CN1793833A - 薄膜应力测试方法及测试结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏度薄膜应力测试方法，该方法将测试范围集中在衬底的局部，减小该局部基底的厚度，并设计固定的支撑结构；通过测量薄膜淀积前后局部基底的弯曲曲率，得到淀积在基底上的薄膜应力。本发明利用局部基底弯曲来检测薄膜的残余应力，其结构加工工艺和检测方法简单实用，不仅保留了传统基底弯曲法的所有优点，而且消除了传统基底弯曲法的系统误差，可以用于检测薄膜的局部应力，同时检测精度和灵敏度也得到了极大的提高，可以用于测试纳米级薄膜及超低应力薄膜的残余应力。

Description

薄膜应力测试方法及测试结构

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)测试技术领域，具体涉及一种高灵敏度的薄膜应力测试方法和测试结构。

背景技术

由MEMS表面微机械加工制备的薄膜往往存在不可忽视的残余内应力。对于使用表面微加工的典型微结构如悬臂梁、微桥、微膜片，薄膜内应力将直接影响器件的刚度和谐振频率等重要的静、动态设计参数，直接影响所设计器件的性能，甚至导致器件失效。对薄膜应力进行精确的测量为工艺设计与器件模拟提供了必要的依据。

近年来，人们开发了许多基于表面微机械加工工艺的平面应力测试结构，根据测试结构关键点的位移来确定应力的大小。如环结构、金刚石结构和指针旋转结构测量的是关键点的平面位移；双端固支梁阵列和悬臂梁测量的是关键点的离面位移。但是这些方法都存在着一些固有的缺点：

1)不准确的变形模型对测量结果影响极大。例如对最简单的悬臂梁结构，基体的变形往往没有考虑，而悬臂梁支撑端的边界条件并非固支条件(挠度为零、转角为零)。Baker等的结果表明，若不考虑基体这一影响，会给结果带来很大的误差，有时高达50％，甚至更高。模型更为复杂的平面位移型测试结构这一问题也同样严重。

2)不正确的几何尺寸输入也将影响测量结果：包括微结构的形状尺寸、支撑部分与基底的夹角、过刻蚀等工艺误差，这些都严重影响了测量精度。

3)薄膜的应力的求解往往建立在薄膜杨氏模量和泊松比已知的条件下，而材料的这些力学参数也与工艺条件密切相关，需要通过一定的测试方法才能准确提取，或者通过复杂的阵列或者加载进行解耦，增加了测试的复杂性。

目前使用最广的薄膜应力测试方法是基底弯曲法，它通过光学干涉仪或者表面轮廓仪测量薄膜淀积前后圆片的曲率半径的变化，通过根据Stoney公式计算得到薄膜的应力值，方法简单实用，并且应力值与薄膜其他材料参数无关。但这种方法只能测量硅片的平均应力，而且随着膜厚的减小误差增大^[5]，分辨率也急剧降低，不适于测量膜厚小于100nm的薄膜。

随着纳机电系统(Nano-Electro-Mechanical System)研究的兴起，纳米尺度下结构材料的力学特性的检测也成为研究热点，目前纳米级的薄膜应力的测试目前报道较少，国外一些学者使用SEM/TEM/AFM等设备结合平面位移型测试结构进行了测量的方法，但其设备复杂，并且需要在真空等特殊的环境中操作，严重制约了其应用。

发明内容

本发明针对MEMS和NEMS对薄膜应力测试的要求，提供一种高灵敏度薄膜应力测试方法和结构，利用局部基底弯曲来检测薄膜的残余应力，可提高检测精度和灵敏度。

本发明的技术内容：一种薄膜应力测试方法，包括：

(1)在衬底上的多个局部区域上进行衬底减薄；

(2)在衬底上淀积薄膜材料；

(3)刻蚀衬底，使减薄后的衬底形成悬空结构，测量淀积薄膜的悬空结构的弯曲曲率；

(4)去除薄膜，测量悬空结构的弯曲曲率；

(5)根据薄膜淀积前后悬空结构的弯曲曲率，得到薄膜应力。

薄膜的材料可为多种MEMS中常用的薄膜材料，如多晶硅、氮化硅、氧化硅或金属等；衬底材料亦可为多种，如Si，GaAs，石英，玻璃，碳化硅等。

一种薄膜应力测试结构，包括一衬底，在衬底的多个局部刻蚀出通过支撑结构固定悬空结构，该悬空结构的厚度小于衬底厚度。

保证测试灵敏度和测试结构强度的基础上，衬底被减薄的程度任意。推荐悬空结构厚度为10μm--40μm。

悬空结构可为圆形、方形或其他任意形状。

保证结构强度基础上，悬空结构的大小可任意，推荐测试结构面积为1mm²左右。

保证支撑固定的基础上，支撑结构个数任意，为使系统误差最小，推荐为3点支撑。

保证支撑固定的基础上，支撑梁结构设计任意，如各种弹性梁结构。

本发明的技术效果：本发明利用局部基底弯曲来测试MEMS和NEMS薄膜的残余应力，其结构加工工艺和检测方法简单实用，不仅保留了传统基底弯曲法的所有优点，而且消除了传统基底弯曲法的系统误差，可以用于检测薄膜的局部应力，同时检测精度和灵敏度也得到了极大的提高。

实验结果：

LPCVD Si3N4	局部基底弯曲法30nm	传统基底弯曲法30nm	传统基底弯曲法60nm	传统基底弯曲法80nm
					应力(GPa)	1.140	1.15	1.09	1.09

                     表1 LPCVD Si₃N₄应力测试结果表

表1为用本文提出的局部基底弯曲法测得光片上30nm LPCVD Si₃N₄与传统的基底弯曲法测得的光片上厚度为30nm、60nm、80nm LPCVD Si₃N₄的应力值的比较。基底弯曲法使用的是BGS 6341型电子薄膜应力分布测试仪。从结果看出，我们提出的局部基底弯曲法得到的值和传统测试方法下的LPCVD Si₃N₄相吻合，验证了此方法的正确性。

对于30nm厚的薄膜，应力检测的分辨率为1.5MPa，优于目前国际上的相关报道。理论误差小于1％，测量重复性优于1％。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1为测试结构示意图；

图2为测试工艺的流程图。

a)淀积KOH腐蚀掩模层、背面光刻、刻蚀；b)KOH腐蚀；c)去掉掩模层；

d)淀积测试薄膜，正面光刻、RIE；e)DRIE刻蚀出结构图形，第一次曲率测量；

f)去掉测试薄膜，第二次曲率测量。

6-测试薄膜；7-Si0₂掩模；8-光刻胶；9-衬底。

具体实施方式

测试结构示意如图1，结构1、2、3分别为支撑结构，测试结构4、5为圆形和方形的悬空结构。悬空结构大小为1mm×1mm，由于测试结构具有固定支撑，在淀积薄膜前后曲率半径的测试过程中，约束条件相同，这样就可以消除掉重力造成的影响。其次，在1×1mm的范围内，硅片厚度及淀积薄膜的不均匀性被大大的降低，减小了误差。由于硅膜减薄为15μm，仅为园片衬底厚度的1/30，根据公式(1)，其分辨率大大提高。

基底弯曲法通过测量薄膜淀积前后衬底的曲率半径得到薄膜的应力，由公式(1)表示如下：

${\mathrm{\σ}}_f=\left(\frac{E_s}{1-v_s}\right)\frac{t_s^2}{{6t}_f}(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})---\left(1\right)$

式中下标f和s分别对应于薄膜和基底，t为厚度，E和v分别是基底的弹性模量和泊松比，R₂、R₁分别为薄膜淀积前后曲率半径。利用Stoney公式来测量应力的优点在于，它不依赖薄膜的其他机械参数如弹性模量和泊松比，并且方法简单，易于操作及求解，但是在实际操作中仍然存在以下几个问题：

1)测试灵敏度较低：由于整个硅片较厚(400±10μm)，如果待测试薄膜很薄或薄膜应力较小时，衬底本身变形很小，从而造成分辨率下降，基底弯曲法通常只用于测试100nm以上的薄膜应力，分辨率在10MPa左右^[5]；另一方面，如果薄膜本身内应力很低，则必须淀积一定的厚度才能得到准确的结果。而由公式(1)可知曲率半径与衬底的厚度的平方成正比，在测试薄膜厚度一定的情况下，如果衬底越薄则产生相同弯曲变形所需的应力越小，即测试系统的灵敏度越高，薄膜应力的分辨率也越高。

2)硅片重力的影响^[9]：应用Stoney公式时，硅片应该满足自由边界条件，但这种理想状况是不存在的，硅片必然需要一定的支撑。这时硅片在自身重力下会产生一定的变形，会对曲率产生一定的影响。在实际操作时，圆片在薄膜淀积前后两次测量时的支撑条件不可能完全一样(由硅片实际的形变决定)。在两种不同的支撑条件下，重力对曲率的贡献不一样，其影响不可能完全消除。文中指出如果减小衬底的厚度就可以在很大程度上减小重力带来的影响；另外，如果支撑点可重复，即边界支撑条件固定时，重力的影响也可以在两次测量结果的差中被消除。

3)厚度不均匀带来的影响：由Stoney公式易知，应力与硅衬底厚度和薄膜厚度密切相关，而由于制作工艺的原因，圆片上淀积薄膜的厚度不均匀是不可避免的。而如果测量选取的数据点集中在硅片上一个较小的局部，这种由膜厚不均匀引起的误差就将减小。

参考图2，以测量硅衬底上LPCVD Si₃N₄为例说明本发明薄膜应力测试方法的流程：首先在硅片表面LPCVD淀积3000 SiO₂及1100 Si₃N₄作为KOH背腔腐蚀的掩膜层；随后光刻定义出背面图形，进行KOH各向异性腐蚀，控制腐蚀深度，留硅膜厚度为15μm；HF去掉KOH掩膜层后在硅片正面LPCVD生长30nm Si₃N₄，RIE去掉背面的Si₃N₄；正面光刻，刻蚀Si₃N₄薄膜形成测试结构图形；DRIE刻蚀硅膜，形成悬空结构之后进行第一次表面形变测量，得到由薄膜引起的基底曲率；随后RIE去掉正面Si₃N₄薄膜，第二次表面形变测量，得到无薄膜时的基底的初始曲率。正面淀积的待测试薄膜材料还可以是氧化硅、多晶硅、金属，该方法对工艺和材料没有限制。

本发明薄膜应力测试方法，减小衬底材料厚度，设计固定支撑，并且将测试范围集中在衬底上一个较小的局部，就可以通过测量局部基底弯曲曲率，得到淀积在基底上的薄膜应力。这种局部基底弯曲法不仅灵敏度高，而且能最大程度的减小传统圆片基底弯曲测试方法的误差。

Claims (8)

1、一种薄膜应力测试方法，包括：

(1)在衬底上的多个局域上进行衬底减薄；

(2)衬底上淀积薄膜材料；

(3)刻蚀衬底，使减薄后的衬底形成悬空结构，测量淀积薄膜的悬空结构的弯曲曲率；

(4)去除薄膜，测量悬空结构的弯曲曲率，

(5)根据薄膜淀积前后悬空结构的弯曲曲率，得到薄膜应力。

2、如权利要求1所述的薄膜应力测试方法，其特征在于：薄膜的材料采用多晶硅、氮化硅、氧化硅或金属。

3、如权利要求1或2所述的薄膜应力测试方法，其特征在于：衬底的材料采用硅、砷化镓、石英、玻璃或碳化硅。

4、一种薄膜应力测试结构，包括一衬底，在衬底的多个局部刻蚀出通过支撑结构固定的悬空结构，该悬空结构的厚度小于衬底厚度。

5、如权利要求4所述的薄膜应力测试结构，其特征在于：悬空结构厚度为10μm——40μm。

6、如权利要求4或5所述的薄膜应力测试结构，其特征在于：悬空结构为圆形、方形或其他任意形状。

7、如权利要求4或5所述的薄膜应力测试结构，其特征在于：悬空结构的面积为1mm²——3mm²

8、如权利要求4所述的薄膜应力测试结构，其特征在于：支撑结构由若干个弹性梁组成。