CN103439031B - 双层薄膜残余应力测试结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双层薄膜材料残余应力的测试结构，其中测量单元为圆柱支撑的第一层薄膜圆盘结构，在第一层薄膜圆盘平面上覆盖有另一层薄膜材料形成双层薄膜圆盘结构，在第一层薄膜圆盘边缘直径方向上延伸出一个直梁，直梁末端有一投影游标。利用简单双层薄膜圆盘结构并配合投影游标，可以获得MEMS常用薄膜材料的残余应力，并且可以推广到更多层薄膜材料情况下的各层薄膜残余应力测试，测量方法和参数提取的计算方法极其简单。

Description

双层薄膜残余应力测试结构

技术领域

本发明提供了一种双层薄膜材料残余应力测试结构。属于微机电系统（MEMS）材料参数测试技术领域。

背景技术

微机电器件的性能与材料参数有密切的关系，由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数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器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。

在制造微机电器件结构中广泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微机械结构中，薄膜材料是结构材料的主体材料，通常采用化学气相沉积（CVD）方法或物理气相沉积（PVD）制造得到，例如氮化硅、多晶硅、二氧化硅、金属层等。这些薄膜材料在加工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或者产生对其他材料参数的影响，导致实际性能对设计性能的偏离。

对于薄膜材料残余应力的测试有多种方法，大部分方法对测试设备具有较高的要求。例如，基片曲率测试法是一种常见的薄膜残余应力测试方法，但需要专门的电子/光学设备，如薄膜应力分布测试仪。

本发明提出了一种双层薄膜材料残余应力的测试结构。利用简单双层薄膜圆盘结构并配合投影游标，可以获得MEMS常用薄膜材料的残余应力，并且可以推广到更多层薄膜材料情况下的各层薄膜残余应力测试，测量方法和参数提取的计算方法极其简单。

发明内容

本发明提出了一种双层薄膜材料残余应力的测试结构。测量单元为圆柱支撑的第一层薄膜圆盘，并且在第一层薄膜圆盘平面上覆盖有另一层薄膜材料形成双层薄膜圆盘结构，在第一层薄膜圆盘边缘直径方向上延伸出一个直梁，直梁末端有一投影游标。由于残余应力作用，将使圆盘产生翘曲变形，形成曲面形状，直梁则指向曲面切线方向，与衬底平面形成夹角，投影游标发生相对位移，通过简单的几何尺寸计算即可得到圆盘变形的曲率半径，最后利用Stoney公式计算薄膜的残余应力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了   一种测量双层薄膜残余应力的测试结构，该测试结构由圆盘、投影游标尺以及连接圆盘和投影游标尺的直梁三部分组成，其特征在于：

所述圆盘包括圆柱、第一层薄膜材料和第二层薄膜材料这三个同心圆形结构，所述第一层和第二层材料薄膜均呈圆形，第二层薄膜材料覆盖在第一层薄膜材料之上，第二层薄膜直径略小于第一层薄膜，上述圆形薄膜形成双层薄膜圆盘，支撑双层薄膜圆盘的圆柱的上端面和第一层薄膜材料连接，下端面固定在衬底材料之上；

所述投影游标尺由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形结构和与其垂直的竖直矩形结构构成，各个“T”型结构的水平矩形结构与一根直梁垂直连接，“T” 型结构的竖直矩形结构的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T”型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

所述投影游标尺的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区和垂直连接到锚区的若干齿构成，在齿上与“T” 型结构相邻的一边设计有“凸”型结构，所述“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[（“凸”型个数×2-1）×△]，其中△为游标的最小分辨单位；

所述双层薄膜残余应力测试结构的圆盘和投影游标尺通过一根直梁连接，所述直梁一端沿圆盘直径方向连接第一层薄膜圆盘，另一端与投影游标尺左半部分的直梁垂直连接；

整个结构除固定在衬底上的圆柱和投影游标尺右半部分的锚区外全部悬浮于衬底之上。

根据本发明的一方面，投影游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区与左半部分的直梁平行，右半部分的齿与左半部分“T”型结构的底部所对应的水平矩形结构平行。

根据本发明的一方面，B基线与最上边的“凸”型结构的C2对准基线对齐，A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3间距大1△。

根据本发明的一方面，任何两个上下相邻的“凸”型结构，设置在下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△。

应用中，当薄膜材料的残余应力使得圆盘形成曲面时，位于圆盘边缘的直梁则指向曲面切线方向，与衬底平面形成夹角，因此使投影游标尺左半部分的投影位置发生变化，并引起对准线发生移动，由此可以直接由投影游标尺对准线移动量读出移动的距离。

由于残余应力所导致的投影游标尺左半部分投影位置发生变化，使得投影游标的左、右两半部分做相离移动，即左半部分向左移动。移动量为1△时，A基线与最上边“凸”型结构的C4对准基线对齐；移动量为2△时，B基线与由上往下的第2个“凸”型结构的C2对准基线对齐；移动量为3△时，A基线与由上往下的第2“凸”型结构的C4对准基线对齐；移动量为4△时，B基线与由上往下的第3个“凸”型结构的C2对准基线对齐；移动量为5△时，A基线与由下往上的第3个“凸”型结构的C4对准基线对齐。以此类推。

因为直梁与衬底所形成的夹角通常很小，三角形斜边的长度近似等于第一层薄膜材料的半径加圆盘边缘到投影游标对准基线（A或B）的距离，三角形邻边的长度等于斜边长度减移动的△数，根据三角形关系简单地计算得到弧面的曲率半径。最后，由曲面的曲率半径，就可以采用Stoney公式计算薄膜的残余应力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的最大优点在于残余应力的测试方法简单，测试设备要求低，测试过程及测试参数值稳定。加工过程与微机电器件同步，没有特殊加工要求。完全符合在线测试的要求。计算方法仅限于简单数学公式。另一方面，本发明所提供的投影游标尺不受工艺偏差的影响，工艺加工中出现的最常见情况是加工线条的宽度发生变化，例如过刻蚀导致线条变细以及欠刻蚀导致的线条变宽，由于本发明的结构是同一材料，相同的加工过程，因此出现线宽误差时，“T”型结构和“凸”型结构中的对准基线的偏离程度是相同的，并且是同方向的，其相对位置并没有发生变化。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的投影游标结构图；

图3是本发明的投影游标局部结构图；

图4是本发明的投影游标尺对准关系图；

图中有：101-圆盘，101-1—支撑圆柱，101-2—第一层薄膜材料，101-3第二层薄膜材料；102—投影游标尺，102-1—水平矩形，102-2—竖直矩形，102-3—竖直梁，102-4—锚区，102-11—齿，102-5～102-10—齿上的“凸”型结构；103-直梁；100-衬底材料。

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

下面结合附图1～4对本发明做更进一步的说明。

本发明提供了一种测量双层薄膜残余应力的测试结构，测试结构由三部分组成：圆盘101；投影游标尺102；连接双层薄膜圆盘101和投影游标尺102的直梁103。

所述圆盘101包括三个同心圆形结构：圆柱101-1，第一层薄膜材料101-2和第二层薄膜材料101-3，所述薄膜材料101-2、101-3均呈圆形，第二层薄膜材料101-3覆盖在第一层薄膜材料101-2之上，为满足工艺套准偏差的要求，第二层薄膜101-3直径略小于第一层101-2。圆柱101-1的上端面和第一层薄膜材料101-2连接，下端面固定在衬底材料100之上。

由图2可以看出，所述投影游标尺102由左右两部分组成，其中：投影游标尺102的左半部分包括多个尺寸完全相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，“T”型结构的“|”部分（底部）为水平矩形结构102-1，“T”型结构的“一”（顶部）为竖直矩形结构102-2，各个“T”型结构的水平矩形102-1与一个直梁102-3垂直连接。“T”型结构的“一”所对应的竖直矩形102-2，其两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线。因为所有“T”型结构的尺寸完全相同，所以，所有“T”型结构的A基线在一条直线上， B基线在另一条直线上。

投影游标尺102的右半部分包括两个主要单元：梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构。梳齿结构由锚区102-4和垂直连接到锚区102-4的若干齿102-11构成。在齿上与“T”型结构相邻的一边设计有“凸”型结构（102-5～102-10）。“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，本实施例齿的个数为4，所以“凸”型结构的个数为6。“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线。C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距等于[（“凸”型个数×2-1）×△] ，△为游标的最小分辨单位，本实施例的上述基线间距为11△。

所述投影游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区102-4与左半部分的直梁102-3平行，右半部分的齿102-11与左半部分“T”型结构的“|”（底部）所对应的水平矩形102-1平行。

由附图3可以看到，B基线与最上边的“凸”型结构102-5的C2对准基线对齐。A基线与B基线的间距比C2、C4（C1、C3）间距大1△。

由附图4可以看到，任何两个上下相邻的“凸”型结构，下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△，所以，B基线比第2个“凸”型结构102-6的C2对准基线偏右2△， 比第3个“凸”型结构102-7的C2对准基线偏右4△，比第4个“凸”型结构102-8的C2对准基线偏右6△，比第5个“凸”型结构102-9的C2对准基线偏右8△，比第6个“凸”型结构102-10的C2对准基线偏右10△；A基线比最上边“凸”型结构102-5的C4对准基线偏右1△，比第2个“凸”型结构102-6的C4对准基线偏右3△，比第3个“凸”型结构102-7的C4对准基线偏右5△，比第4个“凸”型结构102-8的C4对准基线偏右7△，比第5个“凸”型结构102-9的C4对准基线偏右9△，比第6个“凸”型结构102-10的C4对准基线偏右11△。

所述双层薄膜残余应力测试结构的圆盘101和投影游标尺102通过一根直梁103连接，直梁103一端沿圆盘直径方向连接双层薄膜圆盘中的第一层薄膜101-2，另一端与投影游标尺的左半部分的102-3直梁垂直连接。

整个结构除固定在衬底上圆柱101-1和投影游标尺右半部分的锚区102-4外全部悬浮于衬底之上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双层薄膜残余应力测试结构，该测试结构由圆盘(101)、投影游标尺(102)以及连接圆盘(101)和投影游标尺(102)的直梁(103)三部分组成，其特征在于：

所述圆盘(101)包括圆柱(101-1)、第一层薄膜材料(101-2)和第二层薄膜材料(102-3)这三个同心圆形结构，所述第一层和第二层材料薄膜(101-2、101-3)均呈圆形，第二层薄膜材料(101-3)覆盖在第一层薄膜材料(101-2)之上，第二层薄膜(101-3)直径略小于第一层薄膜(101-2)，上述圆形薄膜(101-2、101-3)形成双层薄膜圆盘，支撑双层薄膜圆盘的圆柱(101-1)的上端面和第一层薄膜材料(101-2)连接，下端面固定在衬底材料(100)之上；

所述投影游标尺(102)由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形(102-1)和与其垂直的竖直矩形(102-2)构成，各个“T”型结构的水平矩形(102-1)与直梁(102-3)垂直连接，“T”型结构的竖直矩形(102-2)的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T”型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

所述投影游标尺(102)的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区(102-4)和垂直连接到锚区(102-4)的若干齿(102-11)构成，在齿(102-11)上与“T”型结构相邻的一边设计有“凸”型结构(102-5～102-10)，所述“凸”型结构的个数等于齿(102-11)的个数减1后乘以2，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[(“凸”型个数×2-1)×△]，其中△为游标的最小分辨单位；

所述双层薄膜残余应力测试结构的圆盘(101)和投影游标尺(102)通过一根直梁(103)连接，所述直梁(103)一端沿圆盘直径方向连接第一层薄膜圆盘(101-2)，另一端与投影游标尺(102)左半部分的直梁(102-3)垂直连接；

整个结构除固定在衬底上的圆柱(101-1)和投影游标尺(102)右半部分的锚区(102-4)外全部悬浮于衬底之上。

2.根据权利要求1所述的双层薄膜残余应力测试结构，其特征在于投影游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区(102-4)与左半部分的直梁(102-3)平行，右半部分的齿(102-11)与左半部分“T”型结构的底部所对应的水平矩形(102-1)平行。

3.根据权利要求1所述的双层薄膜残余应力测试结构，其特征在于：B基线与最上边的“凸”型结构(102-5)的C2对准基线对齐，A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3间距大1△。

4.根据权利要求1所述的双层薄膜残余应力测试结构，其特征在于任何两个上下相邻的“凸”型结构，设置在下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△。