CN1609604A - 微电子机械系统多层膜应力和杨氏模量的测量结构及方法 - Google Patents

Abstract

微电子机械系统多层膜应力和杨氏模量的测量结构及方法，该测量结构由n层等长不等宽的被测膜材料重叠设置、两端固定，构成多层两端固定的支梁(1)，支梁的两端分别设有加固的锚区(301)，在锚区的两边为支边(302)，在两个支边之间形成空洞，在支梁的下方为一层绝缘体(201)，绝缘体的下方为下电极(2)。该测量方法为：制备被测支梁结构；在支梁与下电极之间加电压，使之构成两个电极；当外加电压增加到临界电压时，停止增加电压，记录下吸合电压V_PI；把测量出的k个吸合电压值分别代入计算应力与杨氏模量数学模型可计算出多层膜应力和杨氏模量。

Description

微电子机械系统多层膜应力和杨氏模量的测量结构及方法

                               技术领域

本发明是一种能够在线测量微电子机械系统(MEMS)多层膜应力和杨氏模量的测试方法，属于MEMS材料参数测量的技术领域。

                               背景技术

随着MEMS加工技术的发展，表面微机械加工技术已经越来越多的应用于传感器和执行器的制造过程中。很多材料，尤其是晶体材料在形成薄膜、细梁等结构时，用不同方法制成同一种形态，其性质也不一样，会表现出明显不同的力学参数，MEMS器件中，薄膜的应力与杨氏模量对器件的性能有很大的影响，在表面微机械结构的加工过程中薄膜材料参数(例如，应力、杨氏模量)的控制就变得尤其重要。所以，材料杨氏模量、应力的在线提取，已成为MENS领域中日益迫切的需要。

在实际的MEMS器件中，很多情况下使用多层膜结构，目前国内外设计的各种应力、杨氏模量测试结构大多是针对单层膜结构，对于多层膜结构难以同时测量各层薄膜的应力与杨氏模量，亦或测试结构与加工工艺比较复杂，不适合在线测试。

                               发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种微电子机械系统多层膜应力和杨氏模量的测量结构及方法，能够满足在线测试的需要，从而达到监控器件制造工艺的目的。

技术方案：本发明的测量结构由n层等长不等宽的被测膜材料重叠设置、两端固定，构成多层两端固定的支梁，支梁的两端分别设有加固的锚区，在两个支边之间形成空洞，在支梁的下方为一层绝缘体，绝缘体的下方为下电极。当在梁与它下面的固定平面电极间加上直流电压时，由于静电引力的作用，梁会发生弯曲。

本发明的测试方法是：

a、制备被测支梁结构，其加工工艺流程如下：

1、制备硅衬底，在衬底上氧化一层薄膜，淀积一层绝缘薄膜，

2、在绝缘薄膜上淀积并刻蚀第一层被测薄膜，作为下电极，

3、淀积牺牲层薄膜、刻蚀牺牲层薄膜形成锚区，

4、在牺牲层薄膜上淀积并刻蚀第二层被测薄膜，作为测试结构的第一层梁结构，

5、重复第④步，淀积并刻蚀多层被测薄膜，作为测试结构的各层梁结构即第二层被测膜材料、中间多层被测膜材料103、第n层被测膜材料，

6、在第n层梁结构上溅射导电薄膜、光刻为上电极，

7、腐蚀牺牲层薄膜，支梁结构释放悬空；

b、在支梁与下电极之间加电压，使之构成两个电极，

c、当外加电压增加到临界电压时(即如果再增大，梁的弯曲就不会达到平衡，而被静电引力拉到下电极(衬底)，这种现象就称作吸合(pull-in)现象，此时的临界电压称作吸合电压V_PI)，停止增加电压，记录下吸合电压V_PI；

d、通过改变梁的长度和宽度提取材料参数，对由n(n为自然数)层材料构成的多层双端固支梁，提取材料参数需要至少k/2(k＝2n，k是所需要制作的支梁的个数)种长度不同的支梁，每种长度的支梁又需要两种不同形式，其中一种形式是各层材料的宽度都是相等的，另一种形式是各层材料的宽度都是不等的；分别改变支梁的材料长度和宽度，测量出k个吸合电压V_PI；由于吸合电压是与梁的材料参数和几何尺寸有关的量，所以从这k个几何尺寸不同的梁可以测到k个吸合电压值。

e、把测量出的k个吸合电压值分别代入计算应力与杨氏模量数学模型可计算出多层膜应力和杨氏模量。

计算应力与杨氏模量的数学模型为：

$\sqrt{\frac{4{(A_{\mathrm{eff}}{c}_{\mathrm{PI}}+B_{\mathrm{eff}}{c}_{\mathrm{PI}}^3)\·\sqrt{{\tilde{g}}_0}\·({\tilde{g}}_0-c_{\mathrm{PI}})}^{\frac{3}{2}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0(1+0.42\frac{{\tilde{g}}_0}{b_{\mathrm{eff}}})}}$

其中：支梁长度是l，第i层材料厚度是h_i，宽度是b_i，泊松比是v_i，应力是σ_i，杨氏模量是E_i，等效弹性模量是

它与梁的宽度有关，对于窄梁b_i＜5h_i， ${\tilde{E}}_i=E_i;$ 对于宽梁b_i≥5h_i， $\tilde{E}=E_i/(1-v_i^2),$ 相对介电系数是ε_ri(导体不考虑介电系数)，覆盖在梁下方电极上的绝缘体的厚度是h₀，相对介电系数是ε_r0，g₀是外加电压为零时，梁的下表面与固定面上绝缘层间的距离，电极宽度是b_eff，吸合电压是V_PI，V是外加电压。

$A_{\mathrm{eff}}=2[\frac{{\tilde{E}}_{\mathrm{eff}}}{3}\·{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^4\frac{{h_{\mathrm{eff}}}^3}{4}+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{4l}^2}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eff}}\·h_{\mathrm{eff}}]$

$B_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\π}}^4}{{8l}^4}{\tilde{E}}_{\mathrm{eff}}\·h_{\mathrm{eff}}$

$c_{\mathrm{PI}}=\frac{{\tilde{g}}_0}{9}\·{(36\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}+8+3\sqrt{375{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^3-156{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^2+144\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}})}^{\frac{1}{3}}$

$-\frac{(15\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}-4)\·{\tilde{g}}_0}{9\·{(36\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}+8+3\sqrt{375{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^3-156{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^2+144\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}})}^{\frac{1}{3}}}+\frac{2}{9}\·{\tilde{g}}_0$

$h_{\mathrm{eff}}=2\·\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{E}}_i{b}_i(z_i^3-z_{i-1}^3)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{E}}_i{h}_i{b}_i}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eff}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{h}_i{b}_i/h_{\mathrm{eff}}/b_{\mathrm{eff}}$

${\tilde{E}}_{\mathrm{eff}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{E}}_i{h}_i{b}_i/h_{\mathrm{eff}}/b_{\mathrm{eff}}$

b_eff＝b_e

将k个吸合电压值V_PI代入计算应力与杨氏模量数学模型可得到各层薄膜的应力σ_i与杨氏模量E_i。

有益效果：本发明的优点如下：

(1)可同时测量MEMS多层膜应力与杨氏模量，测试方法方便易行，只需要实验室常用的探针法施加电压，测得发生吸合现象时的吸合电压即可；

(2)制造工艺和测试结构简单，和其它器件制造工艺完全兼容：

(3)具有较高的测试精度；

(4)能在线测量MEMS器件表面制造工艺或其它器件制造工艺中对多层膜材料应力与杨氏模量的测试要求。

                             附图说明

图1是本发明的测试结构的纵向截面示意图。

图2是本发明的测试结构的横向截面示意图。

图3是本发明的测试结构的三维示意图。

图4是测试结构表面制作工艺流程图。

1：支梁，101：第一层被测膜材料，102：第二层被测膜材料，103：中间多层被测膜材料，104：第n层被测膜材料；2：下电极，201：绝缘体；301：锚区，302：支边，303：上电极，401：硅衬底402：薄膜，403：绝缘薄膜，404：牺牲层薄膜。

                            具体实施方式

以下结合附图，以制备两层被测膜结构支梁的实例对本发明实施例的具体结构做进一步描述：

此实施例中第一层被测膜材料101是多晶硅膜，第二层被测膜材料102是铝膜。要测量多晶硅膜与铝膜两层被测膜的应力和杨氏模量，至少需要制作2种长度不同的测试结构，即支梁1，每种长度的测试结构即支梁1又需要两种不同形式，其中一种形式是各层被测材料的宽度都是相等的，另一种形式是各层被测材料的宽度都是不等的。

被测支梁1结构的制备方法为：

制备硅衬底401，在衬底上氧化一层薄膜402，淀积一层绝缘薄膜403，

在绝缘薄膜403上淀积并刻蚀第一层被测薄膜，作为下电极2，

淀积牺牲层薄膜404、刻蚀牺牲层薄膜404形成锚区，

在牺牲层薄膜404上淀积并刻蚀第二层被测薄膜，作为测试结构的第一层被测膜材料101，

重复第④步，淀积并刻蚀多层被测薄膜，作为测试结构的各层粱结构即第二层被测膜材料102、中间多层被测膜材料103、第n层被测膜材料104，

在第n层被测膜材料上溅射导电薄膜、光刻为上电极303，

腐蚀牺牲层薄膜404，支梁结构释放悬空。

支梁1制作两种长度，即300微米，700微米，对300微米长的支梁1制作两个，其中一个支梁1的多晶硅膜即第一层被测膜材料101的厚度是2微米；宽度是10微米；铝膜即第二层被测膜材料102的厚度是0.8微米；宽度是10微米；另一个支梁1的多晶硅膜即第一层被测膜材料101的厚度是2微米；宽度是10微米；铝膜即第二层被测膜材料102的厚度是0.8微米；宽度是5微米；对700微米长的支梁1，也制作两个，其中一个支梁1的多晶硅膜即第一层被测膜材料的厚度是2微米；宽度是10微米；铝膜即第二层被测膜材料102的厚度是0.8微米；宽度是10微米；另一个支梁1的多晶硅膜即第一层被测膜材料101的厚度是2微米；宽度是10微米；铝膜即第二层被测膜材料102的厚度是0.8微米；宽度是5微米，支梁1与下电极2之间的间隙是2微米。共制作支梁四个。

在支梁1与下电极2之间加电压，使之构成两个电极，

当外加电压增加到临界电压时，停止增加电压，记录下吸合电压V_PI，

对由2层材料构成的多层双端固支梁，提取材料参数需要至少2种长度不同的支梁，每种长度的支梁又需要两种不同形式，其中一种形式是各层材料的宽度都是相等的，另一种形式是各层材料的宽度都是不等的；分别改变支梁1的材料长度和宽度，测量出4个吸合电压V_PI；

当在支梁1的上电极303与下电极2之间加电压，慢慢增加电压到吸合电压时，如果再增大，梁的弯曲就不会达到平衡，而被静电引力拉到下电极，发生吸合现象，用仪器可测得吸合电压值。从这4个不同尺寸的支梁可以测到4个吸合电压值，分别是99.5v、94.8v、36.3v、35.8v，把测量出的k个吸合电压值分别代入计算应力与杨氏模量数学模型

$\sqrt{\frac{4(A_{\mathrm{eff}}{c}_{\mathrm{PI}}+B_{\mathrm{eff}}{c}_{\mathrm{PI}}^3)\·\sqrt{{\tilde{g}}_0}\·{({\tilde{g}}_0-c_{\mathrm{PI}})}^{\frac{3}{2}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0(1+0.42\frac{{\tilde{g}}_0}{b_{\mathrm{eff}}})}}$

其中：支梁长度是l，第i层材料厚度是h_i，宽度是b_i，泊松比是V_i，应力是σ_i，杨氏模量是E_i，等效弹性模量是

它与梁的宽度有关，对于窄梁b_i＜5h_i， ${\tilde{E}}_i=E_i;$ 对于宽梁b_i≥5h_i， $\tilde{E}=E_i/(1-v_i^2),$ 相对介电系数是ε_ri(导体不考虑介电系数)，覆盖在梁下方电极上的绝缘体的厚度是h₀，相对介电系数是ε_r0，g₀是外加电压为零时，梁的下表面与固定面上绝缘层间的距离，电极宽度是b_c，吸合电压是V_PI，V是外加电压。

$A_{\mathrm{eff}}=2[\frac{{\tilde{E}}_{\mathrm{eff}}}{3}\·{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^4\frac{{h_{\mathrm{eff}}}^3}{4}+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{{4l}^2}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eff}}\·h_{\mathrm{eff}}]$

$B_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\π}}^4}{{8l}^4}{\tilde{E}}_{\mathrm{eff}}\·h_{\mathrm{eff}}$

$c_{\mathrm{PI}}=\frac{{\tilde{g}}_0}{9}\·{(36\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}+8+3\sqrt{375{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^3-156{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^2+144\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}})}^{\frac{1}{3}}$

$-\frac{(15\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}-4)\·{\tilde{g}}_0}{9\·{(36\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}+8+3\sqrt{375{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^3-156{\left(\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}\right)}^2+144\frac{A_{\mathrm{eff}}}{B_{\mathrm{eff}}{\tilde{g}}_0^2}})}^{\frac{1}{3}}}+\frac{2}{9}\·{\tilde{g}}_0$

$h_{\mathrm{eff}}=2\·\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{E}}_i{b}_i(z_i^3-z_{i-1}^3)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{E}}_i{h}_i{b}_i}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eff}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{h}_i{b}_i/h_{\mathrm{eff}}/b_{\mathrm{eff}}$

${\tilde{E}}_{\mathrm{eff}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{E}}_i{h}_i{b}_i/h_{\mathrm{eff}}/b_{\mathrm{eff}}$

b_eff＝b_e

可计算出多层膜应力和杨氏模量。

代入所建立的计算应力与杨氏模量数学模型可得到多晶硅膜的应力与杨氏模量分别是105.5MPa、170.5GPa；铝膜的应力与杨氏模量分别是18.2MPa、48.0GPa。

Claims (3)

1、一种微电子机械系统多层膜应力和杨氏模量的测量结构，其特征在于该测量结构由n层等长不等宽的被测膜材料重叠设置、两端固定，构成多层两端固定的支梁(1)，支梁(1)的两端分别设有加固的锚区(301)，在锚区(301)的两边为支边(302)，在两个支边(302)之间形成空洞，在支梁(1)的下方为一层绝缘体(201)，绝缘体(201)的下方为下电极(2)。

2、一种如权利要求1所述的微电子机械系统多层膜应力和杨氏模量的测量结构的测量方法，其特征在于该测量方法为：

a、制备被测支梁(1)结构，

b、在支梁(1)与下电极(2)之间加电压，使之构成两个电极，

c、当外加电压增加到临界电压时，停止增加电压，记录下吸合电压V_M，

d、对由n层材料构成的多层双端固支梁，提取材料参数需要至少k/2种长度不同的支梁，每种长度的支梁又需要两种不同形式，其中一种形式是各层材料的宽度都是相等的，另一种形式是各层材料的宽度都是不等的；分别改变支梁(1)的材料长度和宽度，测量出k个吸合电压V_M；

e、把测量出的k个吸合电压值分别代入计算应力与杨氏模量数学模型可计算出多层膜应力和杨氏模量。

3、根据权利要求2所述的微电子机械系统多层膜应力和杨氏模量的测量结构的测量方法，其特征在于被测支梁(1)结构的制备方法为：

①制备硅衬底(401)，在衬底上氧化一层薄膜(402)，淀积一层绝缘薄膜(403)，

②在绝缘薄膜(403)上淀积并刻蚀第一层被测薄膜，作为下电极(2)，

③淀积牺牲层薄膜(404)、刻蚀牺牲层薄膜(404)形成锚区，

④在牺牲层薄膜(404)上淀积并刻蚀第二层被测薄膜，作为测试结构的第一层被测膜材料(101)，

⑤重复第④步，淀积并刻蚀多层被测薄膜，作为测试结构的各层梁结构即第二层被测膜材料(102)、中间多层被测膜材料(103)、第n层被测膜材料(104)，

⑥在第n层被测膜材料上溅射导电薄膜、光刻为上电极(303)，

⑦腐蚀牺牲层薄膜(404)，支梁结构释放悬空。

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