專利名稱：薄膜應(yīng)力測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由MEMS表面微機(jī)械加工制備的薄膜往往存在不可忽視的殘余內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于使用表面微加工的典型微結(jié)構(gòu)如懸臂梁、微橋、微膜片，薄膜內(nèi)應(yīng)力將直接影響器件的剛度和諧振頻率等重要的靜、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響所設(shè)計(jì)器件的性能，甚至導(dǎo)致器件失效。對(duì)薄膜應(yīng)力進(jìn)行精確的測(cè)量為工藝設(shè)計(jì)與器件模擬提供了必要的依據(jù)。
近年來，人們開發(fā)了許多基于表面微機(jī)械加工工藝的平面應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，根據(jù)測(cè)試結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的位移來確定應(yīng)力的大小。如環(huán)結(jié)構(gòu)、金剛石結(jié)構(gòu)和指針旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)測(cè)量的是關(guān)鍵點(diǎn)的平面位移；雙端固支梁陣列和懸臂梁測(cè)量的是關(guān)鍵點(diǎn)的離面位移。但是這些方法都存在著一些固有的缺點(diǎn)1)不準(zhǔn)確的變形模型對(duì)測(cè)量結(jié)果影響極大。例如對(duì)最簡(jiǎn)單的懸臂梁結(jié)構(gòu)，基體的變形往往沒有考慮，而懸臂梁支撐端的邊界條件并非固支條件(撓度為零、轉(zhuǎn)角為零)。Baker等的結(jié)果表明，若不考慮基體這一影響，會(huì)給結(jié)果帶來很大的誤差，有時(shí)高達(dá)50％，甚至更高。模型更為復(fù)雜的平面位移型測(cè)試結(jié)構(gòu)這一問題也同樣嚴(yán)重。
2)不正確的幾何尺寸輸入也將影響測(cè)量結(jié)果包括微結(jié)構(gòu)的形狀尺寸、支撐部分與基底的夾角、過刻蝕等工藝誤差，這些都嚴(yán)重影響了測(cè)量精度。
3)薄膜的應(yīng)力的求解往往建立在薄膜楊氏模量和泊松比已知的條件下，而材料的這些力學(xué)參數(shù)也與工藝條件密切相關(guān)，需要通過一定的測(cè)試方法才能準(zhǔn)確提取，或者通過復(fù)雜的陣列或者加載進(jìn)行解耦，增加了測(cè)試的復(fù)雜性。
目前使用最廣的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法是基底彎曲法，它通過光學(xué)干涉儀或者表面輪廓儀測(cè)量薄膜淀積前后圓片的曲率半徑的變化，通過根據(jù)Stoney公式計(jì)算得到薄膜的應(yīng)力值，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，并且應(yīng)力值與薄膜其他材料參數(shù)無關(guān)。但這種方法只能測(cè)量硅片的平均應(yīng)力，而且隨著膜厚的減小誤差增大[5]，分辨率也急劇降低，不適于測(cè)量膜厚小于100nm的薄膜。
隨著納機(jī)電系統(tǒng)(Nano-Electro-Mechanical System)研究的興起，納米尺度下結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性的檢測(cè)也成為研究熱點(diǎn)，目前納米級(jí)的薄膜應(yīng)力的測(cè)試目前報(bào)道較少，國(guó)外一些學(xué)者使用SEM/TEM/AFM等設(shè)備結(jié)合平面位移型測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量的方法，但其設(shè)備復(fù)雜，并且需要在真空等特殊的環(huán)境中操作，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)MEMS和NEMS對(duì)薄膜應(yīng)力測(cè)試的要求，提供一種高靈敏度薄膜應(yīng)力測(cè)試方法和結(jié)構(gòu)，利用局部基底彎曲來檢測(cè)薄膜的殘余應(yīng)力，可提高檢測(cè)精度和靈敏度。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容一種薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，包括(1)在襯底上的多個(gè)局部區(qū)域上進(jìn)行襯底減薄；(2)在襯底上淀積薄膜材料；(3)刻蝕襯底，使減薄后的襯底形成懸空結(jié)構(gòu)，測(cè)量淀積薄膜的懸空結(jié)構(gòu)的彎曲曲率；(4)去除薄膜，測(cè)量懸空結(jié)構(gòu)的彎曲曲率；(5)根據(jù)薄膜淀積前后懸空結(jié)構(gòu)的彎曲曲率，得到薄膜應(yīng)力。
薄膜的材料可為多種MEMS中常用的薄膜材料，如多晶硅、氮化硅、氧化硅或金屬等；襯底材料亦可為多種，如Si，GaAs，石英，玻璃，碳化硅等。
一種薄膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括一襯底，在襯底的多個(gè)局部刻蝕出通過支撐結(jié)構(gòu)固定懸空結(jié)構(gòu)，該懸空結(jié)構(gòu)的厚度小于襯底厚度。
保證測(cè)試靈敏度和測(cè)試結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，襯底被減薄的程度任意。推薦懸空結(jié)構(gòu)厚度為10μm--40μm。
懸空結(jié)構(gòu)可為圓形、方形或其他任意形狀。
保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基礎(chǔ)上，懸空結(jié)構(gòu)的大小可任意，推薦測(cè)試結(jié)構(gòu)面積為1mm2左右。
保證支撐固定的基礎(chǔ)上，支撐結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)任意，為使系統(tǒng)誤差最小，推薦為3點(diǎn)支撐。
保證支撐固定的基礎(chǔ)上，支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任意，如各種彈性梁結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明利用局部基底彎曲來測(cè)試MEMS和NEMS薄膜的殘余應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)加工工藝和檢測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，不僅保留了傳統(tǒng)基底彎曲法的所有優(yōu)點(diǎn)，而且消除了傳統(tǒng)基底彎曲法的系統(tǒng)誤差，可以用于檢測(cè)薄膜的局部應(yīng)力，同時(shí)檢測(cè)精度和靈敏度也得到了極大的提高。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 LPCVD Si3N4應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表表1為用本文提出的局部基底彎曲法測(cè)得光片上30nm LPCVD Si3N4與傳統(tǒng)的基底彎曲法測(cè)得的光片上厚度為30nm、60nm、80nm LPCVD Si3N4的應(yīng)力值的比較?；讖澢ㄊ褂玫氖荁GS 6341型電子薄膜應(yīng)力分布測(cè)試儀。從結(jié)果看出，我們提出的局部基底彎曲法得到的值和傳統(tǒng)測(cè)試方法下的LPCVD Si3N4相吻合，驗(yàn)證了此方法的正確性。
對(duì)于30nm厚的薄膜，應(yīng)力檢測(cè)的分辨率為1.5MPa，優(yōu)于目前國(guó)際上的相關(guān)報(bào)道。理論誤差小于1％，測(cè)量重復(fù)性優(yōu)于1％。


下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做出詳細(xì)描述。
圖1為測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為測(cè)試工藝的流程圖。
a)淀積KOH腐蝕掩模層、背面光刻、刻蝕；b)KOH腐蝕；c)去掉掩模層；d)淀積測(cè)試薄膜，正面光刻、RIE；e)DRIE刻蝕出結(jié)構(gòu)圖形，第一次曲率測(cè)量；f)去掉測(cè)試薄膜，第二次曲率測(cè)量。
6-測(cè)試薄膜；7-Si02掩模；8-光刻膠；9-襯底。
具體實(shí)施例方式
測(cè)試結(jié)構(gòu)示意如圖1，結(jié)構(gòu)1、2、3分別為支撐結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)構(gòu)4、5為圓形和方形的懸空結(jié)構(gòu)。懸空結(jié)構(gòu)大小為1mm×1mm，由于測(cè)試結(jié)構(gòu)具有固定支撐，在淀積薄膜前后曲率半徑的測(cè)試過程中，約束條件相同，這樣就可以消除掉重力造成的影響。其次，在1×1mm的范圍內(nèi)，硅片厚度及淀積薄膜的不均勻性被大大的降低，減小了誤差。由于硅膜減薄為15μm，僅為園片襯底厚度的1/30，根據(jù)公式(1)，其分辨率大大提高。
基底彎曲法通過測(cè)量薄膜淀積前后襯底的曲率半徑得到薄膜的應(yīng)力，由公式(1)表示如下σf=(Es1-vs)ts26tf(1R1-1R2)---(1)]]>式中下標(biāo)f和s分別對(duì)應(yīng)于薄膜和基底，t為厚度，E和v分別是基底的彈性模量和泊松比，R2、R1分別為薄膜淀積前后曲率半徑。利用Stoney公式來測(cè)量應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)在于，它不依賴薄膜的其他機(jī)械參數(shù)如彈性模量和泊松比，并且方法簡(jiǎn)單，易于操作及求解，但是在實(shí)際操作中仍然存在以下幾個(gè)問題1)測(cè)試靈敏度較低由于整個(gè)硅片較厚(400±10μm)，如果待測(cè)試薄膜很薄或薄膜應(yīng)力較小時(shí)，襯底本身變形很小，從而造成分辨率下降，基底彎曲法通常只用于測(cè)試100nm以上的薄膜應(yīng)力，分辨率在10MPa左右[5]；另一方面，如果薄膜本身內(nèi)應(yīng)力很低，則必須淀積一定的厚度才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。而由公式(1)可知曲率半徑與襯底的厚度的平方成正比，在測(cè)試薄膜厚度一定的情況下，如果襯底越薄則產(chǎn)生相同彎曲變形所需的應(yīng)力越小，即測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度越高，薄膜應(yīng)力的分辨率也越高。
2)硅片重力的影響[9]應(yīng)用Stoney公式時(shí)，硅片應(yīng)該滿足自由邊界條件，但這種理想狀況是不存在的，硅片必然需要一定的支撐。這時(shí)硅片在自身重力下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，會(huì)對(duì)曲率產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)際操作時(shí)，圓片在薄膜淀積前后兩次測(cè)量時(shí)的支撐條件不可能完全一樣(由硅片實(shí)際的形變決定)。在兩種不同的支撐條件下，重力對(duì)曲率的貢獻(xiàn)不一樣，其影響不可能完全消除。文中指出如果減小襯底的厚度就可以在很大程度上減小重力帶來的影響；另外，如果支撐點(diǎn)可重復(fù)，即邊界支撐條件固定時(shí)，重力的影響也可以在兩次測(cè)量結(jié)果的差中被消除。
3)厚度不均勻帶來的影響由Stoney公式易知，應(yīng)力與硅襯底厚度和薄膜厚度密切相關(guān)，而由于制作工藝的原因，圓片上淀積薄膜的厚度不均勻是不可避免的。而如果測(cè)量選取的數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在硅片上一個(gè)較小的局部，這種由膜厚不均勻引起的誤差就將減小。
參考圖2，以測(cè)量硅襯底上LPCVD Si3N4為例說明本發(fā)明薄膜應(yīng)力測(cè)試方法的流程首先在硅片表面LPCVD淀積3000 SiO2及1100 Si3N4作為KOH背腔腐蝕的掩膜層；隨后光刻定義出背面圖形，進(jìn)行KOH各向異性腐蝕，控制腐蝕深度，留硅膜厚度為15μm；HF去掉KOH掩膜層后在硅片正面LPCVD生長(zhǎng)30nm Si3N4，RIE去掉背面的Si3N4；正面光刻，刻蝕Si3N4薄膜形成測(cè)試結(jié)構(gòu)圖形；DRIE刻蝕硅膜，形成懸空結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行第一次表面形變測(cè)量，得到由薄膜引起的基底曲率；隨后RIE去掉正面Si3N4薄膜，第二次表面形變測(cè)量，得到無薄膜時(shí)的基底的初始曲率。正面淀積的待測(cè)試薄膜材料還可以是氧化硅、多晶硅、金屬，該方法對(duì)工藝和材料沒有限制。
本發(fā)明薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，減小襯底材料厚度，設(shè)計(jì)固定支撐，并且將測(cè)試范圍集中在襯底上一個(gè)較小的局部，就可以通過測(cè)量局部基底彎曲曲率，得到淀積在基底上的薄膜應(yīng)力。這種局部基底彎曲法不僅靈敏度高，而且能最大程度的減小傳統(tǒng)圓片基底彎曲測(cè)試方法的誤差。
權(quán)利要求
1.一種薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，包括(1)在襯底上的多個(gè)局域上進(jìn)行襯底減薄；(2)襯底上淀積薄膜材料；(3)刻蝕襯底，使減薄后的襯底形成懸空結(jié)構(gòu)，測(cè)量淀積薄膜的懸空結(jié)構(gòu)的彎曲曲率；(4)去除薄膜，測(cè)量懸空結(jié)構(gòu)的彎曲曲率，(5)根據(jù)薄膜淀積前后懸空結(jié)構(gòu)的彎曲曲率，得到薄膜應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于薄膜的材料采用多晶硅、氮化硅、氧化硅或金屬。
3.如權(quán)利要求1或2所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于襯底的材料采用硅、砷化鎵、石英、玻璃或碳化硅。
4.一種薄膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括一襯底，在襯底的多個(gè)局部刻蝕出通過支撐結(jié)構(gòu)固定的懸空結(jié)構(gòu)，該懸空結(jié)構(gòu)的厚度小于襯底厚度。
5.如權(quán)利要求4所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于懸空結(jié)構(gòu)厚度為10μm——40μm。
6.如權(quán)利要求4或5所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于懸空結(jié)構(gòu)為圓形、方形或其他任意形狀。
7.如權(quán)利要求4或5所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于懸空結(jié)構(gòu)的面積為1mm2——3mm2
8.如權(quán)利要求4所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于支撐結(jié)構(gòu)由若干個(gè)彈性梁組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高靈敏度薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，該方法將測(cè)試范圍集中在襯底的局部，減小該局部基底的厚度，并設(shè)計(jì)固定的支撐結(jié)構(gòu)；通過測(cè)量薄膜淀積前后局部基底的彎曲曲率，得到淀積在基底上的薄膜應(yīng)力。本發(fā)明利用局部基底彎曲來檢測(cè)薄膜的殘余應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)加工工藝和檢測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，不僅保留了傳統(tǒng)基底彎曲法的所有優(yōu)點(diǎn)，而且消除了傳統(tǒng)基底彎曲法的系統(tǒng)誤差，可以用于檢測(cè)薄膜的局部應(yīng)力，同時(shí)檢測(cè)精度和靈敏度也得到了極大的提高，可以用于測(cè)試納米級(jí)薄膜及超低應(yīng)力薄膜的殘余應(yīng)力。
文檔編號(hào)G01N13/00GK1793833SQ200510126258
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者陳兢, 王莎莎 申請(qǐng)人:北京大學(xué)