層薄膜材料之上，第二層薄膜直徑略小于第一層薄膜，上述圓形薄膜形成雙層薄膜圓盤，支撐雙層薄膜圓盤的圓柱的上端面和第一層薄膜材料連接，下端面固定在襯底材料之上；

所述投影游標尺由左右兩部分組成，其左半部分包括多個相同并順時針旋轉90度的“T”型結構，旋轉后的“T”型結構由水平矩形結構和與其垂直的豎直矩形結構構成，各個“T”型結構的水平矩形結構與一根直梁垂直連接，“T”?型結構的豎直矩形結構的兩條長邊是對準用的基線，其中，右側長邊為A基線，左邊長邊為B基線，所有“T”型結構的尺寸完全相同，所有A基線在一條直線上，B基線在另一條直線上；

所述投影游標尺的右半部分由梳齒結構和位于齒上的“凸”型結構構成，梳齒結構由錨區和垂直連接到錨區的若干齒構成，在齒上與“T”?型結構相鄰的一邊設計有“凸”型結構，所述“凸”型結構的個數等于齒的個數減1后乘以2，所述“凸”型結構上與齒垂直的4條直線是另一組對準基線，其中，最左邊的為C1對準基線，向右依次為C2、C3、C4對準基線，C1、C2基線間距以及C3、C4基線間距均等于[（“凸”型個數×2-1）×△]，其中△為游標的最小分辨單位；

所述雙層薄膜殘余應力測試結構的圓盤和投影游標尺通過一根直梁連接，所述直梁一端沿圓盤直徑方向連接第一層薄膜圓盤，另一端與投影游標尺左半部分的直梁垂直連接；

整個結構除固定在襯底上的圓柱和投影游標尺右半部分的錨區外全部懸浮于襯底之上。

根據本發明的一方面，投影游標尺的齒和“T”型結構間隔排列，其中右半部分的錨區與左半部分的直梁平行，右半部分的齒與左半部分“T”型結構的底部所對應的水平矩形結構平行。?

根據本發明的一方面，B基線與最上邊的“凸”型結構的C2對準基線對齊，A基線與B基線的間距比C2、C4或C1、C3間距大1△。?

根據本發明的一方面，任何兩個上下相鄰的“凸”型結構，設置在下面的“凸”型結構比上面的“凸”型結構向左平移2△。?