专利名称：多晶硅断裂强度的在线测试结构及其测试方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电系统材料参数在线测试技术，尤其涉及的是一种多晶硅断裂强度的在线测试结构及其测试方法。
背景技术：
微机电器件MEMS的性能与材料物理参数有密切的关系，而制造微机电器件的材料物理参数又与制造工艺过程有关，即存在制造工艺过程不同，材料物理参数也会有不同的情况。多晶硅是制造微机电器件结构的重要的和基本的材料，通常通过化学气相沉积 (CVD)方法制造得到。多晶硅断裂强度是该材料的重要物理参数，多晶硅断裂强度可以通过制作测试样品由专门的仪器进行离线测试，但也因此失去了实时性。微机电产品的制造厂商希望能够在工艺线内通过通用的测量仪器进行在线测试，及时地反映工艺控制水平，因此，在线测试成为工艺监控的必要手段。在线测试结构和材料物理参数的计算提取方法是实现在线测试的基本要素，测试完全采用电学激励和电学测量的方法，通过电学量数值以及针对性的计算方法，可以得到材料的物理参数。通过热膨胀所产生的拉力拉伸材料使之断裂是进行多晶硅断裂强度测试的一种常用方法。但是，定量计算材料的热膨胀量需要知道材料的热膨胀系数，而热膨胀系数的具体数值也和制造工艺过程有关，因此，首先需要在线测试材料的热膨胀系数，但目前存在的大多数热膨胀系数在线测量方法存在精度低和稳定性差的问题。
发明内容
发明目的本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多晶硅断裂强度的在线测试结构及其测试方法，对测试结构进行简单的电流激励并测量相关电阻，将测量得到的相关电阻值代入计算公式，利用多个计算方程消去热膨胀系数，最终得到多晶硅的断裂强度。技术方案本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的测试结构包括第一测试单元、第二测试单元、第三测试单元和绝缘衬底，所述第一测试单元、第二测试单元和第三测试单元设置在绝缘衬底上；所述第一测试单兀包括第一对固定锚区、第一独立锚区、第一多晶娃接触块、第一多晶硅指针和第一多晶硅膨胀条，其中第一对固定锚区和第一独立锚区分别固定在绝缘衬底上，第一多晶硅膨胀条的两端分别固定在第一对固定锚区上，第一多晶硅指针的一端固定在第一多晶硅膨胀条中间，另一端悬空，第一多晶硅接触块位于第一多晶硅指针的悬空端且固定在第一独立锚区上，第一多晶硅接触块、第一多晶硅指针和第一多晶硅膨胀条分别悬空；第二测试单元包括第二对固定锚区、第二独立锚区、第二多晶硅接触块、第二多晶硅指针和第二多晶硅膨胀条，其中第二对固定锚区和第二独立锚区分别固定在绝缘衬底上，第二多晶硅膨胀条的两端分别固定在第二对固定锚区上，第二多晶硅指针的一端固定在第二多晶硅膨胀条中间，另一端悬空，第二多晶硅接触块位于第二多晶硅指针的悬空端且固定在第二独立锚区上，第二多晶硅接触块、第二多晶硅指针和第二多晶硅膨胀条分别悬空，第一多晶硅指针比第二多晶硅指针短；第三测试单元包括第三对固定锚区、第三独立锚区、多晶硅驱动梁和多晶硅断裂条；其中第三对固定锚区和第三独立锚区分别固定在绝缘衬底上，多晶硅驱动梁的两端分别固定在第三对固定锚区上，多晶硅断裂条的一端固定在多晶硅驱动梁的中间，另一端固定在第三独立锚区多晶硅驱动梁和多晶硅断裂条分别悬空。所述第一多晶娃膨胀条包括第一左支条和第一右支条,第一左支条和第一右支条的一端分别固定在第一对固定锚区上，另一端相互搭接，第一右支条位于第一左支条之上， 第一左支条和第一右支条上分别设有第一狭长部位，第一多晶硅指针固定在第一左支条和第一右支条搭接处，第一多晶硅接触块位于第一多晶硅指针的左侧。所述第二多晶硅膨胀条包括第二左支条和第二右支条，第二左支条和第二右支条的一端分别固定在第二对固定锚区上，另一端相互搭接，第二右支条位于第二左支条之上， 第二左支条和第二右支条上分别设有第二狭长部位，第二多晶硅指针固定在第二左支条和第二右支条搭接处，第二多晶硅接触块位于第二多晶硅指针的左侧。所述多晶硅驱动梁的两端为驱动臂，驱动臂分别与第三对固定锚区相连。一种多晶硅断裂强度的在线测试方法，包括以下步骤(I)测量室温下第一左支条和第一右支条上第一狭长部位的总电阻值Ra，测量室温下多晶硅驱动梁两端驱动臂的总电阻值Rb，测量室温下第一对固定锚区之间的电阻值 Rc，测量室温下第三对固定锚区之间的电阻值Re，(2)对第一测试单元在第一对固定锚区之间施加电流，当左侧的固定锚区和第一独立锚区之间的电阻由无穷大变为有限值，记录此时第一对固定锚区之间的电阻值rct，同理，测量第二对固定锚区之间的电阻值Rdt ；(3)对第三测试单元在第三对固定锚区之间施加电流，当其中任意一个固定锚区和第三独立锚区之间的电阻由有限值变为无穷大时，记录此时第三对固定锚区之间的电阻值Ret ；(4)计算多晶硅的断裂应变e E，
权利要求
1.一种多晶硅断裂强度的在线测试结构，其特征在于，包括第一测试单元、第二测试单元、第三测试单元和绝缘衬底，所述第一测试单元、第二测试单元和第三测试单元设置在绝缘衬底上；所述第一测试单元包括第一对固定锚区(C-C)、第一独立锚区(D)、第一多晶硅接触块 (101)、第一多晶硅指针(102)和第一多晶硅膨胀条(103)，其中第一对固定锚区(C-C)和第一独立锚区(D)分别固定在绝缘衬底上，第一多晶硅膨胀条(103)的两端分别固定在第一对固定锚区(C-C)上，第一多晶硅指针(102)的一端固定在第一多晶硅膨胀条(103)中间，另一端悬空，第一多晶硅接触块(101)位于第一多晶硅指针(102)的悬空端且固定在第一独立锚区(D)上，第一多晶硅接触块(101)、第一多晶硅指针(102)和第一多晶硅膨胀条 (103)分别悬空；第二测试单元包括第二对固定锚区(E-E)、第二独立锚区(F)、第二多晶硅接触块 (201)、第二多晶硅指针(202)和第二多晶硅膨胀条(203)，其中第二对固定锚区(E-E)和第二独立锚区(F)分别固定在绝缘衬底上，第二多晶硅膨胀条(203)的两端分别固定在第二对固定锚区(E-E)上，第二多晶硅指针(202)的一端固定在第二多晶硅膨胀条(203)中间，另一端悬空，第二多晶硅接触块(201)位于第二多晶硅指针(202)的悬空端且固定在第二独立锚区(F)上，第二多晶硅接触块(201)、第二多晶硅指针(202)和第二多晶硅膨胀条 (203)分别悬空，第一多晶硅指针(102)比第二多晶硅指针(202)短；第三测试单元包括第三对固定锚区(G-G)、第三独立锚区(H)、多晶硅驱动梁(301)和多晶硅断裂条(302);其中第三对固定锚区(G-G)和第三独立锚区(H)分别固定在绝缘衬底上，多晶硅驱动梁(301)的两端分别固定在第三对固定锚区(G-G)上，多晶硅断裂条 (302)的一端固定在多晶硅驱动梁(301)的中间，另一端固定在第三独立锚区(H)，多晶硅驱动梁(301)和多晶硅断裂条(302)分别悬空。
2.根据权利要求I所述的多晶硅断裂强度的在线测试结构，其特征在于所述第一多晶娃膨胀条(103)包括第一左支条(104)和第一右支条(105),第一左支条(104)和第一右支条(105)的一端分别固定在第一对固定锚区(C-C)上，另一端相互搭接，第一右支条 (105)位于第一左支条(104)之上,第一左支条(104)和第一右支条(105)上分别设有第一狭长部位(106)，第一多晶硅指针(102)固定在第一左支条(104)和第一右支条(105)搭接处，第一多晶硅接触块(101)位于第一多晶硅指针(102)的左侧。
3.根据权利要求I所述的多晶硅断裂强度的在线测试结构，其特征在于所述第二多晶硅膨胀条(203)包括第二左支条(204)和第二右支条(205)，第二左支条(204)和第二右支条(205)的一端分别固定在第二对固定锚区(E-E)上，另一端相互搭接，第二右支条 (205)位于第二左支条(204)之上，第二左支条(204)和第二右支条(205)上分别设有第二狭长部位(206)，第二多晶硅指针(202)固定在第二左支条(204)和第二右支条(205)搭接处，第二多晶硅接触块(201)位于第二多晶硅指针(202)的左侧。
4.根据权利要求2所述的多晶硅断裂强度的在线测试结构，其特征在于所述多晶硅驱动梁(301)的两端为驱动臂(303)，驱动臂(303)分别与第三对固定锚区(G-G)相连。
5.根据权利要求4所述的一种多晶硅断裂强度的在线测试方法，其特征在于，包括以下步骤(I)测量室温下第一左支条(104)和第一右支条(105)上第一狭长部位(106)的总电阻值Ra，测量室温下多晶硅驱动梁(301)两端驱动臂(303)的总电阻值Rb，测量室温下第一对固定锚区(C-C)之间的电阻值R。，测量室温下第三对固定锚区(G-G)之间的电阻值Re，(2)对第一测试单元在第一对固定锚区(C-C)之间施加电流，当左侧的固定锚区和第一独立锚区(D)之间的电阻由无穷大变为有限值，记录此时第一对固定锚区(C-C)之间的电阻值Rct,同理，测量第二对固定锚区(E-E)之间的电阻值Rdt;(3)对第三测试单元在第三对固定锚区(G-G)之间施加电流，当其中任意一个固定锚区和第三独立锚区(H)之间的电阻由有限值变为无穷大时，记录此时第三对固定锚区 (G-G)之间的电阻值Ret ；(4)计算多晶硅的断裂应变εΕ，_ - βχ + ^]β2X2 +4fi2ykESe= Wy其中χ，y根据下面的公式求解得到， χ+y = kcλ X+ λ 2y = kDL2 L3 ■ L2 j _ Rct _ Re i _ Rdt _ Re Ir _ ^etA =——φ - - ,kC - n ,KD - n ,KE ~ D，LI L4-L5RaRaRbLI是第二多晶硅指针(202)的长度，L2是第一多晶硅指针(102)的长度，L3是第一左支条(104)上第一狭长部位(106)的长度，L4是第一多晶硅指针(102)和第一多晶硅接触块(101)的水平距离，L5是第一多晶硅指针(102)的旋转中心点(107)和第一右支条(105) 上第一狭长部位(106)的水平中心线之间的垂直距离；(5)计算多晶硅的断裂强度oBS:^BSBS — j^BS c E是多晶硅发生断裂时的杨氏模量。
全文摘要
本发明公开了一种多晶硅断裂强度的在线测试结构及其测试方法，对测试结构进行简单的电流激励并测量相关电阻，将测量得到的相关电阻值代入计算公式，利用多个计算方程消去热膨胀系数，最终得到多晶硅的断裂强度。本发明的测试方法简单，测试设备要求低，测试结构的加工过程与微机电器件MEMS同步，没有特殊加工要求，符合在线测试的要求，计算方法仅限于简单数学方程，测试与计算过程稳定，输出结果可靠。
文档编号G01N27/04GK102590282SQ20121000736
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者刘海韵, 周再发, 张卫青, 李伟华, 蒋明霞 申请人:东南大学