CN1273818C - 一种测量硅片上多层膜应力的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量硅片上多层膜应力的方法，该测量方法为：依次腐蚀掉硅片背面的各层薄膜，通过激光干涉仪或者表面轮廓仪测出由硅片和正面薄膜层及剩余背面薄膜层所构成复合结构挠曲的曲率半径，再由应力关系式

得到各层薄膜的应力，使之满足硅片正反两面都有薄膜的情况，基于背面腐蚀的多层膜应力测试方法，可以简化测量过程，减少腐蚀工序，仅需要依次腐蚀硅片背面的各层薄膜，用激光全场测量法测出相应的曲率半径，无须腐蚀基片正面有用层，就可以提取各层薄膜的应力。该方法解决了传统的测量硅片上多层膜应力的方法中需要很多腐蚀工序，并且在完成参数提取后，片上的薄膜层已被腐蚀掉，需要重新生长薄膜。

Description

一种测量硅片上多层膜应力的方法

                          技术领域

本发明是一种能够在线测量硅片上多层膜应力的方法，属于微电子机械系统(MEMS)材料参数测量技术领域。

                          背景技术

基片曲率测试法是一种常用的在线测量薄膜应力的方法。对于微电子机械系统(MEMS)加工中所常用的材料(二氧化硅、氮化硅、多晶硅、金属等)，由于在工艺线薄膜的生长过程中，通常是硅片的正反两面同时生长出薄膜，由于传统的“Stoney”公式：

$\frac{1}{R}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·({\mathrm{\σ}}_{m1}{d}_{m1}+{\mathrm{\σ}}_{m2}{d}_{m2}+\·\·\·+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mn}}{d}_{\mathrm{mn}})$

其中E_s是硅片材料的杨氏模量，υ_s是硅片材料的泊松比，d_s是硅片材料的厚度，d_m1，…，d_mn分别是硅片上面n层薄膜的厚度，σ_m1，…，σ_mn分别是硅片上面n层薄膜的应力，R是复合结构的曲率半径。

此公式适用于硅片一面有薄膜的情况，所以对多层薄膜而言，常见的提取过程是首先腐蚀掉硅片背面的所有薄膜层，再从上而下依次腐蚀掉硅片正面的薄膜层，通过激光干涉仪或者表面轮廓仪，依次测出所对应的由硅片和正面薄膜层所构成复合结构挠曲的曲率半径，用传统的“Stoney”公式即可得到各层薄膜中的应力。可见，由传统的“Stoney”公式提取薄膜应力，需要很多的腐蚀工序，并且在完成参数提取后，硅片上的薄膜层已被腐蚀掉，需要重新生长薄膜，才能继续后续加工。

                            发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种测量硅片上多层膜应力的方法，该测量方法无需腐蚀硅片正面的薄膜层，只需要依次腐蚀掉硅片背面的各层薄膜，测出对应复合结构的曲率半径，就可以提取各层薄膜的应力。

技术方案：该测量方法为：依次腐蚀掉硅片背面的各层薄膜，通过激光干涉仪或者表面轮廓仪测出由硅片和正面薄膜层及剩余背面薄膜层所构成复合结构挠曲的曲率半径，再由应力关系式

$\frac{1}{R}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·\underset{i=k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{m1}{d}_{m1}$

得到各层薄膜的应力，使之满足硅片正反两面都有薄膜的情况，其中E_s是硅片材料的杨氏模量，υ_s是硅片材料的泊松比，d_s是硅片材料的厚度，k是硅片背面的薄膜的层数，n是硅片正面的薄膜的层数，并且k≤n，σ_m1是硅片上面第i层薄膜的应力，R是复合结构的曲率半径，d_m1是硅片上面第i层薄膜的厚度，并且满足d_s＞＞d_m1+d_m2+…+d_mn+d_d1+d_d2…d_dn，即多层薄膜的厚度之和远小于硅片厚度，具体包括如下步骤：

a、、腐蚀硅片背面第n层，即最外层，则k＝n-1，应力关系式变为

$\frac{1}{R_1}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mn}}{d}_{\mathrm{mn}}$

通过激光干涉仪或者表面轮廓仪测出此时的曲率半径R₁，由上式可解得第n层薄膜中的应力σ_mn；

b、再腐蚀背面第n-1层，即次外层，即k＝n-2，应力关系式变为

$\frac{1}{R_2}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mn}}{d}_{\mathrm{mn}}+{\mathrm{\σ}}_{m(n-1)}{d}_{m(n-1)})$

通过激光干涉仪或者表面轮廓仪测出此时的曲率半径R₂，由上式可解得第n-1层薄膜中的应力σ_m(m-1)；

c、依次腐蚀掉背面的所有薄膜层，由应力关系式即可依次解得各层薄膜中的应力。

①当k＝0时，退化成传统的“Stoney”公式：

$\frac{1}{R}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·({\mathrm{\σ}}_{m1}{d}_{m1}+{\mathrm{\σ}}_{m2}{d}_{m2}+\·\·\·+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mn}}{d}_{\mathrm{mn}})$

②当k＝n时，表示复合结构两面薄膜的生长情况相同，复合结构不会发生挠曲，

③当0＜k＜n时，表示复合结构两面薄膜的情况不同，即背面已经腐蚀掉了一部分薄膜层，此时复合结构会发生弯曲，

有益效果：本发明的优点：

(1)本发明的测量方法只需腐蚀硅片单面的膜，相对与传统的需腐蚀两面的膜的方法简单，减少了n次腐蚀工序；

(2)本发明保留了硅片正面的薄膜层，对有用层没有破坏性；

(3)测试所用的硅片可以继续投入后道工艺的加工。

                         附图说明

图1是本发明的实施例中复合结构在薄膜应力作用下挠曲的截面图。其中有：硅片101，二氧化硅薄膜102，氮化硅薄膜103，二氧化硅薄膜104，多晶硅薄膜105。

图2是本发明的实施例中腐蚀背面多晶硅薄膜后复合结构弯曲的面形分布图。

图3是用传统的“Stoney”公式提取薄膜应力流程图。

图4是用本发明推广的“Stoney”公式提取薄膜应力流程图。

                       具体实施方案

以下结合附图对本发明的实施例的具体结构做进一步描述：

图1是腐蚀背面多晶硅后复合结构在薄膜应力作用下挠曲的截面图。硅片101，厚度是365微米，杨氏模量是165GPa，泊松比是0.22；二氧化硅薄膜102的厚度是0.233微米；氮化硅薄膜103的厚度是0.09微米；二氧化硅薄膜104的厚度是0.52微米；多晶硅薄膜105厚度是0.62微米。

依次腐蚀掉硅片背面的各层薄膜，通过激光干涉仪或者表面轮廓仪，测出由硅片和正面薄膜层及剩余背面薄膜层所构成复合结构挠曲的曲率半径，再由应力关系式 $\frac{1}{R}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·\underset{i=k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mi}}{d}_{\mathrm{mi}}$ 就可以得到各层薄膜的应力；

图2是用薄膜曲率测试仪测得的腐蚀背面的多晶硅薄膜后复合结构弯曲的面形分布图，根据面形分布数据求出曲率半径，再根据应力关系式

$\frac{1}{R}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·\underset{i=k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mi}}{d}_{\mathrm{mi}}$

可求得二氧化硅薄膜102，氮化硅薄膜103，二氧化硅薄膜104，多晶硅薄膜105中的应力分别176MPa、-699MPa、35MPa、481MPa(其中拉应力为正，压应力为负)。

Claims (1)

1、一种测量硅片上多层膜应力的方法，包括硅片正反两面都有薄膜的情况，其特征在于该测量方法为：依次腐蚀掉硅片背面的各层薄膜，通过激光干涉仪或者表面轮廓仪测出由硅片和正面薄膜层及剩余背面薄膜层所构成复合结构挠曲的曲率半径，再由应力关系式

$\frac{1}{R}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·\underset{i=k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ui}}{d}_{\mathrm{ui}}$

得到各层薄膜的应力，其中E_s是硅片材料的杨氏模量，υ_s是硅片材料的泊松比，d_s是硅片材料的厚度，k是硅片背面的薄膜的层数，n是硅片正面的薄膜的层数，并且k≤n，σ_ui是硅片上面第i层薄膜的应力，R是复合结构的曲率半径，d_ui是硅片上面第i层薄膜的厚度，并且满足d_s＞＞d_u1+d_u2+…+d_un+d_d1+d_d2…d_dn，即多层薄膜的厚度之和远小于硅片厚度，具体包括如下步骤：

a、腐蚀硅片背面第n层，即最外层，则k＝n-1，应力关系式变为

$\frac{1}{R_1}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{un}}{d}_{\mathrm{un}}$

通过激光干涉仪或者表面轮廓仪测出此时的复合结构的曲率半径R₁，由上式可解得第n层薄膜中的应力σ_un；

b、再腐蚀背面第n-1层，即次外层，即k＝n-2，应力关系式变为

$\frac{1}{R_2}=\frac{6(1-{\mathrm{\υ}}_s)}{E_s{d}_s^2}\·({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{un}}{d}_{\mathrm{un}}+{\mathrm{\σ}}_{u(n-1)}{d}_{u(n-1)})$

通过激光干涉仪或者表面轮廓仪测出此时的复合结构的曲率半径R₂，由上式可解得第n-1层薄膜中的应力σ_u(n-1)；

c、依次腐蚀掉背面的所有薄膜层，由应力关系式即可依次解得各层薄膜中的应力。

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