CN109238523B - 一种测量晶圆残余应力的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量晶圆残余应力的组件及其方法，包括敏感结构和压阻条，敏感结构由一个中心平板和从中心平板四周向外延伸的四个梁形臂构成，每个梁形臂上都设有压阻条，梁形臂与晶圆衬底或待测表面，四个压阻条连接构成应力测量电桥，该组件采用特殊的敏感结构，降低泊松比对应力的影响，用电学方式获得敏感结构的应力，克服了光学方法无法测量键合后结构层应力的缺点，实现晶圆上残余应力的测量，甚至包括晶圆键合工艺产生的残余应力的测量。

Description

一种测量晶圆残余应力的装置及其方法
技术领域
本发明涉及测量晶圆残余应力的装置及其方法，特别是测量MEMS工艺晶圆残余应力的装置及其方法。
背景技术
随着微机械技术的发展，近年来已经有越来越多的MEMS器件实现了商用甚至军用。其中，MEMS陀螺仪在汽车电子、惯性导航和便携电子设备中取得了很大的成功。
MEMS器件通常包含梁和膜等可动结构，其特性会受到各工艺步骤残余应力的影响，导致加工结果偏离设计值。通常会受到残余应力影响的有弹性系数、谐振频率、温度特性和屈曲特性等。为了提高工艺质量，需要对工艺状况进行监控，这就需要对其残余应力进行测量。
根据IEC62047-16-2015，常规的残余应力测量使用光学方法获得材料由于残余应力发生的形变，再换算出相应的应力。该类方法在常规工艺步骤时可以有非常好的测量效果，因为光学测量位移的精度很高。但是对于存在晶圆键合的器件工艺，如压力传感器和陀螺仪等，光学方法无法直接获得键合后的结构层形变，因而无法直接获得结构层上的残余应力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量晶圆残余应力的装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种测量晶圆残余应力的装置，包括：敏感结构和压阻条，所述敏感结构由一个中心平板和从中心平板四周向外延伸的四个梁形臂构成，所述每个梁形臂上都设有所述压阻条，所述梁形臂与晶圆衬底或待测表面连接，所述四个压阻条连接构成应力测量电桥。
进一步的，还包括锚点，所述锚点设置在梁形臂的末端，所述锚点与晶圆衬底或待测表面相连，所述锚点将所述敏感结构悬空，以便使应力集中增加高应力区的应力。
进一步的，所述压阻条设置于梁形臂上的高应力区。
进一步的，所述中心平板为方形平板，所述梁形臂位于方形平板各个边的中央。
进一步的，所述相邻两个梁形臂上的压阻条连接成为电桥的邻臂，不相邻两个梁形臂上的压阻条成为电桥的对臂。
进一步的，所述压阻条为压敏电阻。
进一步的，所述电桥为全桥或半桥。
进一步的，所述电桥为恒压源电桥或恒流源电桥。
进一步的，所述电桥的一组对臂配置成感应横向应力，另一组对臂则配置成感应纵向应力。
进一步的，所述电桥四个臂上的压阻条的初始阻值相同。
进一步的，所述的中心平板上设置有减薄区域，所述减薄区域用于降低敏感结构整体的刚度，提高压阻条附近的应力，从而提高输出信号的幅度。
进一步的，所述敏感结构采用敏感膜质材料制成。
一种测量晶圆残余应力的装置用于测量晶圆残余应力的方法，包括以下步骤：
S1：连接晶圆衬底或待测表面，将所述测量晶圆残余应力的装置的锚点与晶圆衬底或待测表面相连；
S2：配置测量电桥，包括以下子步骤：
将所述测量晶圆残余应力的装置的相邻两个梁形臂上的压阻条连接成为电桥的邻臂，不相邻两个梁形臂上的压阻条成为电桥的对臂；
选择电桥类型，配置桥臂感应应力的方向；
S3：测量，首先测量电桥输出电压或电流，然后将此电压或电流转换成对应的晶圆残余应力。
进一步的，所述电桥类型为恒压驱动惠思顿全桥，所述电桥的一组对臂配置成感应横向应力，另一组对臂则配置成感应纵向应力，电桥四个桥臂设置成相同的阻值，则电桥输出电压为：
Vo＝(δR/R)×Vi，其中，R1＝R2＝R3＝R4＝R，和R4阻值因环境影响减少δR，R2和R3因环境影响增加δR。
进一步的，所述电桥为恒流驱动惠思顿全桥，所述电桥的一组对臂配置成感应横向应力，另一组对臂则配置成感应纵向应力，电桥四个桥臂设置成相同的阻值，则电桥输出电压为：
V0＝δR×Ii，其中，R1＝R2＝R3＝R4＝R，R1和R4阻值因环境影响减少δR，R2和R3因环境影响增加δR。
本发明具有以下优点：
采用特殊的敏感结构，降低泊松比对应力的影响，用电学方式获得敏感结构的应力，克服了光学方法无法测量键合后结构层应力的缺点，同时直接获得结构上应力的方式也在一定程度上提高了测量准确性和便捷性，避免换算造成的资源消耗和误差，实现晶圆上残余应力的测量，甚至包括晶圆键合工艺产生的残余应力的测量。
附图说明
图1本发明的装置结构正面示意图；
图2本发明的装置结构侧面示意图；
图3惠斯顿电桥示意图；
图4桥臂电阻配置及其电气连接方式示意图；
图5具有减薄区域的装置结构正面示意图；
图6具有减薄区域的装置结构侧面示意图。
具体实施方式
为使发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和标示出的本发明实施例的装置可以以各种不同的配置来布置和设计。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种测量晶圆残余应力的装置及其方法。
本发明可以实现晶圆残余应力的测量，尤其是晶圆键合后的应力测量。
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的说明。
图1是本发明的装置结构正面示意图，图2为本发明的装置结构侧面示意图。其中，敏感结构1通过锚点3与晶圆衬底或待测表面(图中未示出)相连，敏感结构1采用敏感膜质材料制成，敏感结构1的四个臂上各有一个压阻条2。一般的，为了获得较高的测量灵敏度，压阻条2应配置于图1中的高应力区4。
敏感结构1配置为方形平板与梁形臂的组合，这是为了避免形成膜结构从而使得压阻条2上的应力受到泊松比的影响而降低。同时该配置方式还可以在一定程度上降低敏感结构1的刚度，提高输出应力幅度。使用锚点3将敏感结构1悬空则是为了通过应力集中增加高应力区4的应力。
本发明可以使用图3所示的惠斯顿电桥的方式进行信号检出。应当注意的是，除了图3中的恒压驱动-全桥检测方案以外，还可以使用恒流驱动以及半桥检测等方式进行信号检出。
将上述测量晶圆残余应力的装置的锚点3与晶圆衬底或待测表面相连，如图4将测量晶圆残余应力的装置的相邻两个梁形臂上的压阻条2连接成为电桥的邻臂，不相邻两个梁形臂上的压阻条2成为电桥的对臂；组成恒压电桥并配置桥臂感应应力的方向，其中电桥的一组对臂配置成感应横向应力，另一组对臂则配置成感应纵向应力；且电桥四个臂上的压阻条2的初始阻值相同，通过测量电桥输出的电压，换算成对应的晶圆残余应力。
在恒压电桥中，其中一组对臂因环境影响减少δR，另一组对臂因环境影响增加δR，其电压为：Vo＝(δR/R)×Vi，其推导如下：
Figure GDA0001899255600000041
其中
Figure GDA0001899255600000042
σt≈0；
所以
Figure GDA0001899255600000043
其中V0表示输出电压，Vi表示输入的恒定电压，σ表示待测表面的应力，π44表示压阻条的压阻系数。
在上述实施例中还可以采用恒流电桥来检测应力。
在恒流电桥中，其中一组对臂因环境影响减少δR，另一组对臂因环境影响增加δR，其电压为：V0＝δR×Iii，其推导如下：
Figure GDA0001899255600000044
其中
Figure GDA0001899255600000045
σt≈0；
所述
Figure GDA0001899255600000046
其中V0表示输出电压，Ii表示输入的恒定电流，σ表示待测表面的应力，π44表示压阻条的压阻系数。
为了进一步提高应力，图5为具有减薄区域5的装置结构正面示意图，图6为具有减薄区域5的装置结构侧面示意图，具有减薄区域5的测量晶圆残余应力的装置本发明的另一个实施例。与第一个实施例相比，图5、图6中的测量晶圆残余应力的装置通过增加减薄区域5降低敏感结构1整体的刚度，可以进一步提高压阻条2附近的应力，从而提高输出信号的幅度，使监测更精确。
本发明使用电学方式获得敏感结构1的应力，因此克服了光学方法无法测量键合后结构层应力的缺点。另外，直接获得结构上应力的方式也在一定程度上提高了测量准确性和便捷性，避免换算造成的资源消耗和误差。

Claims (13)

1.一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，包括：敏感结构、压阻条和锚点，所述敏感结构由一个中心平板和从中心平板四周向外延伸的四个梁形臂构成，所述每个梁形臂上都设有所述压阻条，所述梁形臂与晶圆衬底或待测表面连接，所述四个压阻条连接构成应力测量电桥；所述锚点设置在梁形臂的末端，所述锚点与晶圆衬底或待测表面相连，所述锚点将所述敏感结构悬空，以便使应力集中增加高应力区的应力；所述压阻条设置于梁形臂上的高应力区。
2.根据权利要求1所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述中心平板为方形平板，所述梁形臂位于方形平板各个边的中央。
3.根据权利要求1所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述相邻两个梁形臂上的压阻条连接成为电桥的邻臂，不相邻两个梁形臂上的压阻条成为电桥的对臂。
4.根据权利要求1或3所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述压阻条为压敏电阻。
5.根据权利要求1所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述电桥为全桥或半桥。
6.根据权利要求1所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述电桥为恒压源电桥或恒流源电桥。
7.根据权利要求1所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述电桥的一组对臂配置成感应横向应力，另一组对臂则配置成感应纵向应力。
8.根据权利要求1或5所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述电桥四个臂上的压阻条的初始阻值相同。
9.根据权利要求1所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述的中心平板上设置有减薄区域，所述减薄区域用于降低敏感结构整体的刚度，提高压阻条附近的应力，从而提高输出信号的幅度。
10.根据权利要求1所述的一种测量晶圆残余应力的装置，其特征在于，所述敏感结构采用敏感膜质材料制成。
11.如权利要求1-10任意一项所述的一种测量晶圆残余应力的装置用于测量晶圆残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：连接晶圆衬底或待测表面，将所述测量晶圆残余应力的装置的锚点与晶圆衬底或待测表面相连；
S2：配置测量电桥，包括以下子步骤：
将所述测量晶圆残余应力的装置的相邻两个梁形臂上的压阻条连接成为电桥的邻臂，不相邻两个梁形臂上的压阻条成为电桥的对臂；
选择电桥类型，配置桥臂感应应力的方向；
S3：测量，首先测量电桥输出电压或电流，然后将此电压或电流转换成对应的晶圆残余应力。
12.根据权利要求11所述的一种测量晶圆残余应力的方法，其特征在于，所述电桥类型为恒压驱动惠思顿全桥，所述电桥的一组对臂配置成感应横向应力，另一组对臂则配置成感应纵向应力，电桥四个桥臂设置成相同的阻值，则电桥输出电压为：V0＝(δR/R)×Vi，其中，R1＝R2＝R3＝R4＝R，R1和R4阻值因环境影响减少δR，R2和R3因环境影响增加δR。
13.根据权利要求11所述的一种测量晶圆残余应力的方法，其特征在于，所述电桥为恒流驱动惠思顿全桥，所述电桥的一组对臂配置成感应横向应力，另一组对臂则配置成感应纵向应力，电桥四个桥臂设置成相同的阻值，则电桥输出电压为：V0＝δR×Ii，其中，R1＝R2＝R3＝R4＝R，R1和R4阻值因环境影响减少δR，R2和R3因环境影响增加δR。
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