CN102608149B - 多晶硅热膨胀系数在线测试结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅热膨胀系数在线测试结构，它对称布置有一对结构基本相同的多晶硅偏转指针，并利用该对指针所受多晶硅残余应力影响相同的特点，使得偏转指针尖端部偏转量不受残余应力的影响。本发明具有测试结构简单、测试方法简便，获得的热膨胀系数稳定并更加精确，实现多晶硅热膨胀系数的在线测试。

Description

多晶硅热膨胀系数在线测试结构

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，尤其涉及多晶硅热膨胀系数的在线测试技术。

背景技术

目前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。材料物理参数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。热膨胀系数是多晶硅材料的重要物理参数，对于热驱动方式工作的微机电执行器尤为重要。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，及时地反映工艺对物理参数的影响，因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的在线测试成为工艺监控的必要手段。

在线测试结构通常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得到材料的物理参数。但由于多晶硅材料在制作过程中将产生内应力即存在残余应力。残余应力分为压应力和张应力，当微机电结构被释放后，残余应力将导致结构出现初始变形，产生实际结构尺寸偏离设计尺寸的不利结果。

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热膨胀系数在线测试结构，可以消除多晶硅内残余应力的影响，而获能方便简单的获得更精确的热膨胀系数。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种多晶硅热膨胀系数在线测试结构，包括绝缘衬底、上偏转指针和下偏转指针，该上偏转指针和下偏转指针用多晶硅制成，且结构相同并对称布置，其中：所述上偏转指针包括第一驱动梁、第一指针、第一锚区和第二锚区，且为一体设计，所述第一驱动梁一端与该第一指针垂直连接，另一端与第一锚区连接，所述第一指针的尾端与第二锚区连接，所述第一锚区和第二锚区上表面均设有金属电极，并固定在绝缘衬底上，所述第一驱动梁和第一指针与绝缘衬底存在间隙，处于悬空状态；所述下偏转指针包括第二驱动梁、第二指针、第三锚区和第四锚区，且为一体设计，所述第二驱动梁一端与该第二指针垂直连接，另一端与第三锚区连接，所述第二指针的尾端与第四锚区连接，所述第三锚区和第四锚区上表面均设有金属电极，并固定在绝缘衬底上，其中所述第四锚区上的金属电极延伸至所述第二驱动梁上，所述第二驱动梁和第二指针与绝缘衬底存在间隙，处于悬空状态；所述上偏转指针中的第一指针与下偏转指针中的第二指针错位相对，并有部分重叠，该重叠部分有错位距离。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点:通过对称布置的一对基本结构相同的多晶硅偏转指针，并利用该对指针所受多晶硅残余应力影响相同的特点，使得偏转指针尖端部偏转量不受残余应力的影响。本发明具有测试结构简单、测试方法简便，获得的热膨胀系数稳定并更加精确。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中A-A方向的剖面图。

绝缘衬底1、第一驱动梁2、第一指针3、第一锚区4、第二锚区5、第二驱动梁6、第二指针7、第三锚区8、第四锚区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1～2所示，一种多晶硅热膨胀系数在线测试结构的测试结构由两个结构基本相同的上偏转指针和下偏转指针构成。其基本结构由一个水平的驱动梁、一个与驱动梁垂直的指针和两个固定在衬底上的锚区构成，两个锚区分别固定了驱动梁的一端和指针的一端。测试结构的主体由多晶硅材料制造。

如图1所示上偏转指针由下面几部分组成：第一驱动梁2，其长度为L₂，在结构释放后该梁将因残余应力而发生初始伸缩；第一指针3，长度为L₁+L₄，L₄为两个指针在垂直方向的重叠长度，远小于L₁，所述第一驱动梁2和第一指针3垂直连接；还包括固定在绝缘衬底1上的第一锚区4和第二锚区5，该第一锚区4与第一驱动梁2一端连接，第二锚区5与第一指针3连接；在该第一锚区4和第二锚区5上均制作了金属电极。整个结构除第一锚区4和第二锚区5外，第一指针3和第一驱动梁2均处于悬空状态，目的是使驱动梁可以自由伸缩释放残余应力，使第一指针3可以旋转。所述第一驱动梁2中心线与第二锚区5距离为L₅。

下偏转指针结构近似，包括长度为L₂的第二驱动梁6和长度为L₁的第二指针7，该第二驱动梁6和第二指针7两端连接，第二驱动梁6除与第一驱动梁2一样由于除残余应力具有相同的初始伸缩外，还将承担受到加热膨胀后驱动第二指针7偏转的作用；还包括固定在绝缘衬底1上的第三锚区8和第四锚区9，该第三锚区8与第二驱动梁6一端连接，第四锚区9与第二指针7连接，且表面均制作了金属电极，其中，第四锚区9上的金属电极一直延伸到第二驱动梁6上，在加热驱动工作时，有效的发热区域长度为L₂-L₃，，其中L₃为延伸覆盖在第二驱动梁6上金属电极的长度。整个结构除第三锚区8和第四锚区9外，第二驱动梁6和第二指针7均处于悬空状态，使第二驱动梁6长度可以因残余应力和加热膨胀而变化，同时使第二指针7可以随之发生偏转。第二驱动梁6的中心线到第四锚区9之间的距离也为L₅。

二、测试原理

因为多晶硅所存在的残余应力将使第一驱动梁2和第二驱动梁6在结构释放后产生初始长度变化，进而使第一指针3和第二指针7发生初始偏转。但是，因为在相同性质与大小的残余应力作用下，第一指针3和第二指针7产生相反时钟的旋转方向的偏转且偏转角相同，因此指针端部的间距可以保持不变，仍为g。

本发明采用热驱动偏转指针旋转工作方式。在第三锚区8和第四锚区9上的金属电极之间施加电流，使第二驱动梁6的L₂-L₃部分发生热膨胀，进而推动第二指针7顺时针偏转，当第二指针7尖端与第一指针3发生接触时，第二指针7尖端顺时针偏转的距离为g。

三、测试方法与计算

在第三锚区8和第四锚区9上的金属电极之间施加缓慢增加的电流，第二驱动梁6将因电流作用而产生热膨胀，进而驱动第二指针7偏转；与此同时监测第二锚区5和第四锚区9上金属电极之间的电阻，当电阻值由无穷大变为有限值时，表示第二指针7偏转并与第一指针3发生接触，此时第二指针7偏转的距离为g。因为金属电阻远小于多晶硅电阻，因此，热驱动主要发生在第二驱动梁6的长度为L₂-L₃部分的多晶硅上。测试过程分几个阶段进行：

①在室温下测量第三锚区8和第四锚区9上金属电极之间的电阻，记为R_∞；

②在第三锚区8和第四锚区9上的金属电极之间施加缓慢增加的电流，第二驱动梁6将因电流作用而产生热膨胀，进而驱动第二指针7偏转，并监测第二锚区5和第四锚区9上金属电极之间的电阻，当电阻值由无穷大变为有限值时，表示第二指针7偏转并与第一指针3发生接触。停止加热电流的增加。

③测量第一指针3和第二指针7发生接触时，第三锚区8和第四锚区9上金属电极之间的电阻，记为R_T。测试结束。

接着通过测得的数据，进行数学计算。长度为L₂-L₃部分的多晶硅第二驱动梁6的电阻大小与其温度关系为：

R_T＝R_∞(1+a₁ΔT+a₂ΔT²)

式中a₁、a₂为多晶硅电阻的温度系数，ΔT为电阻上的平均温度变化。在本发明中，ΔT值为第一指针3和第二指针7发生接触时，第二驱动梁6上（L₂-L₃部分）的平均温度与室温之差。

由基本热膨胀关系，可知第二驱动梁6的长度变化ΔL＝(L₂-L₃)·α·ΔT，其中，α是多晶硅材料的热膨胀系数，所以有：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{(L_2-L_3)\·\mathrm{\ΔT}}$

根据已有研究，可以通过测量得到多晶硅电阻的温度系数a₁、a₂，因此，将a₁、a₂作为已知量处理。将测量得到的R_∞和R_T代入电阻公式，由二次方程的求根公式得到：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{-a_1\±\sqrt{{a_1}^2+4a_{2}k}}{2a_2},$ 式中， $k=\frac{R_T-R_{\∞}}{R_{\∞}}.$

当多晶硅电阻为负温度系数时，根号前取“-”号；当多晶硅电阻为正温度系数时，根号前取“+”号；第二驱动梁6长度变化ΔL由几何关系得到：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{g\·L_5}{L_1}$

将ΔL、ΔT和设计值L₂-L₃代入热膨胀系数的计算公式，即可得到多晶硅材料的热膨胀系数α。

四、测试结构的制作工艺

测试结构采用基本的微机电加工工艺完成。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。并在此基础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锚区4、第二锚区5、第三锚区8和第四锚区9的下部分。接着通过低压化学气相沉积工艺沉积2000纳米厚度的磷硅玻璃（PSG），并通过光刻工艺形成锚区图形部分。再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，光刻工艺形成多晶硅测试结构的整体图形，所有锚区的厚度为两次多晶硅的厚度之和。采用剥离工艺在所有锚区上制作金属电极图形。最后通过腐蚀磷硅玻璃释放结构。

Claims (1)

1.一种多晶硅热膨胀系数在线测试结构，其特征在于：包括绝缘衬底（1）、上偏转指针和下偏转指针，该上偏转指针和下偏转指针用多晶硅制成，其中：

所述上偏转指针包括第一驱动梁（2）、第一指针（3）、第一锚区（4）和第二锚区（5），且为一体设计，所述第一驱动梁（2）一端与该第一指针（3）的尾部垂直连接，另一端与第一锚区（4）连接，所述第一指针（3）的尾端与第二锚区连接，所述第一锚区（4）和第二锚区（5）上表面均设有金属电极（10），并固定在绝缘衬底（1）上，所述第一驱动梁（2）和第一指针（3）与绝缘衬底（1）存在间隙，处于悬空状态；

所述下偏转指针包括第二驱动梁（6）、第二指针（7）、第三锚区（8）和第四锚区（9），且为一体设计，所述第二驱动梁（6）一端与该第二指针（7）的尾部垂直连接，另一端与第三锚区（8）连接，所述第二指针（7）的尾端与第四锚区连接，所述第三锚区（8）和第四锚区（9）上表面均设有金属电极（10），并固定在绝缘衬底（1）上，其中所述第四锚区（9）上的金属电极（10）延伸至所述第二驱动梁（6）上，所述第二驱动梁（6）和第二指针（7）与绝缘衬底（1）存在间隙，处于悬空状态；

所述上偏转指针中的第一指针（3）与下偏转指针中的第二指针（7）错位相对，并有部分重叠，该重叠部分有错位距离。

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