絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力測試結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)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及方法，其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(fā)明的測試結構、測量方法和參數(shù)提取的方法極其簡單。
【專利說明】絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力測試結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)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(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測試【技術領域】。
【背景技術】
[0002]微機電器件的性能與材料參數(shù)有密切的關系，由于加工過程的影響，一些材料參數(shù)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(xiàn)不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數(shù)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(shù)，對工藝的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，并將參數(shù)反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設備進行的測試成為工藝監(jiān)控的必要手段。材料力學性能的物理參數(shù)主要包括楊氏模量、泊松比、殘余應力、斷裂強度等。
[0003]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(shù)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。
[0004]目前大多數(shù)微機電材料參數(shù)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(shù)的在線測量需求越來越大。
[0005]本發(fā)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(fā)明的測試結構、測量方法和參數(shù)提取的方法極其簡單。
【發(fā)明內容】
:
[0006]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(fā)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。
[0007]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0008]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?。涣硪唤M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(jù)該值和設計的撓度并結合測試結構的幾何參數(shù)、物理參數(shù)，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(qū)受到鉆蝕，使錨區(qū)的強度受到影響，必須對其進行加固。
[0009]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(fā)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。
[0010]根據(jù)上述技術方案，本發(fā)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；
[0011]所述第一組結構的多晶硅懸臂梁由第一錨區(qū)、細長梁、作為上電極的寬梁、細短梁自左向右連接而成，在寬梁的下表面是矩形下電極，寬梁和下電極之間是空氣層；在細短梁的下表面有第一凸點、第二凸點分別作為薄膜娃雙端固支梁和墊板的施力點；
[0012]所述第一組結構中的薄膜硅雙端固支梁由第二錨區(qū)、第三錨區(qū)和豎直長梁連接而成，薄膜硅雙端固支梁與多晶硅懸臂梁垂直，薄膜硅雙端固支梁的中心位于多晶硅懸臂梁中的細短梁左邊的第一凸點之下；
[0013]所述第一組測試結構中的墊板由矩形板、兩個支撐矩形板的第一折疊梁、第二折疊梁和分別連接第一折疊梁、第二折疊梁的第四錨區(qū)、第五錨區(qū)組成；墊板材料與薄膜硅雙端固支梁相同，均采用絕緣襯底上的薄膜硅制作，矩形板的中心位于多晶硅懸臂梁中細短梁的右邊凸點之下；
[0014]所述第二組測試結構中的多晶硅懸臂梁和墊板的幾何形狀、尺寸以及相對位置均與第一組的多晶硅懸臂梁和墊板相同。
[0015]薄膜硅雙端固支梁中的第二錨區(qū)、第三錨區(qū)和墊板中的第四錨區(qū)、第五錨區(qū)均采用加固結構，即在這些錨區(qū)之上設有一層包裹材料，包裹材料覆蓋住全部錨區(qū)并向外延伸至二氧化硅區(qū)域，包裹材料圖形大于錨區(qū)的部分直接生長在SOI材料中的二氧化硅層上。
[0016]本發(fā)明的絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構的測試方法在于利用第一組結構和第二組結構相同部分在相同測試位移下受力相同的原理，提取出驅動絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁中心達到測試撓度時所需要的靜電力；
[0017]所述第一組結構在測試位移下的靜電力Fl包含了三部分:驅動多晶硅懸臂梁彎曲所需要的力；下壓墊板所需要的力；由待測薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁彎曲所需要的力；
[0018]所述第二組結構在測試位移下的靜電力F2包括了兩部分:驅動多晶硅懸臂梁彎曲所需要的力；下壓墊板所需要的力；
[0019]Fl減去F2即為單獨驅動由絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁達到測試撓度所需要的凈力。
[0020]薄膜硅雙端固支梁的測試撓度等于二氧化硅層的厚度。
[0021]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0022]本發(fā)明的最大優(yōu)點在于絕緣襯底上的薄膜硅材料殘余應力測試方法簡單，測試設備要求低，測試過程及測試參數(shù)值穩(wěn)定。加工過程與微機電器件同步，沒有特殊加工要求。完全符合在線測試的要求。計算方法僅限于簡單數(shù)學公式。本發(fā)明的測試結構、測量方法和參數(shù)提取的計算方法極其簡單，適應性廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的第一組結構。
[0024]圖2是本發(fā)明的第二組結構。
[0025]圖3是本發(fā)明的薄膜硅加固錨區(qū)結構。
[0026]圖中有:多晶硅懸臂梁101、第一錨區(qū)101-1、細長梁101-2、寬梁101_3、細短梁101-4、第一凸點101-5、第二凸點101-6、矩形下電極101-7，
[0027]墊板102、矩形板102-1、第一折疊梁102-2、第二折疊梁102-3、第四錨區(qū)102-4、第五錨區(qū)102-5 ；
[0028]薄膜硅雙端固支梁103、豎直長梁103-1、第二錨區(qū)103-2、第三錨區(qū)103-3?！揪唧w實施方式】
[0029]下面結合附圖1、圖2和圖3對本發(fā)明做更進一步的說明。
[0030]本發(fā)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。其中第一組結構如圖1所示，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101、一個薄膜硅雙端固支梁103和一個由薄膜硅制作的墊板102組成；第二組結構由一個多晶硅懸臂梁101和一個薄膜硅制作的墊板102組成；
[0031]所述第一組結構的多晶硅懸臂梁101由第一錨區(qū)101-1、細長梁101-2、作為上電極的寬梁101-3、細短梁101-4自左向右連接而成，在寬梁101-3的下表面是矩形下電極101-7，寬梁101-3和下電極101-7之間是空氣層；在細短梁101-4的下表面有第一凸點101-5、第二凸點101-6分別作為薄膜硅雙端固支梁103和墊板102的施力點；
[0032]所述第一組結構中的薄膜硅雙端固支梁103由第二錨區(qū)103-2、第三錨區(qū)103_3和豎直長梁103-1連接而成，薄膜硅雙端固支梁103與多晶硅懸臂梁101垂直，薄膜硅雙端固支梁103的中心位于多晶硅懸臂梁101中的細短梁101-4左邊的第一凸點101-5之下；
[0033]所述第一組測試結構中的墊板102由矩形板102-1、兩個支撐矩形板102_1的第一折疊梁102-2、第二折疊梁102-3和分別連接第一折疊梁102-2、第二折疊梁102-3的第四錨區(qū)102-4、第五錨區(qū)102-5組成；墊板102材料與薄膜硅雙端固支梁103相同，均采用絕緣襯底上的薄膜硅制作，矩形板102-1的中心位于多晶硅懸臂梁101中細短梁101-4的第二凸點101-6之下；
[0034]所述第二組測試結構中的多晶硅懸臂梁101和墊板102的幾何形狀、尺寸以及相對位置均與第一組的多晶硅懸臂梁101和墊板102相同。
[0035]薄膜硅雙端固支梁103中的第二錨區(qū)103-1、第三錨區(qū)103_3和墊板102中的第四錨區(qū)102-4、第五錨區(qū)102-5均采用加固結構，即在這些錨區(qū)之上設有一層包裹材料203，包裹材料203覆蓋住全部錨區(qū)并向外延伸至二氧化硅201區(qū)域，包裹材料203圖形大于錨區(qū)的部分直接生長在SOI材料中的二氧化硅層201上。
[0036]本發(fā)明的絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構的測試方法在于利用第一組結構和第二組結構相同部分在相同測試位移下受力相同的原理，提取出驅動絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁103中心達到測試撓度時所需要的靜電力；
[0037]所述第一組結構在測試位移下的靜電力Fl包含了三部分:驅動多晶硅懸臂梁101彎曲所需要的力；下壓墊板102所需要的力；由待測薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁103彎曲所需要的力；
[0038]所述第二組結構在測試位移下的靜電力F2包括了兩部分:驅動多晶硅懸臂梁101彎曲所需要的力；下壓墊板102所需要的力；
[0039]Fl減去F2即為單獨驅動由絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁103達到測試撓度所需要的凈力。
[0040]薄膜硅雙端固支梁103的測試撓度等于二氧化硅層201的厚度。
[0041]絕緣襯底上薄膜娃材料楊氏模量的測試原理如下:
[0042]首先對第一組結構進行測試，在多晶硅懸臂梁101的上寬梁101-3和矩形下電極101-7之間施加逐漸增加的電壓，該電壓產生的靜電力驅動梁101的右端向下彎曲，同時通過第一凸點101-5迫使薄膜硅雙端固支梁103的豎直長梁103-2的中心向下移動，直至接觸大襯底，同時，通過第二凸點101-6壓迫墊板102的矩形板102-1向下移動接觸大襯底。二氧化硅層201的厚度即為設定的薄膜硅雙端固支梁103的測試撓度。由二氧化硅層201的厚度和所施加的電壓值Vl可以計算得到此時的靜電力FI。Fl包括了三個部分:驅動多晶硅懸臂梁101彎曲所需要的力；下壓墊板102中矩形板102-1移動所需要的力；薄膜硅雙端固支梁103彎曲到測試撓度所需要的力。
[0043]接下來對第二組結構進行測試。同樣地，通過上下極板施加逐漸增加的電壓，使梁101的右端向下彎曲，同時通過第二凸點101-6壓迫墊板102的矩形板102-1向下移動，當矩形板102-1接觸大襯底時停止增加電壓并記錄電壓值V2。由所施加的電壓值V2和移動距離可以計算得到此時的靜電力F2。F2包括了兩個部分:驅動多晶硅懸臂梁101彎曲所需要的力；下壓墊板102中矩形板102-1移動所需要的力。
[0044]Fl減去F2即為單獨驅動薄膜硅雙端固支梁103到達設定的測試撓度所需要的凈力F3。由該力的值、測試角度和薄膜硅雙端固支梁103的幾何尺寸、薄膜硅的楊氏模量可以計算得到薄膜硅材料的殘余應力。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構，其特征在于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(101)、一個薄膜硅雙端固支梁(103)和一個由薄膜硅制作的墊板(102)組成；第二組結構由一個多晶硅懸臂梁(101)和一個薄膜硅制作的墊板(102)組成； 所述第一組結構的多晶硅懸臂梁(101)由第一錨區(qū)(101-1)、細長梁(101-2)、作為上電極的寬梁(101-3)、細短梁(101-4)自左向右連接而成，在寬梁(101-3)的下表面是矩形下電極(101-7)，寬梁(101-3)和下電極(101-7)之間是空氣層；在細短梁(101-4)的下表面有第一凸點(101-5)、第二凸點(101-6)分別作為薄膜硅雙端固支梁(103)和墊板(102)的施力點； 所述第一組結構中的薄膜硅雙端固支梁(103)由第二錨區(qū)(103-2)、第三錨區(qū)(103-3)和豎直長梁(103-1)連接而成，薄膜硅雙端固支梁(103)與多晶硅懸臂梁(101)垂直，薄膜硅雙端固支梁(103)的中心位于多晶硅懸臂梁(101)中的細短梁(101-4)左邊的第一凸點(101-5)之下； 所述第一組測試結構中的墊板(102)由矩形板(102-1)、兩個支撐矩形板(102-1)的第一折疊梁(102-2)、第二折疊梁(102-3)和分別連接第一折疊梁(102-2)、第二折疊梁(102-3)的第四錨區(qū)(102-4)、第五錨區(qū)(102-5)組成；墊板(102)材料與薄膜硅雙端固支梁(103)相同，均采用絕緣襯底上的薄膜硅制作，矩形板(102-1)的中心位于多晶硅懸臂梁(101)中細短梁(101-4)的第二凸點(101-6)之下； 所述第二組測試結構中的多晶硅懸臂梁(101)和墊板(102)的幾何形狀、尺寸以及相對位置均與第一組的多晶硅懸臂梁(101)和墊板(102)相同。
2.根據(jù)權利要求1所述的絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構，其特征在于薄膜硅雙端固支梁(103)中的第二錨區(qū)(103-1)、第三錨區(qū)(103-3)和墊板(102)中的第四錨區(qū)(102-4)、第五錨區(qū)(102-5)均采用加固結構，即在這些錨區(qū)之上設有一層包裹材料(203)，包裹材料(203)覆蓋住全部錨區(qū)并向外延伸至二氧化硅(201)區(qū)域，包裹材料(203)圖形大于錨區(qū)的部分直接生長在SOI材料中的二氧化硅層(201)上。
3.一種如根據(jù)權利要求1所述的絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構的測試方法，其特征在于利用第一組結構和第二組結構相同部分在相同測試位移下受力相同的原理，提取出驅動絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁(103)中心達到測試撓度時所需要的靜電力； 所述第一組結構在測試位移下的靜電力Fl包含了三部分:驅動多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；下壓墊板(102)所需要的力；由待測薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁(103)彎曲所需要的力； 所述第二組結構在測試位移下的靜電力F2包括了兩部分:驅動多晶硅懸臂梁(101)彎曲所需要的力；下壓墊板(102)所需要的力； Fl減去F2即為單獨驅動由絕緣襯底上薄膜硅材料制作的薄膜硅雙端固支梁(103)達到測試撓度所需要的凈力。
4.根據(jù)權利要求3所述的絕緣襯底上薄膜硅材料殘余應力的測試結構的測試方法，其特征在于薄膜硅雙端固支梁(103)的測試撓度等于二氧化硅層(201)的厚度。
【文檔編號】G01L1/00GK104034604SQ201410243543
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權日:2014年6月3日
【發(fā)明者】李偉華, 王雷, 張璐, 周再發(fā) 申請人:東南大學