CN104034604B - 绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力测试结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构及方法，其测试结构由两组结构构成。其中第一组由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅双端固支梁、一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组由一个多晶硅悬臂梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成。实际测量薄膜硅残余应力的单元是薄膜硅双端固支梁，而两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅双端固支梁，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。施加静电力使多晶硅悬臂梁下弯并进而下压薄膜硅双端固支梁和垫板接触衬底。通过两组测试结构的测试提取出单独驱动薄膜硅双端固支梁达到测试挠度所需要的力，由力、测试挠度、杨氏模量和几何尺寸可以计算得到绝缘衬底上薄膜硅材料的残余应力。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。
Description
技术领域
本发明提供了一种绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构。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。材料力学性能的物理参数主要包括杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等。
在MEMS技术领域内，绝缘衬底上的硅膜(一种SOI材料)是一种常用的衬底材料，主要由三层材料叠合而成，自下而上为大衬底，绝缘层(通常为二氧化硅)，硅膜层。这类SOI材料通常采用两类方法制造：注氧和键合。注氧SOI材料所形成的硅膜比较薄，大约为几百纳米，键合形成的SOI材料上的硅膜相对注氧结构要厚一些，几微米到几十微米。SOI材料中的绝缘层主要是二氧化硅，其中注氧形成的二氧化硅通常只有几十纳米，键合形成SOI的二氧化硅则相对厚一些，厚度范围也大一些。这些二氧化硅常作为制作MEMS器件的牺牲层，即这层二氧化硅在结构下的部分最终将被腐蚀掉，这样，上层硅膜所制作的结构可以做离面或面内运动。不论是注氧工艺还是键合工艺，都将在上面的硅膜中形成应力。绝缘衬底上的硅膜为单晶硅薄膜，其薄膜材料的力学参数和晶向有关。采用绝缘衬底上的薄膜硅所制作的MEMS器件通常是离面运动形式，而绝缘衬底上的厚膜硅所制作的MEMS器件通常是面内运动形式。
目前大多数微机电材料参数在线测试结构主要是测量微机械表面加工工艺所制作的薄膜材料，如各层多晶硅、金属层等。随着绝缘衬底上的硅膜材料在MEMS加工中越来越多的得到应用，对于绝缘衬底上硅膜材料的杨氏模量、泊松比、残余应力、断裂强度等力学参数的在线测量需求越来越大。
本发明提供了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构。测试结构由两组结构构成。其中第一组由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅双端固支梁、一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组由一个多晶硅悬臂梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成。实际测量薄膜硅残余应力的单元是薄膜硅双端固支梁，而两组结构的差别仅在于是否包括薄膜硅双端固支梁，两组结构中其他对应单元结构和几何尺寸完全相同。施加静电力使多晶硅悬臂梁下弯并进而下压薄膜硅双端固支梁和垫板接触衬底。通过两组测试结构的测试提取出单独驱动薄膜硅双端固支梁达到测试挠度所需要的力，由力、测试挠度、杨氏模量和几何尺寸可以计算得到绝缘衬底上薄膜硅材料的残余应力。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的方法极其简单。
发明内容：
技术问题：测量材料的残余应力通常需要知道结构受力大小和结构受力所产生的形变、位移或挠度。本发明提出了一种测试结构，用于测量绝缘衬底上薄膜硅材料的残余应力。利用两组测试单元提取出残余应力测量单元所受到的力的大小，利用SOI材料中二氧化硅层的厚度设置残余应力测量单元受力所产生的挠度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
测试结构由两组单元组成：其中一组用于测量包含了薄膜硅残余应力测量单元的结构产生一定上下位移时所施加力的大小；另一组用于测量在同样位移条件下，去除薄膜硅的残余应力测量单元后所需要施加的力的大小。将两次所施加的力相减，得到在薄膜硅的残余应力测量单元上实际受到的力值，根据该值和设计的挠度并结合测试结构的几何参数、物理参数，即可计算得到该绝缘衬底上薄膜硅材料的残余应力。另一方面，由于SOI材料制作的MEMS结构在牺牲层腐蚀时很容易使结构的锚区受到钻蚀，使锚区的强度受到影响，必须对其进行加固。
实际测试绝缘衬底上的薄膜硅材料残余应力的单元，为一个由该薄膜硅材料制作的双端固支梁(以下简称薄膜硅双端固支梁)。驱动薄膜硅双端固支梁发生弯曲的作用力源是一个利用静电驱动的多晶硅悬臂梁(以下简称为多晶硅悬臂梁)。薄膜硅双端固支梁的弯曲测试挠度由SOI中二氧化硅层厚度决定，也即当薄膜硅双端固支梁的中心接触到大衬底时测试结束。
根据上述技术方案，本发明提出了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构。该测试结构由两组结构构成；其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁、一个薄膜硅双端固支梁和一个由薄膜硅制作的垫板组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁和一个薄膜硅制作的垫板组成；
所述第一组结构的多晶硅悬臂梁由第一锚区、细长梁、作为上电极的宽梁、细短梁自左向右连接而成，在宽梁的下表面是矩形下电极，宽梁和下电极之间是空气层；在细短梁的下表面有第一凸点、第二凸点分别作为薄膜硅双端固支梁和垫板的施力点；
所述第一组结构中的薄膜硅双端固支梁由第二锚区、第三锚区和竖直长梁连接而成，薄膜硅双端固支梁与多晶硅悬臂梁垂直，薄膜硅双端固支梁的中心位于多晶硅悬臂梁中的细短梁左边的第一凸点之下；
所述第一组测试结构中的垫板由矩形板、两个支撑矩形板的第一折叠梁、第二折叠梁和分别连接第一折叠梁、第二折叠梁的第四锚区、第五锚区组成；垫板材料与薄膜硅双端固支梁相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板的中心位于多晶硅悬臂梁中细短梁的右边凸点之下；
所述第二组测试结构中的多晶硅悬臂梁和垫板的几何形状、尺寸以及相对位置均与第一组的多晶硅悬臂梁和垫板相同。
薄膜硅双端固支梁中的第二锚区、第三锚区和垫板中的第四锚区、第五锚区均采用加固结构，即在这些锚区之上设有一层包裹材料，包裹材料覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅区域，包裹材料图形大于锚区的部分直接生长在SOI材料中的二氧化硅层上。
本发明的绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构的测试方法在于利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同测试位移下受力相同的原理，提取出驱动绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁中心达到测试挠度时所需要的静电力；
所述第一组结构在测试位移下的静电力F1包含了三部分：驱动多晶硅悬臂梁弯曲所需要的力；下压垫板所需要的力；由待测薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁弯曲所需要的力；
所述第二组结构在测试位移下的静电力F2包括了两部分：驱动多晶硅悬臂梁弯曲所需要的力；下压垫板所需要的力；
F1减去F2即为单独驱动由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁达到测试挠度所需要的净力。
薄膜硅双端固支梁的测试挠度等于二氧化硅层的厚度。
有益效果：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绝缘衬底上的薄膜硅材料残余应力测试方法简单，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。本发明的测试结构、测量方法和参数提取的计算方法极其简单，适应性广。
附图说明
图1是本发明的第一组结构。
图2是本发明的第二组结构。
图3是本发明的薄膜硅加固锚区结构。
图中有：多晶硅悬臂梁101、第一锚区101-1、细长梁101-2、宽梁101-3、细短梁101-4、第一凸点101-5、第二凸点101-6、矩形下电极101-7，
垫板102、矩形板102-1、第一折叠梁102-2、第二折叠梁102-3、第四锚区102-4、第五锚区102-5；
薄膜硅双端固支梁103、竖直长梁103-1、第二锚区103-2、第三锚区103-3。
具体实施方式
下面结合附图1、图2和图3对本发明做更进一步的说明。
本发明提供了一种测量绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构。测试结构由两组结构构成。其中第一组结构如图1所示，该测试结构由两组结构构成；其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁101、一个薄膜硅双端固支梁103和一个由薄膜硅制作的垫板102组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁101和一个薄膜硅制作的垫板102组成；
所述第一组结构的多晶硅悬臂梁101由第一锚区101-1、细长梁101-2、作为上电极的宽梁101-3、细短梁101-4自左向右连接而成，在宽梁101-3的下表面是矩形下电极101-7，宽梁101-3和下电极101-7之间是空气层；在细短梁101-4的下表面有第一凸点101-5、第二凸点101-6分别作为薄膜硅双端固支梁103和垫板102的施力点；
所述第一组结构中的薄膜硅双端固支梁103由第二锚区103-2、第三锚区103-3和竖直长梁103-1连接而成，薄膜硅双端固支梁103与多晶硅悬臂梁101垂直，薄膜硅双端固支梁103的中心位于多晶硅悬臂梁101中的细短梁101-4左边的第一凸点101-5之下；
所述第一组测试结构中的垫板102由矩形板102-1、两个支撑矩形板102-1的第一折叠梁102-2、第二折叠梁102-3和分别连接第一折叠梁102-2、第二折叠梁102-3的第四锚区102-4、第五锚区102-5组成；垫板102材料与薄膜硅双端固支梁103相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板102-1的中心位于多晶硅悬臂梁101中细短梁101-4的第二凸点101-6之下；
所述第二组测试结构中的多晶硅悬臂梁101和垫板102的几何形状、尺寸以及相对位置均与第一组的多晶硅悬臂梁101和垫板102相同。
薄膜硅双端固支梁103中的第二锚区103-1、第三锚区103-3和垫板102中的第四锚区102-4、第五锚区102-5均采用加固结构，即在这些锚区之上设有一层包裹材料203，包裹材料203覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅201区域，包裹材料203图形大于锚区的部分直接生长在SOI材料中的二氧化硅层201上。
本发明的绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构的测试方法在于利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同测试位移下受力相同的原理，提取出驱动绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁103中心达到测试挠度时所需要的静电力；
所述第一组结构在测试位移下的静电力F1包含了三部分：驱动多晶硅悬臂梁101弯曲所需要的力；下压垫板102所需要的力；由待测薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁103弯曲所需要的力；
所述第二组结构在测试位移下的静电力F2包括了两部分：驱动多晶硅悬臂梁101弯曲所需要的力；下压垫板102所需要的力；
F1减去F2即为单独驱动由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁103达到测试挠度所需要的净力。
薄膜硅双端固支梁103的测试挠度等于二氧化硅层201的厚度。
绝缘衬底上薄膜硅材料杨氏模量的测试原理如下：
首先对第一组结构进行测试，在多晶硅悬臂梁101的上宽梁101-3和矩形下电极101-7之间施加逐渐增加的电压，该电压产生的静电力驱动梁101的右端向下弯曲，同时通过第一凸点101-5迫使薄膜硅双端固支梁103的竖直长梁103-2的中心向下移动，直至接触大衬底，同时，通过第二凸点101-6压迫垫板102的矩形板102-1向下移动接触大衬底。二氧化硅层201的厚度即为设定的薄膜硅双端固支梁103的测试挠度。由二氧化硅层201的厚度和所施加的电压值V1可以计算得到此时的静电力F1。F1包括了三个部分：驱动多晶硅悬臂梁101弯曲所需要的力；下压垫板102中矩形板102-1移动所需要的力；薄膜硅双端固支梁103弯曲到测试挠度所需要的力。
接下来对第二组结构进行测试。同样地，通过上下极板施加逐渐增加的电压，使梁101的右端向下弯曲，同时通过第二凸点101-6压迫垫板102的矩形板102-1向下移动，当矩形板102-1接触大衬底时停止增加电压并记录电压值V2。由所施加的电压值V2和移动距离可以计算得到此时的静电力F2。F2包括了两个部分：驱动多晶硅悬臂梁101弯曲所需要的力；下压垫板102中矩形板102-1移动所需要的力。
F1减去F2即为单独驱动薄膜硅双端固支梁103到达设定的测试挠度所需要的净力F3。由该力的值、测试角度和薄膜硅双端固支梁103的几何尺寸、薄膜硅的杨氏模量可以计算得到薄膜硅材料的残余应力。
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)
1.一种绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构，其特征在于该测试结构由两组结构构成；其中第一组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)、一个薄膜硅双端固支梁(103)和一个由薄膜硅制作的垫板(102)组成；第二组结构由一个多晶硅悬臂梁(101)和一个薄膜硅制作的垫板(102)组成；
所述第一组结构的多晶硅悬臂梁(101)由第一锚区(101-1)、细长梁(101-2)、作为上电极的宽梁(101-3)、细短梁(101-4)自左向右连接而成，在宽梁(101-3)的下表面有矩形下电极(101-7)，宽梁(101-3)和下电极(101-7)之间是空气层；在细短梁(101-4)的下表面有第一凸点(101-5)、第二凸点(101-6)分别作为薄膜硅双端固支梁(103)和垫板(102)的施力点；
所述第一组结构中的薄膜硅双端固支梁(103)由第二锚区(103-1)、第三锚区(103-3)和竖直长梁(103-2)连接而成，薄膜硅双端固支梁(103)与多晶硅悬臂梁(101)垂直，薄膜硅双端固支梁(103)的中心位于多晶硅悬臂梁(101)中的细短梁(101-4)左边的第一凸点(101-5)之下；
所述第一组结构中的垫板(102)由矩形板(102-1)、支撑矩形板(102-1)的第一折叠梁(102-2)、第二折叠梁(102-3)和分别连接第一折叠梁(102-2)、第二折叠梁(102-3)的第四锚区(102-4)、第五锚区(102-5)组成；垫板(102)材料与薄膜硅双端固支梁(103)相同，均采用绝缘衬底上的薄膜硅制作，矩形板(102-1)的中心位于多晶硅悬臂梁(101)中细短梁(101-4)的第二凸点(101-6)之下；
所述第二组结构中的多晶硅悬臂梁(101)和垫板(102)的几何形状、尺寸以及相对位置均与第一组结构的多晶硅悬臂梁(101)和垫板(102)相同。
2.根据权利要求1所述的绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构，其特征在于薄膜硅双端固支梁(103)中的第二锚区(103-1)、第三锚区(103-3)和垫板(102)中的第四锚区(102-4)、第五锚区(102-5)均采用加固结构，即在这些锚区之上设有一层包裹材料(203)，包裹材料(203)覆盖住全部锚区并向外延伸至二氧化硅层(201)区域，包裹材料(203)图形大于锚区的部分直接生长在SOI材料中的二氧化硅层(201)上。
3.一种如根据权利要求1所述的绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构的测试方法，其特征在于利用第一组结构和第二组结构相同部分在相同测试位移下受力相同的原理，提取出驱动绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁(103)中心达到测试挠度时所需要的静电力；
所述第一组结构在测试位移下的静电力F1包含了三部分：驱动多晶硅悬臂梁(101)弯曲所需要的力；下压垫板(102)所需要的力；由待测薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁(103)弯曲所需要的力；
所述第二组结构在测试位移下的静电力F2包括了两部分：驱动多晶硅悬臂梁(101)弯曲所需要的力；下压垫板(102)所需要的力；
F1减去F2即为单独驱动由绝缘衬底上薄膜硅材料制作的薄膜硅双端固支梁(103)达到测试挠度所需要的净力。
4.根据权利要求3所述的绝缘衬底上薄膜硅材料残余应力的测试结构的测试方法，其特征在于薄膜硅双端固支梁(103)的测试挠度等于二氧化硅层(201)的厚度。
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