CN202502063U - 多晶硅材料残余应力在线测试结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多晶硅材料残余应力在线测试结构，该测试结构包括三个基本结构相同的多晶硅偏转指针，三个多晶硅偏转指针以“品”字型放置，所有指针都指向中心，左下部多晶硅偏转指针和右下部多晶硅偏转指针结构完全相同，以测试结构竖直中心线左右镜向，上部多晶硅偏转指针位于中心，指针Ⅰ方向与下部的左右多晶硅偏转指针的指针Ⅱ、指针Ⅲ方向相反；整个测试结构制作在绝缘衬底上，除锚区及其上的金属电极外，在结构被释放后，驱动梁以及指针均处于悬浮状态，以便于释放残余应力并自由伸缩与偏转。本实用新型具有测试结构简单、电信号加载和测量简便、计算方法稳定等优点。

Description

多晶硅材料残余应力在线测试结构

技术领域

本实用新型涉及一种多晶硅材料残余应力在线测试结构，属于微机电系统（MEMS）材料参数在线测试技术领域。 

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。材料参数在线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在线测试成为工艺监控的必要手段。在线测试结构通常采用电学激励和电学测量的方法，通过电学量数值以及针对性的计算方法得到材料的物理参数。 

多晶硅是制造微机电器件结构的重要的和基本的材料，通常采用化学气相沉积（CVD）方法制造得到。多晶硅材料在制作过程中将产生内应力即存在残余应力。残余应力分为压应力和张应力。当微机电结构被释放后，残余应力将导致结构出现初始变形或者产生对其他材料参数的影响，产生实际性能对设计性能的偏离。 

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种多晶硅材料残余应力的在线测试结构。 

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的一种多晶硅材料残余应力在线测试结构，包括三个多晶硅偏转指针，三个多晶硅偏转指针分别包括多晶硅驱动梁、多晶硅指针和锚区；所述多晶硅驱动梁包括驱动梁Ⅰ、驱动梁Ⅱ和驱动梁Ⅲ；多晶硅指针包括指针Ⅰ、指针Ⅱ和指针Ⅲ；三个多晶硅偏转指针呈“品”字型放置，指针Ⅰ、指针Ⅱ和指针Ⅲ都指向中心；左下部多晶硅偏转指针和右下部多晶硅偏转指针结构完全相同，以测试结构竖直中心线左右镜向，上部多晶硅偏转指针位于中心，指针Ⅰ方向与下部的左右多晶硅偏转指针的指针Ⅱ、指针Ⅲ方向相反；整个测试结构制作在绝缘衬底上，除锚区及其上的金属电极外，在结构被释放后，驱动梁Ⅰ、驱动梁Ⅱ、驱动梁Ⅲ以及指针Ⅰ、指针Ⅱ、指针Ⅲ均处于悬浮状态，以便于释放残余应力并自由伸缩与偏转。 

左、中、右三个指针端部间距受多晶硅残余应力作用不同，左-中指针端部间距不受多晶硅残余应力的影响，中-右指针端部间距随多晶硅残余应力的大小 和性质发生变化。 

所述左下部多晶硅偏转指针中，驱动梁一端的锚区和指针一端的锚区上分别制作有金属电极；所述右下部多晶硅偏转指针中，驱动梁一端的锚区和指针一端的锚区上分别制作有金属电极；所述上部多晶硅偏转指针中，仅在指针一端的锚区上制作有金属电极。 

所述三个多晶硅偏转指针的多晶硅驱动梁长度相等。 

有益效果：本实用新型的多晶硅材料残余应力在线测试结构，通过将三个基本结构相同的多晶硅偏转指针呈“品”字型布置，并利用这些指针所受多晶硅残余应力影响相同的特点，使得残余应力的大小与性质能够有效地进行测量，测试方法是利用电流加热偏转指针的驱动梁使其膨胀，并进而推动指针偏转，测量残余应力对偏转量的影响。采用本实用新型对多晶硅残余应力进行测试，方法简单、测试设备要求低，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。本实用新型中的计算方法仅限于简单数学公式，虽然采用热膨胀原理，但测量计算并不需要热膨胀系数，避免了在线测试热膨胀系数时的误差对测量结果的影响，具有测试结构简单、电信号加载和测量简便、计算方法稳定等优点。 

附图说明

图1为本实用新型的多晶硅材料残余应力在线测试结构的示意图； 

图2为图1的A-A剖面图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。 

如图1和图2所示，本实用新型的多晶硅材料残余应力在线测试结构，包括三个基本结构相同的偏转指针，每个偏转指针分别包括一个水平的驱动梁Ⅰ101、驱动梁Ⅱ103、驱动梁Ⅲ105、一个分别与驱动梁Ⅰ101、驱动梁Ⅱ103、驱动梁Ⅲ105垂直的指针Ⅰ102、指针Ⅱ104、指针Ⅲ106和两个固定在衬底上的锚区构成，两个锚区分别固定了驱动梁Ⅰ101、驱动梁Ⅱ103、驱动梁Ⅲ105的一端和指针Ⅰ102、指针Ⅱ104、指针Ⅲ106的一端。测试结构的主体由多晶硅材料制造而成。 

三个多晶硅偏转指针呈“品”字型放置，指针Ⅰ102、指针Ⅱ104、指针Ⅲ106都指向中心；上部的多晶硅偏转指针包括驱动梁Ⅰ101，指针Ⅰ102，第一锚区107、第二锚区108以及第二锚区108之上的金属电极118；左下部的多晶硅偏转指针包括驱动梁Ⅱ103，指针Ⅱ104，第三锚区109、第四锚区110以及第三锚区109、第四锚区110上的第一金属电极113、第二金属电极114；右下部的多晶硅偏转指针包括驱动梁Ⅲ105，指针Ⅲ106，第五锚区111、第六锚区112以及 第五锚区111、第六锚区112上的第四金属电极115、第三金属电极116。左下部和右下部的多晶硅偏转指针完全相同，以指针Ⅰ102的中线左右对称放置，指针Ⅰ102的中线是整个测试结构的竖直中心线。整个测试结构制作在绝缘衬底117上，除锚区及其上的金属电极外，在结构被释放后，驱动梁Ⅰ101、驱动梁Ⅱ103、驱动梁Ⅲ105和指针Ⅰ102、指针Ⅱ104、指针Ⅲ106均处于悬浮状态，以便于这些部分释放残余应力并可自由伸缩与偏转。 

驱动梁Ⅰ101、驱动梁Ⅱ103、驱动梁Ⅲ105的长度均为L₂，在结构释放后该梁将因残余应力而发生初始伸缩并进而推动指针Ⅰ102、指针Ⅱ104、指针Ⅲ106绕其旋转轴偏转，因为基本结构相同，因此因残余应力而产生的偏转角相同。驱动梁Ⅰ101、驱动梁Ⅱ103、驱动梁Ⅲ105垂直方向的中心线到相应第二锚区108、第四锚区110、第五锚区111的距离为L₅。 

指针Ⅱ104、指针Ⅲ106长度均为L₁；指针Ⅰ102长度等于L₁+L₄，L₄为指针Ⅰ102和指针Ⅱ104、指针Ⅲ106在垂直方向的重叠长度，远小于L₁。指针Ⅰ102的头部为一宽度较大的矩形，宽度增加的目的是为了使第四锚区110和第五锚区111之间保持一个较大的距离，方便测试探针的使用。 

指针Ⅰ102和指针Ⅱ104的设计间距为g₁，指针Ⅰ102和指针Ⅲ106的设计间距为g₂。 

在第二锚区108、第三锚区109、第四锚区110、第五锚区111和第六锚区112上分别制作了金属电极118、第一金属电极113、第二金属电极114、第四金属电极115和第三金属电极116，其中，第二金属电极114一直延伸到驱动梁Ⅱ103上，第四金属电极115一直延伸到驱动梁Ⅲ105上，使得加热驱动工作时，有效的发热区域长度为L₂-L₃。 

本实用新型的多晶硅材料残余应力在线测试结构，原理如下： 

因为多晶硅所存在的残余应力将使驱动梁Ⅰ101、驱动梁Ⅱ103在结构释放后产生初始长度变化，进而使指针Ⅰ102、指针Ⅱ104发生初始偏转。但是，因为在相同性质与大小的残余应力作用下，指针Ⅰ102、指针Ⅱ104产生相反的绕轴旋转方向的偏转且偏转角数值相同，因此指针端部的间距可以保持不变，仍为g₁。类似的，残余应力将使驱动梁Ⅲ105在结构释放后产生初始长度变化，进而使指针106Ⅲ发生初始偏转，偏转方向与指针Ⅱ104相反。因为指针Ⅰ102和指针Ⅲ106的绕轴旋转方向相同，结果使实际间距因残余应力而偏离设计值g₂，如果残余应力为压应力，则实际间距小于g₂，如果残余应力为张应力，则实际间距大于g₂。 

本实用新型采用热驱动偏转指针旋转工作方式。在第一金属电极113和第二 金属电极114之间施加电流，使驱动梁Ⅱ103中L₂-L₃部分发生热膨胀，推动指针Ⅱ104顺时针偏转，当指针Ⅱ104的尖端与指针Ⅰ102发生接触时，指针Ⅱ104尖端顺时针偏转了距离g₁。在第四金属电极115和第三金属电极116之间施加电流，使驱动梁Ⅲ105中L₂-L₃部分发生热膨胀，推动指针Ⅲ106逆时针偏转，假设当指针Ⅲ106的尖端与指针Ⅰ102发生接触时，指针Ⅲ106尖端逆时针偏转的实际距离为g。显然，因为残余应力的作用，指针Ⅲ106尖端偏转的距离g将不等于g₂。如果发生g等于g₂的情况，则意味着残余应力为0。 

本实用新型的测试结构采用基本的微机电加工工艺完成，下面以典型的两层多晶硅微机电表面加工工艺说明测试结构的制作过程。 

选择N型半导体硅片，热生长100纳米厚度的二氧化硅层，通过低压化学气相沉积工艺沉积一层500纳米厚度的氮化硅，形成绝缘衬底117。采用低压化学气相沉积工艺沉积一层300纳米的多晶硅并进行N型重掺杂使该层多晶硅成为导体，通过光刻工艺刻蚀形成锚区的一部分。使用低压化学气相沉积工艺沉积2000纳米厚度的磷硅玻璃（PSG），通过光刻工艺形成锚区的图形。利用低压化学气相沉积工艺淀积一层2000纳米厚度的多晶硅，对多晶硅进行N型重掺杂，光刻工艺形成多晶硅材料残余应力在线测试结构图形，锚区的厚度为两次多晶硅的厚度之和。采用剥离工艺在锚区上形成金属电极图形。最后通过腐蚀磷硅玻璃释放结构。 

本实用新型的测试方法简单，采用简单的可变电流源作为激励源，采用普通的万用表监测两个指针是否发生接触，采用电阻表测量电阻，具体过程如下： 

1）、测试过程 

测试过程分几个阶段进行： 

①在室温下测量第一金属电极113和第二金属电极114（或者第四金属电极115、第三金属电极116）之间的电阻，记为R_∞； 

②在第一金属电极113和第二金属电极114之间施加缓慢增加的电流，并监测金属电极118和第二金属电极114之间的电阻，当该电阻由无穷大变为有限值时，表明指针Ⅱ104和指针Ⅰ102发生了接触，停止加热电流的增加； 

③测量指针Ⅰ102和指针Ⅱ104发生接触时第一金属电极113和第二金属电极114之间的电阻，记为R_TL，关闭第一金属电极113和第二金属电极114之间的电流，使指针Ⅱ104回转脱离指针Ⅰ102； 

④在第四金属电极115和第三金属电极116之间施加缓慢增加的电流，并监 测金属电极108和第四金属电极115之间的电阻，当该电阻由无穷大变为有限值时，表明指针Ⅲ106和指针Ⅰ102发生了接触，停止加热电流的增加； 

⑤测量指针Ⅲ106和指针Ⅰ102发生接触时第四金属电极115和第三金属电极116之间的电阻，记为R_TR，关闭第一金属电极113和第二金属电极114之间的电流，使指针Ⅲ106回转脱离指针Ⅰ102； 

2）、计算多晶硅材料的热膨胀系数 

多晶硅驱动梁Ⅱ103上长度为L₂-L₃部分的电阻R_TL与其上平均温度变化量ΔT_L的关系为： 

$R_{\mathrm{TL}}=R_{\∞}(1+a_1\mathrm{\Δ}{T}_L+a_2\mathrm{\Δ}{T}_L^2)$

式中a₁、a₂为多晶硅电阻的温度系数，平均温度变化量ΔT_L为指针Ⅰ102和指针Ⅱ104发生接触时，热驱动梁Ⅱ103上L₂-L₃部分的平均温度与室温之差。 

由基本热膨胀关系，热驱动梁Ⅱ103的长度变化ΔL_L=(L₂-L₃)·α·ΔT_L，其中，α是多晶硅材料的热膨胀系数，所以有： 

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_L}{(L_2-L_3)\·\mathrm{\Δ}{T}_L}$

同理，多晶硅驱动梁105上长度为L₂-L₃部分的电阻R_TR与其上平均温度变化量ΔT_R的关系为： 

$R_{\mathrm{TR}}=R_{\∞}(1+a_1\mathrm{\Δ}{T}_R+a_2\mathrm{\Δ}{T}_R^2)$

式中，ΔT_R为指针Ⅰ102和指针Ⅲ106发生接触时，热驱动梁Ⅲ105上L₂-L₃部分的平均温度与室温之差。并且有： 

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_R}{(L_2-L_3)\·\mathrm{\Δ}{T}_R}$

求解： 

已有研究表明可以通过测量得到多晶硅电阻的温度系数a₁、a₂，因此，将a₁、a₂作为已知量处理。 

将测量得到的R_∞和R_TL代入电阻公式，由二次方程的求根公式得到： 

$\mathrm{\Δ}{T}_L=\frac{-a_1\±\sqrt{{a_1}^2+4a_2{k}_L}}{2a_2},$ 式中， $k_L=\frac{R_{\mathrm{TL}}-R_{\∞}}{R_{\∞}}.$

当多晶硅电阻为负温度系数时，根号前取“-”号；当多晶硅电阻为正温度系数时，根号前取“+”号； 

驱动梁103长度变化ΔL_L由几何关系得到： 

$\mathrm{\Δ}{L}_L=\frac{g_1\·L_5}{L_1}$

同理，将测量得到的R_∞和R_TR代入电阻公式，由二次方程的求根公式得到： 

$\mathrm{\Δ}{T}_R=\frac{-a_1\±\sqrt{{a_1}^2+4a_2{k}_R}}{2a_2},$ 式中， $k_R=\frac{R_{\mathrm{TR}}-R_{\∞}}{R_{\∞}}.$

当多晶硅电阻为负温度系数时，根号前取“-”号；当多晶硅电阻为正温度系数时，根号前取“+”号； 

驱动梁Ⅲ105长度变化ΔL_R由几何关系得到： 

式中，g是指针Ⅲ106尖端逆时针实际偏转的距离。 

由热膨胀系数关系式，得到： 

$\mathrm{\Δ}{L}_R=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_R\·\mathrm{\Δ}{L}_L}{\mathrm{\Δ}{T}_L}$

因此有： 

$g=\frac{L_1\·\mathrm{\Δ}{T}_R\·\mathrm{\Δ}{L}_L}{L_5\·\mathrm{\Δ}{T}_L}$

式中变量或为几何尺寸，或为可以得到的测量计算值，因此，指针Ⅲ106尖端逆时针实际偏转的距离g可以由上式计算获得。 

由g值可以得到ΔL_R，因此，在驱动梁中由残余应力产生的应变ε为： 

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_L-\mathrm{\Δ}{L}_R}{2\·L_2}$

残余应力σ为： 

σ＝E·ε 

E是多晶硅材料的杨氏模量。 

如果ε=0，表示多晶硅中无残余应力；如果ε>0，表示多晶硅残余应力为压应力；如果ε<0，表示多晶硅残余应力为张应力。 

本实用新型通过指针在残余应力作用下初始偏转方向的控制使得间距保持和间距变化能够有效地反应残余应力的大小和性质；该测试结构的制作工艺简单，没有特殊加工要求；测试时，采用热驱动，测量参数为热驱动前后驱动梁的电阻。本实用新型在使用过程中，虽然采用热膨胀原理，但测量计算并不需要热膨胀系数，避免了在线测试热膨胀系数时的误差对测量结果的影响。 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (3)

1.一种多晶硅材料残余应力在线测试结构，其特征在于：包括三个多晶硅偏转指针，三个多晶硅偏转指针分别包括多晶硅驱动梁、多晶硅指针和锚区，所述多晶硅驱动梁包括驱动梁Ⅰ（101）、驱动梁Ⅱ（103）和驱动梁Ⅲ（105）；多晶硅指针包括指针Ⅰ（102）、指针Ⅱ（104）和指针Ⅲ（106）；三个多晶硅偏转指针呈“品”字型放置，指针Ⅰ（102）、指针Ⅱ（104）和指针Ⅲ（106）都指向中心；左下部多晶硅偏转指针和右下部多晶硅偏转指针结构完全相同，以测试结构竖直中心线左右镜向，上部多晶硅偏转指针位于中心，其指针Ⅰ（102）方向与下部的左右多晶硅偏转指针的指针Ⅱ（104）、指针Ⅲ（106）方向相反；整个测试结构制作在绝缘衬底（117）上，在结构被释放后，驱动梁Ⅰ（101）、驱动梁Ⅱ（103）、驱动梁Ⅲ（105）以及指针Ⅰ（102）、指针Ⅱ（104）、指针Ⅲ（106）均处于悬浮状态，以便于释放残余应力并自由伸缩与偏转。

2.根据权利要求1所述的多晶硅材料残余应力在线测试结构，其特征在于：所述左下部多晶硅偏转指针中，驱动梁Ⅱ（103）一端的第三锚区（109）和指针Ⅱ（104）一端的第四锚区（110）上分别制作有第一金属电极（113）和第二金属电极（114），并且第二金属电极（114）一直延伸到驱动梁Ⅱ（103）上；所述右下部多晶硅偏转指针中，驱动梁Ⅲ（105）一端的第六锚区（112）和指针Ⅲ（106）一端的第五锚区（111）上分别制作有第三金属电极（116）和第四金属电极（115），并且第四金属电极（115）一直延伸到驱动梁Ⅲ（105）上。

3.根据权利要求1所述的多晶硅材料残余应力在线测试结构，其特征在于：所述三个多晶硅偏转指针的驱动梁Ⅰ（101）、驱动梁Ⅱ（103）和驱动梁Ⅲ（105）长度相等。 

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