CN101871825A - 薄膜应力测试结构、测试方法及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜应力测试结构、测试方法及制造方法，该结构配置于微机电系统的基片表面，包括：第一固定基座和第二固定基座，均配置于所述基片上，上述两个固定基座由形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜构成；悬臂梁，为待测薄膜构成的悬空结构，包括：测试梁，斜率梁和指示梁，指示梁的一端为梳齿结构，形成游标尺；主尺，由形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜构成，其为配置于所述基片上的梳齿结构，用于与所述游标尺配合读取所述指示梁的位移。本发明提供的薄膜应力测试结构、测试方法及制造方法，无须知道待测材料的泊松比便可准确测量薄膜应力，并能准确测出局部区域应力。

Description

薄膜应力测试结构、测试方法及制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)测试技术，特别是涉及一种薄膜应力测试结构、测试方法及制造方法。

背景技术

现有的微机电系统(MEMS)同集成电路(IC)类似，也是在单晶硅圆上通过薄膜沉积、扩散、光刻、刻蚀、掏空等工艺制备一定的电路或结构，通过电学或力学的某些效应，达到感应某种信号或者执行的目的。

但是微机电系统与传统的集成电路也有不同之处，这种不同主要体现在其制备工艺的标准化与否。集成电路所用到的材料和工艺已经在工业界达到高度的标准化，而微机电系统由于其所涉及的功能材料和特殊工艺太多，在短时间内还不能形成标准化。这个差异导致的一个直接后果就是集成电路标准化工艺中的一些测试手段，不能用于微机电系统的非标准工艺上。一个具体的例子就是薄膜应力(Stress)的测量。

所谓的薄膜应力指的是薄膜内部各部分之间相互作用的内力。无论是集成电路还是微机电系统，都会涉及多层不同材料的薄膜，各层薄膜的厚度通常在几十纳米到几微米的范围不等。由于各层薄膜材料的热膨胀系数通常是不一样的，因此在温度发生变化时，各层之间就会出现应力，表现为拉伸或压缩应力，超过一定强度时会造成薄膜的破裂甚至脱落，轻则影响器件的稳定性，重则永久性地损害器件，因此应力的测量一直是一个重要的步骤。

在集成电路标准化工艺中，测量应力的方法是用光学方法，其原理描述如下：

一个平坦的晶圆，其曲率为零，曲率半径为无穷大。当晶圆上沉积有薄膜之后，由于薄膜与晶圆间的应力，会使得晶圆发生弯曲，即可能出现凹进或凸起，则晶圆不再是一个平坦的平面，而是形成具有一定曲率半径的球面的一部分。利用应力测量仪可以测量这个曲率半径，然后根据Stoney公式计算薄膜应力。Stoney公式如下式所描述：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{Et}}_s^2}{6(1-v){\mathrm{\ρt}}_f}$

式中各符号意义为：σ：薄膜的应力；E：薄膜材料的杨氏模量；ν：薄膜材料的泊松比；t_s：晶圆的厚度；t_f：薄膜的厚度；ρ：薄膜的曲率半径，由应力测量仪测得。

其中，σ是待测的薄膜应力；弹性模量E和泊松比ν对于标准工艺涉及的材料都有完整的数据库，通常已经集成到应力测试仪的软件里面；晶圆厚度t_s与薄膜厚度t_f可由其他仪器测出；曲率半径ρ可由应力测试仪用光学方法测出。显然，由该式可实现薄膜应力的测量。

而微机电系统中用的很多是非标准材料，其泊松比往往是未知或者不完全确定的，不会集成在应力测试仪的软件里面。即使应力测量仪仍然能够用光学方法测量薄膜的曲率半径，但却无法利用Stoney公式计算薄膜的应力。

该方法还有另外一个缺点：所测得的应力是针对整个晶圆上的薄膜，无法反映某一局部区域的应力特征。

有鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明人采用了一种测量原理与上述方法完全不同的测试方法及测试结构，能够避免现有技术中的上述缺点，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为提供一种薄膜应力测试结构、测试方法及制造方法，其无须知道待测材料的泊松比便可准确测量该待测材料的薄膜应力，并能准确测出局部区域薄膜应力，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种薄膜应力测试结构，其配置于微机电系统的基片表面，所述结构包括：第一固定基座和第二固定基座，均配置于所述基片上，上述两个固定基座由形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜构成；悬臂梁，为待测薄膜构成的悬空结构，包括：测试梁，与构成所述第二固定基座的待测薄膜连接；斜率梁，一端与所述测试梁连接，另一端与构成所述第一固定基座的待测薄膜连接；指示梁，一端连接于所述斜率梁的中心，另一端为梳齿结构，形成游标尺；主尺，由形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜构成，其为配置于所述基片上的梳齿结构，用于与所述游标尺配合读取所述指示梁的位移。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的薄膜应力测试结构，所述主尺为具有两个量程的双梳齿主尺，其每一侧梳齿分别对应一组悬臂梁、第一固定基座和第二固定基座，与该组游标尺配合读取该组指示梁的位移。

前述的薄膜应力测试结构，所述两组悬臂梁具有不同的尺寸参数。

前述的薄膜应力测试结构，所述测试梁上设有开孔。

前述的薄膜应力测试结构，该结构设于基片表面的芯片之间的划线槽内。

前述的薄膜应力测试结构，所述牺牲层材料为聚酰亚胺。

本发明的目的及解决其技术问题另外还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种采用上述结构的薄膜应力测试方法，该方法包括以下步骤：由待测薄膜构成的测试梁在待测应力的作用下发生形变；所述测试梁的形变驱动斜率梁产生形变；所述斜率梁的形变带动指示梁一端的游标尺产生放大性位移；读出该位移，并通过公式

计算出待测应力σ，其中，E为待测薄膜材料的弹性模量，δ_v为所述指示梁的位移，L_sb为斜率梁的长度，L_ib为指示梁的长度，C为修正因子，L_tb为测试梁的长度。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的薄膜应力测试方法，当所述主尺为具有两个量程的双梳齿主尺时，其每一侧梳齿分别对应一组悬臂梁、第一固定基座和第二固定基座，与该组游标尺配合读取该组指示梁的位移；该方法包括以下步骤：若得到的两个位移数据皆在量程范围内，则将量程较小的主尺读出的位移数据代入所述公式，计算得到待测应力；若得到的两个位移数据其中之一超出量程范围，则将没有超出量程范围的位移数据代入所述公式，计算得到待测应力。

本发明的目的及解决其技术问题另外再采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种制造上述薄膜应力测试结构的方法，适用于由基片、牺牲层和待测薄膜构成的微机电系统结构，包括以下步骤：在待测薄膜上刻出悬臂梁区域、第一固定基座区域、第二固定基座区域和主尺区域；蚀刻掉上述区域外的待测薄膜，形成悬臂梁区、第一固定基座、第二固定基座和主尺；掏空所述悬臂梁区下方的牺牲层，形成悬臂梁。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的掏空悬臂梁区下方牺牲层的步骤包括：在悬臂梁区中测试梁区的待测薄膜上设置多个开孔；通过所述开孔掏空测试梁区下方的牺牲层。

由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：

1、无须知道待测材料的泊松比便可准确测量该待测材料的薄膜应力；

2、该测试结构可以分布在基片的各个位置，因此可以准确反映出某个局部区域的应力特征；

3、测试结构微小，可置于基片表面的芯片之间的划线槽内，不影响微机电系统芯片所占空间，也不损伤芯片，因此不会影响芯片的性能；

4、可实现制备工艺中的在线测量；

5、工艺简单，可与芯片的制备工艺同时完成；

6、测量工具简单，放大倍数为1000倍的光学显微镜即可观察到游标尺的移动和与主尺的对准，从而可以计算应力值；

7、本发明一实施例所采用的双量程结构，可满足工艺中常见大小应力范围的测量要求，无须根据不同环境重新进行结构设计。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1为本发明第一实施例的薄膜应力测试结构的俯视示意图；

图2为图1的A区域的放大示意图；

图3为图1的B区域的放大示意图；

图4为图1中的游标尺和主尺的放大示意图；

图5为由薄膜应力引起的斜率梁和指示梁形变的示意图；

图6为本发明第二实施例的薄膜应力测试结构的俯视示意图；

图7为图6中的第一游标尺、第二游标尺和双梳齿主尺的放大示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

请参阅图1所示，其为本发明第一实施例的薄膜应力测试结构的俯视图。该薄膜应力测试结构配置于微机电系统的基片表面，该测试结构包括：第一固定基座11，第二固定基座12，悬臂梁13和主尺14。其中，如图2所示，该悬臂梁13包括：测试梁131、斜率梁132和指示梁133。

第一固定基座11和第二固定基座12均配置于基片上，这两个固定基座包括：形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜；该悬臂梁13是由待测薄膜构成的悬空结构，其中，该测试梁131与该第二固定基座12的待测薄膜连接，该斜率梁132的一端与该测试梁131连接，另一端与该第一固定基座11的待测薄膜连接，该指示梁133的一端连接于该斜率梁132的中心，另一端为梳齿结构，形成一梳齿结构的游标尺1331，详见图3；该主尺14为配置于基片上的梳齿结构，该主尺14包括：形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜，主尺14用于与该游标尺1331配合读取该指示梁133的位移。

在本实施例中，该测试结构的主要制造工艺步骤为：在基片上，用涂胶机旋涂生长一牺牲层，在该牺牲层上用适当的薄膜沉积方式生长一薄膜，该薄膜为待测材料，并用光刻工艺刻出悬臂梁区域、第一固定基座、第二固定基座和主尺，再使用等离子去胶机掏空悬臂梁区域下方的牺牲层材料，形成悬臂梁13，分别称为测试梁131、斜率梁132和指示梁133，并将该指示梁133远离斜率梁132的一端刻为梳齿结构，形成游标尺1331，其他部分下方的牺牲层材料不掏空，形成第一固定基座11、第二固定基座12和主尺14。该制造工艺简单，可与芯片的制备工艺同时完成。

较佳地，该第一固定基座11和第二固定基座12的厚度在1.8～2.6μm范围，且具有相同厚度；该悬臂梁区域的测试梁区域上设有多个开孔，用于方便掏空下方的牺牲层；该待测材料的厚度为300～1000nm。

本领域技术人员可以理解，其中基片、牺牲层和待测薄膜均可为现有技术中的一种，例如，基片材料可为Si、GaAs、GaN、SiC或Al₂O₃等，该基片例如为单晶硅晶圆；该牺牲层例如为聚酰亚胺薄膜；该待测薄膜可为SiN_x、SiO₂或SiC等薄膜。另外，悬臂梁13和基片之间为真空或气体间隙，较佳地，间隙高度为1.8～2.6μm。

采用本发明测试结构进行薄膜应力测试的主要构思为：机械放大薄膜应力引起的微小位移。详细地说，薄膜中的应力会引起测试梁131的伸长或缩短，由于测试梁131的一端固定于第二固定基座12，则该伸长或缩短的动作被传递到斜率梁132，进而驱动斜率梁132产生形变，由于该斜率梁132的另一端固定于第一固定基座11，则会在斜率梁132的中心处有较小的旋转，并将该较小的旋转传递给设置于该斜率梁132中心的指示梁133，由于该指示梁133的长度较长，其会在游标尺1331上产生较大的位移(可由光学显微镜观察到)。使用该位移数据通过公式计算便可得到该薄膜应力，其中使用的公式会在后面详细描述。

请参阅图4所示，其为在光学显微镜下游标尺1331和主尺14配合读取位移的示意图。根据游标卡尺原理，游标尺1331的梳齿间距和主尺的梳齿间距设计得错开，以实现游标功能。本领域技术人员可根据具体应用设计其量程。

下面详细介绍一下使用上述测试结构测得位移后，进行薄膜应力计算的步骤。

请参阅图5所示，其为由薄膜应力引起的斜率梁132和指示梁133的形变示意图，从图中可以看出由薄膜应力引起的测试梁131的微小位移δ_tb驱动斜率梁132产生形变，进而使指示梁133在斜率梁132的中心位置形成形变角度θ_sb(这里，斜率梁132自身形变引起的位移可以忽略)，本领域技术人员基于机械放大原理可以得到：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sb}}\≈\tan \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sb}}\right)=\frac{{3\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tb}}C}{2L_{\mathrm{sb}}}---\left(1\right)$

其中，δ_tb是由薄膜应力引起的测试梁的位移，L_sb是斜率梁的长度。需要指出的是，公式(1)只适用于小的θ_sb。C为由于指示梁的存在而使用的修正因子，由公式(2)导出：

$C=\frac{1-d^2}{1-d^3}---\left(2\right)$

其中，d是指示梁的宽度W_ib和斜率梁的长度L_sb的比值。该值和1非常接近，且由于L_sb比W_ib大很多，可以被忽略。在本发明的一个实施例中，该测试结构的各尺寸值如表1所示：

符号	意义	尺寸(μm)
			La	第一固定基座和第二固定基座长度	50
Wa	第一固定基座和第二固定基座宽度	30
			Lib	指示梁长度	320
Wib	指示梁宽度	4
			Lsb	斜率梁长度	20
Wsb	斜率梁宽度	3
			Ltb	测试梁长度	150

表1

在该实施例中，可得出C的值为0.968。

同时，再根据θ_sb的正切公式可以得出：

$\tan \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sb}}\right)=\frac{{\mathrm{\δ}}_v}{L_{\mathrm{ib}}}---\left(3\right)$

其中，δ_v为由游标尺和主尺配合读取的指示梁的位移，由(1)式和(3)式可得出：

$\frac{{3\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tb}}C}{{2L}_{\mathrm{sb}}}=\frac{{\mathrm{\δ}}_v}{L_{\mathrm{ib}}}---\left(4\right)$

由(4)式的变形可以得到：

$\frac{{\mathrm{\δ}}_v}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tb}}}=\frac{{3L}_{\mathrm{ib}}C}{{2L}_{\mathrm{sb}}}---\left(5\right)$

由(5)式可以看出，本发明的测试结构将δ_tb的较小位移放大至δ_v的较大位移，增益即为

对于如表1所示的尺寸值，可得出该增益为23.23。本领域技术人员可以根据实际情况设定各尺寸参数，以得到不同的增益。

由公式(5)亦可求得应变δ_tb。本领域技术人员根据应变和应力的关系可得到：

$\mathrm{\σ}=E\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tb}}}{L_{\mathrm{tb}}}---\left(6\right)$

其中，σ为该待测薄膜的应力，E为该待测材料的弹性模量，L_tb为测试梁的长度。

由公式(5)和公式(6)可得到公式(7)：

$\mathrm{\σ}=E\frac{{2\mathrm{\δ}}_v{L}_{\mathrm{sb}}}{{3L}_{\mathrm{ib}}C{L}_{\mathrm{tb}}}--\left(7\right)$

这样，在得到游标尺和主尺的位移读数后，根据该读数和尺寸参数通过公式(7)便可直接计算得到待测应力，而无须知道待测材料的泊松比。

本领域技术人员可以通过对表1中的各尺寸参数和梳齿等的设定来确定应力测量范围，例如为-100～+100MPa。

请参阅图6所述，其为本发明第二实施例的薄膜应力测试结构的俯视示意图。

在本实施例中，所采用的主尺为具有两个量程的双梳齿主尺64，且悬臂梁、第一固定基座、第二固定基座各具有两组，悬臂梁的指示梁所形成的游标尺也为两组，分别与双梳齿主尺64配合读取两组指示梁的位移。

详细地说，本实施例的薄膜应力测试结构包括：第三固定基座51，第四固定基座52，第一悬臂梁53，第五固定基座61，第六固定基座62，第二悬臂梁63和双梳齿主尺64。其中，该第一悬臂梁53包括：第一测试梁531、第一斜率梁532和第一指示梁533，该第一指示梁533的一端形成第一游标尺5331；该第二悬臂梁63包括：第二测试梁631、第二斜率梁632和第二指示梁633，该第二指示梁633的一端形成第二游标尺6331。

再如图7所示，该双梳齿主尺64具有第一梳齿和第二梳齿，该第一梳齿与该第一游标尺5331配合读取第一指示梁533的第一位移数据，该第二梳齿与该第二游标尺6331配合读取所述第二指示梁633的第二位移数据。

在本实施例中，左右部分结构的测量原理和第一实施例的测量原理是相同的；并且左右部分的结构也可以是在工艺流程中通过光刻技术同时成型的，其加工工艺和第一实施例中的加工工艺基本相同，在此不再赘述。

但左右部分的具体尺寸并不相同，在一实施例中，该测试结构的各尺寸值如表2所示：

符号	意义	尺寸(μm)
			La	各固定基座长度	50
Wa	各固定基座宽度	30
			Lib1	第一指示梁长度	320
Wib1	第一指示梁宽度	4

符号	意义	尺寸(μm)
			Lib2	第二指示梁长度	360
Wib2	第二指示梁宽度	3
			Lsb	第一斜率梁和第二斜率梁长度	20
Wsb	第一斜率梁和第二斜率梁宽度	3
			Ltb	第一测试梁和第二测试梁长度	150

表2

上述参数设定仅为示例，本领域技术人员可以根据实际情况设定各尺寸参数。本实施例的测试机构既可以测量同一待测材料的应力，也可以测量不同待测材料的应力。

在图7中，第一游标尺5331和第二游标尺6331的梳齿数量和梳身长度均不同，双梳齿主尺64两侧的梳齿数量和梳齿间距也不同。例如，两侧量程分别为-100～+100MPa和-1～+1GPa。

如果采用表2中的尺寸参数的测量结构进行位移测量，会得到两个不同的位移数据，若两个位移数据皆在两侧量程范围内，则将量程较小的主尺读出的位移数据代入公式(7)，计算得到待测应力，因为此时，使用量程较小的主尺所读出的位移更准确；若两个位移数据其中之一超出量程范围，则将没有超出量程范围的位移数据代入公式(7)，计算得到待测应力。

因此，本实施例中的一个结构既可以测量应力小的薄膜材料，也可以测量应力大的薄膜材料，可满足工艺中常见大小应力范围的测量要求，不用根据不同的待测材料重新修改结构设计。

本发明的上述实施例中的测试结构微小，可以分布在基片的各个位置，因此可以准确反映出某个局部区域的应力特征，并可实现制备工艺中的在线测量。较佳地，上述结构可置于基片表面的芯片之间的划线槽内，这样，不影响微机电系统芯片所占空间，也不损伤芯片，因此不会影响芯片的性能。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种薄膜应力测试结构，其配置于微机电系统的基片表面，其特征在于，所述结构包括：

第一固定基座和第二固定基座，均配置于所述基片上，上述两个固定基座由形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜构成；

悬臂梁，为待测薄膜构成的悬空结构，包括：

测试梁，与构成所述第二固定基座的待测薄膜连接；

斜率梁，一端与所述测试梁连接，另一端与构成所述第一固定基座的待测薄膜连接；

指示梁，一端连接于所述斜率梁的中心，另一端为梳齿结构，形成游标尺；

主尺，由形成于基片上的牺牲层和形成于牺牲层上的待测薄膜构成，其为配置于所述基片上的梳齿结构，用于与所述游标尺配合读取所述指示梁的位移。

2.根据权利要求1所述的薄膜应力测试结构，其特征在于，所述主尺为具有两个量程的双梳齿主尺，其每一侧梳齿分别对应一组悬臂梁、第一固定基座和第二固定基座，与该组游标尺配合读取该组指示梁的位移。

3.根据权利要求2所述的薄膜应力测试结构，其特征在于，所述两组悬臂梁具有不同的尺寸参数。

4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的薄膜应力测试结构，其特征在于，所述测试梁上设有开孔。

5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的薄膜应力测试结构，其特征在于，该结构设于基片表面的芯片之间的划线槽内。

6.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的薄膜应力测试结构，其特征在于，所述牺牲层材料为聚酰亚胺。

7.一种采用权利要求1所述结构的薄膜应力测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

由待测薄膜构成的测试梁在待测应力的作用下发生形变；

所述测试梁的形变驱动斜率梁产生形变；

所述斜率梁的形变带动指示梁一端的游标尺产生放大性位移；

读出该位移，并通过公式

计算出待测应力σ，

其中，E为待测薄膜材料的弹性模量，δ_v为所述指示梁的位移，L_sb为斜率梁的长度，L_ib为指示梁的长度，C为修正因子，L_tb为测试梁的长度。

8.根据权利要求7所述的薄膜应力测试方法，其特征在于，当所述主尺为具有两个量程的双梳齿主尺时，其每一侧梳齿分别对应一组悬臂梁、第一固定基座和第二固定基座，与该组游标尺配合读取该组指示梁的位移；该方法包括以下步骤：

若得到的两个位移数据皆在量程范围内，则将量程较小的主尺读出的位移数据代入所述公式，计算得到待测应力；

若得到的两个位移数据其中之一超出量程范围，则将没有超出量程范围的位移数据代入所述公式，计算得到待测应力。

9.一种如权利要求1-3中任一项权利要求所述的薄膜应力测试结构的制造方法，适用于由基片、牺牲层和待测薄膜构成的微机电系统结构，其特征在于，包括以下步骤：

在待测薄膜上刻出悬臂梁区域、第一固定基座区域、第二固定基座区域和主尺区域；

蚀刻掉上述区域外的待测薄膜，形成悬臂梁区、第一固定基座、第二固定基座和主尺；

掏空所述悬臂梁区下方的牺牲层，形成悬臂梁。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述掏空悬臂梁区下方牺牲层的步骤包括：

在悬臂梁区中测试梁区的待测薄膜上设置多个开孔；

通过所述开孔掏空测试梁区下方的牺牲层。

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