一种用于微制造的多层薄膜残余应力和杨氏模量在线测试结构及在线提取方法与流程

文档序号：23426156发布日期：2020-12-25 11:56阅读：103来源：国知局

本发明属于微机电技术领域，特别涉及一种用于微制造的多层薄膜残余应力和杨氏模量的在线测试结构及在线提取方法。

背景技术：

微机电系统(mems)常用于高频电路的开关，电感器，可变电容器等。而薄膜和微结构中的残余应力和杨氏模量等力学参数对mems器件的静动态响应影响很大。为了起绝缘或导电的作用，或是克服薄膜翘曲，mems器件生产加工中常常会用到多层膜结构。而在工艺线内通过通用的测量仪器对微机电产品进行在线测试能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。

现有的几种用于测量微尺度薄膜杨氏模量与残余应力的技术，如纳米压痕法，拉曼光谱法，谐振频率法等，均不能直接提取出多层薄膜各自的参数，且需要较为复杂的分析，难以加工，外在测试仪器也较为复杂，不满足在线测试的要求。

静电力可用来驱动吸合多层梁结构，从而测量杨氏模量和残余应力。长宽比较大的两端固支梁常有固支锚不稳定的问题，采用多层加固锚区的设计可以有效解决这个问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于微制造的单层薄膜杨氏模量的在线测试结构,一种用于微制造的多层薄膜残余应力和杨氏模量的在线测试结构及方法，对测试结构施加电压，通过静电驱动将多层梁结构吸合，读取吸合时所加的电压，代入计迭代方程，最终得出残余应力和杨氏模量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种用于微制造的多层薄膜的残余应力和杨氏模量在线测试结构，该结构包括多层两端固支梁结构(02)、加固锚区、衬底(05)、介质间隙(08)、顶层电极(01)和底层电极(09)，所述加固锚区固定在衬底(05)上：

所述加固锚区包括第一梁锚区(04)、第二梁锚区(07)、第一顶电极锚区(03)、第二顶电极锚区(06)，其中：第一梁锚区(04)、第二梁锚区(07)分别固定在绝缘衬底两端，第一顶电极锚区(03)、第二顶电极锚区(06)分别固定在第一梁锚区(04)和第二梁锚区(07)上，所述多层两端固支梁结构(02)的两端分别和第一梁锚区(04)、第二梁锚区(07)连接，所述顶层电极(01)的两端分别与第一顶电极锚区(03)、第二顶电极锚区(06)连接，并且顶层电极(01)附着在多层两端固支梁结构(02)上方；电极锚区和梁锚区总体呈长方体形状；

所述多层两端固支梁结构(02)、第一梁锚区(04)、第二梁锚区(07)和衬底(05)构成介质间隙(08)；顶层电极下部与多层两端固支梁结构(02)连接，所述底层电极(09)下表面固定在衬底(05)上，并且所述底层电极(09)位于介质间隙(08)内。

进一步的，所述多层固支梁结构包含有n层几何参数相互独立的薄膜a1,a2,…an，两端分别固定在第一梁锚区(04)和第二梁锚区(07)上。

进一步的，顶层电极(01)和底层电极(09)的长度和宽度与多层两端固支梁结构(02)相同。

此外，本发明还提出一种用于微制造的单层薄膜的杨氏模量在线测试结构，该结构包括单层悬臂梁结构(011)、悬臂梁锚区(010)、电极锚区(012)、驱动电极(013)、接触电极(014)、衬底(015)；其中，所述悬臂梁锚区(010)、电极锚区(012)下表面固定在衬底(015)上；所述单层悬臂梁结构(011)一端固定在悬臂梁锚区(010)上，底面与衬底(015)有间隙，可以在平行于衬底(015)的方向的力作用下发生变形，并且，所述悬臂梁锚区(010)、单层悬臂梁结构(011)、电极锚区(012)互相平行，且均与单层悬臂梁结构(011)的长度方向平行；在电极锚区(012)与单层悬臂梁结构(011)平行、且靠近单层悬臂梁结构(011)的侧面上设置有相互平行的驱动电极(013)和接触电极(014)，并且驱动电极(013)和接触电极(014)与衬底(015)垂直。

进一步的，所述驱动电极(013)与悬臂梁锚区(010)的水平距离小于等于单层悬臂梁结构(011)长度的三分之一。

本发明还提出一种采用上述一种用于微制造的多层薄膜的残余应力和杨氏模量在线测试结构的在线测试方法，该方法包括以下步骤：

(1)取n个多层薄膜的残余应力和杨氏模量在线测试结构，加固锚区、衬底(05)、介质间隙(08)、顶层电极(01)和底层电极(09)的几何参数与物理性质完全相同；一个单独的测试结构的多层两端固支梁结构(02)包含有n层等长、等宽的薄膜a1,a2…an，而不同的测试结构的多层两端固支梁结构(02)之间相比，其包含的薄膜宽度全相同、长度不同；

(2)对第i组测试结构，对顶层电极(01)和底层电极(09)之间施加由零开始增加的电压差，观察到半导体参数分析仪电流大小突然增大，即出现吸合现象，当发生吸合现象时，记录此时的顶层电极(01)及底层电极(09)之间的电压值vi；

(3)将吸合电压vi带入在线提取程序中计算得到各材料薄膜的残余应力。

进一步的，将吸合电压vi带入在线提取程序中计算得到各材料薄膜的残余应力，该方法包括以下步骤：

(1)建立列出多层薄膜的吸合电压与残余应力、杨氏模量之间的理论关系，对于多层薄膜的残余应力与杨氏模量测试结构：

其中：

其中，vi是吸合电压，ε0是真空介电常数，eeff是该测试结构的多层两端固支梁结构(02)的等效杨氏模量；是该测试结构的介质间隙(08)的等效间隙宽度，其数值由介质间隙(08)多层两端固支梁结构(02)的各层薄膜的厚度、介电常数共同决定；是该测试结构的多层两端固支梁结构(02)的有效残余应力，其数值由各层薄膜的泊松比，残余应力，几何尺寸共同决定。heff是该测试结构的多层两端固支梁结构(02)的有效厚度，ai、bi、ci是和该测试结构几何尺寸有关的常数，be是底层电极的宽度；

(2)使用牛顿迭代法解n阶的线性方程组，得到各层薄膜的残余应力，线性方程组包括：

其中，σi是多层两端固支梁结构(02)第ai层薄膜的残余应力，vi(σ1,σ2,…,σn)是用步骤(1)所描述的多层薄膜两端固支梁对应的理论公式计算得到的理论吸合电压；vit是使用第i个测试结构实际测得的吸合电压；

(3)步骤(2)所描述的牛顿迭代法，选定合适的杨氏模量与残余应力初值后，将线性方程组的左端进行多元函数的泰勒展开，取第一阶线性部分，得到近似方程组:

………

式子中的上标k，表示第k次迭代，表示在第k次迭代中多层两端固支梁结构(02)第ai层薄膜的残余应力的取值，为在第k次迭代中多层两端固支梁结构(02)第ai层薄膜的残余应力的取值之残差，上式可以转化为如下形式：

利用迭代关系式在解得后，可以求得其中λ^(k)为第k次迭代时选择的下山因子，λ^(k)的选值应保证牛顿迭代法结束的标志为其中，εm为设置的残余应力的最大误差。

此外，本发明还提出一种采用所述的用于微制造的单层薄膜杨氏模量的在线测试结构的在线测试方法，该方法包括以下步骤：

(1)取n个单层薄膜的杨氏模量在线测试结构，电极锚区(012)、驱动电极(013)、接触电极(014)的几何尺寸与材料参数相同，每个测试结构的单层悬臂梁结构(011)的材料两两不同，几何尺寸相同；

(2)对第j组测试结构，对驱动电极(013)和单层悬臂梁结构(011)之间施加由零开始增加的电压差，观察到半导体参数分析仪电流大小突然增大，即出现接触现象，当发生接触现象时，记录此时的驱动电极(013)及单层悬臂梁结构(011)之间的电压值vj；

(3)将接触电压vj带入在线提取程序中计算得到各材料薄膜的杨氏模量。

进一步的，步骤(3)将接触电压vj带入在线提取程序中计算得到各材料薄膜的杨氏模量，方法如下：

(1)建立列出单层薄膜的杨氏模量在线测试结构的接触电压与残余应力之间的理论关系：

其中，ej是步骤(2)所述的第j组单层薄膜杨氏模量的在线测试结构的单层悬臂梁结构(011)的杨氏模量，wj是单层悬臂梁结构(011)的宽度，hj为单层悬臂梁结构(011)的厚度，wej为驱动电极(013)宽度，vj为该结构测得的接触电压，lej为悬臂梁锚区(010)与驱动电极(013)的水平距离，lbj为单层悬臂梁结构(011)的长度，gj为单层悬臂梁结构(011)与驱动电极(013)的距离，ε0为真空介电常数；

(2)使用所列关系式，输入实际测得的接触电压与几何尺寸，计算各测试结构的单层悬臂梁结构(011)的杨氏模量ej。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的测试结构简单，方法简便，对外接测试设备要求较低，符合微机电系统工艺线在线测试的要求。

附图说明

图1是用于微制造的多层薄膜残余应力和杨氏模量的在线测试结构侧视图；

其中，01-顶层电极，02-多层两端固支梁结构，03-第一顶层电极锚区，04-第一梁锚区，05-衬底，06-第二顶层电极锚区，07-第二梁锚区，08-介质间隙，09-底层电极，a1，a2…an-多层两端固支梁结构的第1,2…n层薄膜；

图2是用于微制造的单层薄膜的杨氏模量的在线测试结构俯视图；

其中，010-悬臂梁锚区，011-单层悬臂梁结构，012-电极锚区，013-驱动电极，014接触电极，015-衬底。

图3是用于微制造的单层薄膜的杨氏模量的在线测试结构的3d建模图；

其中，010-悬臂梁锚区，011-单层悬臂梁结构，012-电极锚区，013-驱动电极，014接触电极，015-衬底。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本实施例的多层薄膜的残余应力和杨氏模量的测试结构包括多层两端固支梁结构(02)、加固锚区、衬底(05)、介质间隙(08)、顶层电极(01)和底层电极(09)，所述加固锚区固定在底层衬底上：

所述加固锚区包括第一梁锚区(04)、第二梁锚区(07)、第一顶电极锚区(03)、第二顶电极锚区(06)。其中：第一梁锚区(04)、第二梁锚区(07)分别固定在绝缘衬底上，第一顶电极锚区(03)、第二顶电极锚区(06)分别固定在第一梁锚区(04)和第二梁锚区(07)上。梁锚区的上端连接多层两端固支梁结构(02)，顶电极锚区的上端连接顶层电极(01)。电极锚区和梁锚区总体成长方体形状。所述多层固支梁结构包含有n层几何参数相互独立的薄膜(a1,a2,…an)，两端分别固定在第一梁锚区(04)和第二梁锚区(07)上。其上有附着顶层电极(01)，下部与底层电极(09)之间形成介质间隙(08)。所述顶层电极两端分别固定在第一顶层电极锚区(03)和第二顶层电极锚区(06)上，顶层电极下部与多层两端固支梁结构(02)连接。所述底层电极下表面固定在衬底(05)上。顶层电极(01)和底层电极(09)的长度和宽度与多层两端固支梁结构(02)相同。

本实施例的多层薄膜残余应力和杨氏模量测试结构制作过程如下：

在硅片上热氧生长一层二氧化硅，在二氧化硅上淀积一层氮化硅，在氮化硅上lpcvd淀积一层多晶硅作为底层电极(09)，光刻多晶硅，lpcvd一层磷硅玻璃psg作为牺牲层，光刻腐蚀psg，形成锚区，lpcvd第二层多晶硅作为结构层，其在锚区和衬底连接形成第一梁锚区(04)和第二梁锚区(07)。光刻腐蚀第二层多晶硅，得到结构层图形。溅射形成顶金属电极层，其在第一梁锚区(04)上形成第一顶电极锚区(03)，在第二梁锚区(07)上形成第二顶电极锚区(06)。光刻腐蚀顶金属电极层，得到顶电极图形(01)，释放psg区得到两端固支梁结构。

该结构由顶层电极(01)，多层两端固支梁和底层电极(09)组成，在顶层电极(01)和底层电极(09)之间施加电压，通过静电驱动吸合多层两端固支梁，观察到半导体参数分析仪电流大小突然增大，即出现吸合现象，读取吸合时电压的大小，代入迭代计算方程，即可得出各层薄膜的残余应力与杨氏模量。

如图2和图3所示，本实施例的单层薄膜的杨氏模量在线测试结构，包括单层悬臂梁结构(011)、悬臂梁锚区(010)、电极锚区(012)、驱动电极(013)、接触电极(014)、衬底(015)。其中：单层悬臂梁结构(011)固定在悬臂梁锚区(010)上，驱动电极(013)和接触电极(014)固定在电极锚区(012)上。悬臂梁锚区(010)和电极锚区(012)下表面固定在锚区(015)上。悬臂梁锚区(010)侧面与单层悬臂梁结构(011)连接，电极锚区(012)侧面与驱动电极(013)和接触电极(014)连接。单层悬臂梁结构(011)与驱动电极(013)、接触电极(014)均平行设置。其中驱动电极(013)与悬臂梁锚区(010)的水平距离小于等于单层悬臂梁结构(011)长度的三分之一。该结构在单层悬臂梁结构(011)和驱动电极(013)之间施加电压，通过静电驱动悬臂梁横向移动，观察到半导体参数分析仪电流大小突然增大，即出现接触现象，读取接触时电压的大小，代入迭代计算方程，即可得出各层薄膜的杨氏模量。

本实施例的单层薄膜的杨氏模量测试结构使用与前文所述相同的多晶硅表面微加工工艺。

本发明提出一种采用上述一种用于微制造的多层薄膜的残余应力和杨氏模量在线测试结构的在线测试方法，该方法包括以下步骤：