[發明專利]絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力測試結構

有效

• 申請號: 201410243543.6
• 申請日: 2014-06-03
• 公開（公告）號: CN104034604A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 李偉華;王雷;張璐;周再發
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20;G01L1/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明提供了一種絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構。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。材料力學性能的物理參數主要包括楊氏模量、泊松比、殘余應力、斷裂強度等。

在MEMS技術領域內，絕緣襯底上的硅膜(一種SOI材料)是一種常用的襯底材料，主要由三層材料疊合而成，自下而上為大襯底，絕緣層(通常為二氧化硅)，硅膜層。這類SOI材料通常采用兩類方法制造：注氧和鍵合。注氧SOI材料所形成的硅膜比較薄，大約為幾百納米，鍵合形成的SOI材料上的硅膜相對注氧結構要厚一些，幾微米到幾十微米。SOI材料中的絕緣層主要是二氧化硅，其中注氧形成的二氧化硅通常只有幾十納米，鍵合形成SOI的二氧化硅則相對厚一些，厚度范圍也大一些。這些二氧化硅常作為制作MEMS器件的犧牲層，即這層二氧化硅在結構下的部分最終將被腐蝕掉，這樣，上層硅膜所制作的結構可以做離面或面內運動。不論是注氧工藝還是鍵合工藝，都將在上面的硅膜中形成應力。絕緣襯底上的硅膜為單晶硅薄膜，其薄膜材料的力學參數和晶向有關。采用絕緣襯底上的薄膜硅所制作的MEMS器件通常是離面運動形式，而絕緣襯底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面內運動形式。

目前大多數微機電材料參數在線測試結構主要是測量微機械表面加工工藝所制作的薄膜材料，如各層多晶硅、金屬層等。隨著絕緣襯底上的硅膜材料在MEMS加工中越來越多的得到應用，對于絕緣襯底上硅膜材料的楊氏模量、泊松比、殘余應力、斷裂強度等力學參數的在線測量需求越來越大。

本發明提供了一種測量絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構。測試結構由兩組結構構成。其中第一組由一個多晶硅懸臂梁、一個薄膜硅雙端固支梁、一個由薄膜硅制作的墊板組成；第二組由一個多晶硅懸臂梁和一個由薄膜硅制作的墊板組成。實際測量薄膜硅殘余應力的單元是薄膜硅雙端固支梁，而兩組結構的差別僅在于是否包括薄膜硅雙端固支梁，兩組結構中其他對應單元結構和幾何尺寸完全相同。施加靜電力使多晶硅懸臂梁下彎并進而下壓薄膜硅雙端固支梁和墊板接觸襯底。通過兩組測試結構的測試提取出單獨驅動薄膜硅雙端固支梁達到測試撓度所需要的力，由力、測試撓度、楊氏模量和幾何尺寸可以計算得到絕緣襯底上薄膜硅材料的殘余應力。本發明的測試結構、測量方法和參數提取的方法極其簡單。

發明內容：

技術問題：測量材料的殘余應力通常需要知道結構受力大小和結構受力所產生的形變、位移或撓度。本發明提出了一種測試結構，用于測量絕緣襯底上薄膜硅材料的殘余應力。利用兩組測試單元提取出殘余應力測量單元所受到的力的大小，利用SOI材料中二氧化硅層的厚度設置殘余應力測量單元受力所產生的撓度。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

測試結構由兩組單元組成：其中一組用于測量包含了薄膜硅殘余應力測量單元的結構產生一定上下位移時所施加力的大??；另一組用于測量在同樣位移條件下，去除薄膜硅的殘余應力測量單元后所需要施加的力的大小。將兩次所施加的力相減，得到在薄膜硅的殘余應力測量單元上實際受到的力值，根據該值和設計的撓度并結合測試結構的幾何參數、物理參數，即可計算得到該絕緣襯底上薄膜硅材料的殘余應力。另一方面，由于SOI材料制作的MEMS結構在犧牲層腐蝕時很容易使結構的錨區受到鉆蝕，使錨區的強度受到影響，必須對其進行加固。

實際測試絕緣襯底上的薄膜硅材料殘余應力的單元，為一個由該薄膜硅材料制作的雙端固支梁(以下簡稱薄膜硅雙端固支梁)。驅動薄膜硅雙端固支梁發生彎曲的作用力源是一個利用靜電驅動的多晶硅懸臂梁(以下簡稱為多晶硅懸臂梁)。薄膜硅雙端固支梁的彎曲測試撓度由SOI中二氧化硅層厚度決定，也即當薄膜硅雙端固支梁的中心接觸到大襯底時測試結束。

根據上述技術方案，本發明提出了一種測量絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構。該測試結構由兩組結構構成；其中第一組結構由一個多晶硅懸臂梁、一個薄膜硅雙端固支梁和一個由薄膜硅制作的墊板組成；第二組結構由一個多晶硅懸臂梁和一個薄膜硅制作的墊板組成；