CN102589965A

CN102589965A - 一种多晶硅泊松比在线测试结构

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Publication number: CN102589965A
Application number: CN2012100050783A
Authority: CN
Inventors: 李伟华; 张卫青; 蒋明霞; 周再发; 刘海韵
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: CN102589965B

Abstract

本发明公开了一种多晶硅泊松比在线测试结构，包括绝缘衬底、非对称的多晶硅十字梁、第一多晶硅下极板和第二多晶硅下极板，并通过静电力驱动的方式使非对称的多晶硅十字梁发生偏转，从而根据几何关系和材料力学原理获得多晶硅材料的泊松比参数。本发明通过激励电压所产生的静电力使测试结构发生转动，通过结构设计使最大扭转角成为已知量，并根据测试结构达到最大扭转角时的激励电压测量值，以及已知的结构几何参数和物理参数计算得到多晶硅材料的泊松比，因而测试设备要求低，且测试方法简单，测试过程及测试参数值稳定。多晶硅加工制备过程与后续微机电器件（MEMS）的制造同步进行时，没有特殊加工要求，完全符合在线测试的要求。

Description

一种多晶硅泊松比在线测试结构

技术领域

本发明属于微机电系统材料参数在线测试技术领域，尤其涉及多晶硅泊松比的在线测试技术领域。

背景技术

微机电器件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。在线测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电材料物理参数。

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。泊松比是多晶硅材料的重要物理参数。多晶硅泊松比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，不离开加工环境并采用通用设备进行在线测试成为工艺监控的必要手段。

在线测试结构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。现有的泊松比测量技术技术常采用对样品施加作用力并结合光学干涉方法进行测量。这些测量方法要求相应的专用光学设备，不符合工艺线在线测量的要求。因此，通过作用力使材料结构发生扭转并采用电学方法测量扭转角是实现材料泊松比在线测量的关键问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种多晶硅泊松比在线测试结构，从而可以实现在线连续的对多晶硅产品的泊松比参数进行测试。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种多晶硅泊松比在线测试结构，包括绝缘衬底、非对称的多晶硅十字梁、第一多晶硅下极板和第二多晶硅下极板，其中，所述多晶硅十字梁包括水平梁，第一扭转梁、第二扭转梁、第一锚区和第二锚区，并采用一体设计，所述第一扭转梁和第二扭转梁设在水平梁两侧，其中第一扭转梁的长度和宽度均大于第二扭转梁，所述第一锚区和第二锚区分别连接在第一扭转梁和第二扭转梁的端部，该第一锚区和第二锚区上表面分别设有金属电极，并固定在所述绝缘衬底上，所述水平梁、第一扭转梁和第二扭转梁与绝缘衬底存在间隙，处于悬空状态；所述水平梁被第一扭转梁和第二扭转梁分为两个梁臂，所述第一多晶硅下极板和第二多晶硅下极板均设在同一侧梁臂下方的绝缘衬底上；所述第一多晶硅下极板设在所述梁臂中部下方对应的绝缘衬底上，且与该梁臂之间存在间隙，该第一多晶硅下极板也设有金属电极；所述第二多晶硅下极板设在所述悬臂端部下方对应的绝缘衬底上，且与该梁臂之间存在间隙，该第二多晶硅下极板也设有金属电极。

通过在第一锚区和第一多晶硅下极板之间的金属电极施加电压，驱动水平梁发生顺时针转动，并使第一扭转梁和第二扭转梁发生扭转，同时监测第一锚区和第二多晶硅下极板上金属电极之间的电阻，当该电阻值由无穷大转变为有限值时，水平梁与第二多晶硅下极板发生接触，并记录下此时施加的电压，并通过其他相关参数进行数学计算，从而实现多晶硅的泊松比在线测试。

所述第二多晶硅下极板的中心线与第一扭转梁中心线的距离小于或等于同侧水平梁长度的1/3。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过激励电压所产生的静电力使测试结构发生转动，通过结构设计使最大扭转角成为已知量，并根据测试结构达到最大扭转角时的激励电压测量值，以及已知的结构几何参数和物理参数计算得到多晶硅材料的泊松比，因而测试设备要求低，且测试方法简单，测试过程及测试参数值稳定。多晶硅加工制备过程与后续微机电器件(MEMS)的制造同步进行时，没有特殊加工要求，完全符合在线测试的要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A方向的剖面图；

图3为图1的B-B方向的剖面图；

图4为图1的C-C方向的剖面图。

绝缘衬底1、多晶硅十字梁2、第一多晶硅下极板3、第二多晶硅下极板4、水平梁5、第一扭转梁6、第二扭转梁7、第一锚区8、第二锚区9、金属电极10

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一、测试结构

如图1～4所示，本发明的测试结构由绝缘衬底1、非对称的多晶硅十字梁2、第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4构成。多晶硅十字梁2由5个部分组成：支撑结构的第一锚区8和第二锚区9、第一扭转梁6、第二扭转梁7和水平梁5。其中所述第一扭转梁6和第二扭转梁7分布连接在水平梁5的两侧，且第一扭转梁6和第二扭转梁7的中心线在同一条线上，并与水平梁5垂直。其非对称性表现在两个扭转梁的长度与宽度不同。其中第二扭转梁7尺寸较小，主要起到支撑结构的作用，避免测试状态下产生向下位移而产生扭转角的两维性，第一扭转梁6是测试扭转力矩的主要部分。而第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4由另一层多晶硅制造，其中，第一多晶硅下极板3是施加测试激励电压的一个极板，第二多晶硅下极板4用于测试水平梁5是否与其发生接触。

非对称多晶硅十字梁2通过第一锚区8和第二锚区9固定在绝缘衬底1上，在多晶硅十字梁2的下方是第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4，并直接固定在绝缘衬底1上。多晶硅十字梁2的厚度为h₁，所述第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4的厚度均为h₂，水平梁5与第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4之间的间隙距离均为g₀。且所述第一锚区8、第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4一端的上表面分别制作了金属电极10，用于探针加载激励电压以及监测水平梁5是否与下极板103接触。要求第一多晶硅下极板3的中心线到多晶硅十字梁2中心线之间的距离L₃小于或等于右侧水平梁5长度L₂的1/3，目的是防止出现吸合(Pull-in)现象。

二、泊松比的测试方法和数学计算

测试采用静电力驱动的方式。通过在第一锚区8和第一多晶硅下极板3上的金属电极10之间施加电压，驱动水平梁5顺时针转动，并使第一扭转梁6和第二扭转梁7发生扭转。同时，监测第一锚区8和第二多晶硅下极板4上金属电极10之间的电阻，当该电阻值由无穷大转变为有限值时，表明水平梁5与第二多晶硅下极板4发生了接触。记录此时施加的电压V。

由材料力学并考虑这里的静电力不是点作用力，第一扭转梁6的扭转角θ与作用力F的关系为：

θ \approx \frac{{3 FL}_{3} L_{1}}{W_{3} h_{1}^{3} G}

式中，

是材料的弹性剪切模量，υ是材料的泊松比，E是材料的杨氏模量。L₃是第一多晶硅下极板3中心线到多晶硅十字梁2中心线之间的距离，L₁是第一扭转梁6的长度，W₃是第一扭转梁6的宽度，h₁是多晶硅十字梁2的厚度。

水平梁5与第二多晶硅下极板4发生接触时，水平梁5与第一多晶硅下极板3之间的静电力为：

F \approx \frac{ϵ_{0} \cdot W_{1} \cdot W_{2} \cdot V^{2}}{{2 g}^{2}}

式中，ε₀是空气的介电常数，W₁是水平梁5的宽度，W₂是第一多晶硅下极板3的宽度，V是此时的驱动电压，g是水平梁5与第二多晶硅下极板4接触时水平梁5和第一多晶硅下极板3之间的平均距离。

水平梁5与第二多晶硅下极板4接触时形成最大的扭转角

由几何关系可以知道

\frac{g}{g_{0}} = \frac{L_{2} - L_{3}}{L_{2}} .

根据上面的关系，得到多晶硅材料的泊松比公式如下：

&upsi; \approx \frac{W_{3} \cdot h_{1}^{3} \cdot E}{6 \cdot F \cdot L_{1} \cdot L_{3}} θ - 1

= \frac{W_{3} \cdot h_{1}^{3} \cdot E \cdot g_{0}^{3} \cdot {(L_{2} - L_{3})}^{2}}{3 \cdot ϵ_{0} \cdot W_{1} \cdot W_{2} \cdot L_{1} \cdot L_{2}^{3} \cdot L_{3} \cdot V^{2}} - 1

通过该公式从而得到多晶硅材料的泊松比参数值。

三、本发明的制作工艺

本发明的测试方法简单，采用简单的可变电压源作为激励源，采用普通的万用表监测水平梁5是否与下极板接触。测试结构采用基本的微机电加工工艺即可完成。下面以典型的两层多晶硅微机电表面加工工艺说明测试结构的制作过程。

选择N型半导体硅片，热生长100纳米厚度的二氧化硅层，通过低压化学气相沉积工艺淀积一层500纳米厚度的氮化硅，形成绝缘衬底1。并在该绝缘衬底1上采用低压化学气相沉积工艺沉积一层300纳米的多晶硅并进行N型重掺杂使该层多晶硅成为导体，通过光刻工艺刻蚀形成第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4的图形。然后在此基础上，利用低压化学气相沉积工艺沉积2000纳米厚度的磷硅玻璃(PSG)，通过光刻工艺形成第一锚区8和第二锚区9的图形。接着利用低压化学气相沉积工艺淀积一层2000纳米厚度的多晶硅，对多晶硅进行N型重掺杂，并通过光刻工艺形成多晶硅非对称十字梁的图形。采用剥离工艺在第一锚区8、第一多晶硅下极板3和第二多晶硅下极板4上形成金属电极10图形。最后通过腐蚀磷硅玻璃释放结构，并完成制作。

Claims

1.一种多晶硅泊松比在线测试结构，其特征在于：包括绝缘衬底（1）、非对称的多晶硅十字梁（2）、第一多晶硅下极板（3）和第二多晶硅下极板（4），其中，

所述多晶硅十字梁（2）包括水平梁（5），第一扭转梁（6）、第二扭转梁（7）、第一锚区（8）和第二锚区（9），并采用一体设计，所述第一扭转梁（6）和第二扭转梁（7）设在水平梁（5）两侧，其中第一扭转梁（6）的长度和宽度均大于第二扭转梁（7），所述第一锚区（8）和第二锚区（9）分别连接在第一扭转梁（6）和第二扭转梁（7）的端部，该第一锚区（8）和第二锚区（9）固定在所述绝缘衬底（1）上，且第一锚区（8）上表面设有金属电极（10），所述水平梁（5）、第一扭转梁（6）和第二扭转梁（7）与绝缘衬底（1）存在间隙，处于悬空状态；

所述水平梁（5）被第一扭转梁（6）和第二扭转梁（7）分为两个梁臂，所述第一多晶硅下极板（3）和第二多晶硅下极板（4）均设在同一侧梁臂下方的绝缘衬底（1）上；

所述第一多晶硅下极板（3）设在所述梁臂中部下方对应的绝缘衬底（1）上，且与该梁臂之间存在间隙，该第一多晶硅下极板（3）也设有金属电极（10）；

所述第二多晶硅下极板（4）设在所述悬臂端部下方对应的绝缘衬底（1）上，且与该梁臂之间存在间隙，该第二多晶硅下极板（4）也设有金属电极（10）。

2.根据权利要求1所述多晶硅泊松比在线测试结构，其特征在于：所述第一多晶硅下极板（3）的中心线与第一扭转梁（6）中心线的距离小于或等于同侧水平梁（5）梁臂长度的1/3。