JP2010085139A

JP2010085139A - 薄膜試験装置

Info

Publication number: JP2010085139A
Application number: JP2008252133A
Authority: JP
Inventors: Seong-Hun Choe; 成熏崔; Masatoshi Kanamaru; 昌敏金丸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】
本発明の目的は、外部アクチュエータを使わずに、マイクロマシンの薄膜材料の曲げ，引張及びねじりの疲労特性を高精度に測定できる薄膜試験装置を提供することにある。
【解決手段】
薄膜を成形した評価チップと、評価チップに外力を加える手段と、外力により評価チップに発生する歪量を計測する計測手段とを備える薄膜試験装置で、評価チップは、コイルが上側に形成された外力発生基板，薄膜試験片及びこれらを支持する枠構造物を有し、外力発生基板のコイルに電流を流した時に発生するローレンツ力により、外力発生基板が変位して薄膜試験片に外力を加えるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシンの材料で用いられる薄膜材料の曲げ，引張，ねじりの静的特性と疲労特性を測定する薄膜試験装置に関する。

マイクロマシンの製作において、材料として単結晶シリコン，シリコン化合物，金属薄膜材料等が用いられている。しかし、これらの薄膜材料の電気的特性が明らかになっていることに対し、機械特性は充分解明されていない。更に、マイクロマシンの長期間の信頼性を保障するには、これらの薄膜材料の疲労特性を充分に把握しておく必要がある。

様々な機械特性の中で、引張強度，ヤング率はマイクロマシン設計の基礎データであるため、比較的多くの評価方法が開発されている。試験方法としては、マイクロマシン技術により、微小試験片を製作し、それに引張荷重を印加する手法が一般的である。

微小試験片に引張荷重を印加する方法として、特許文献１に、トーションバーを利用して、曲げ荷重を引張荷重に変えて、引張荷重を印加する方法が記載されている。また、微小試験片を固定する方法として、特許文献２に、静電チャックを利用した方法が記載されている。この方法は、機械的クランプ方式よりも正確に引張加重を印加できる長所がある。

マイクロマシンの信頼性を保障するため、薄膜材料の疲労特性を充分に調べておく必要がある。現状、引張強度とヤング率の試験方法は多く評価方法が開発されているが、薄膜材料の疲労試験方法の報告は少ない。薄膜疲労の試験方法として、非特許文献１に、共振構造体と試験片を一緒に作り、共振構造体を共振させることにより疲労破壊まで繰返し荷重を印加する方法が記載されている。この方法の特徴は、微小試験片と荷重印加部が同一基板上でできていて、外部から荷重を印加するためのアクチュエータが不要な点である。

特開平９−２１８４２号公報特開２００２−２２１４７４号公報 C.L.Muhlstein et al.,"High-cycle fatigue and durability of polycrystalline silicon thin film in ambient air", Sensors and Actuators A: Physical, Volume 94,Number 3, 20 November 2001, pp. 177-188.

マイクロマシンの薄膜材料の機械特性を高精度に測定するためには、評価チップの同じ位置に、荷重を正確に印加する必要がある。疲労試験の場合、評価チップに繰返し荷重を印加してこの状態を維持し続ける必要がある。現在の薄膜の試験方法では、微小試験片に荷重を印加するために、試験チップに比べて充分大きなアクチュエータを用いている。また、評価チップの正確な位置に荷重を印加するため、精密位置合わせ機構も必要となる。更に、疲労特性を調べるために、長時間繰返し荷重を微小試験片に印加する必要があるが、その時に生じる誤差は、測定結果の信頼性を低下させる原因となる。

非特許文献１では、評価チップの製造プロセスの制限から、シリコン以外の薄膜材料の疲労特性を調べることが難しい。また、非特許文献１の評価チップは、曲げの疲労特性は評価できるが、引張，ねじりの疲労特性を調べることはできない。マイクロマシンデバイスでは、引張やねじりを利用するデバイスも多く、曲げの疲労特性だけではなく、引張，ねじりの疲労特性の試験方法も必要となる。

本発明の目的は、外部アクチュエータを使わずに、マイクロマシンの薄膜材料の曲げ，引張及びねじりの疲労特性を高精度に測定できる薄膜試験装置を提供することにある。

本発明では、外部アクチュエータを使わずに、マイクロマシンの薄膜材料に繰返し荷重を加える機構を評価チップに内在化させる。

即ち、本発明は、評価対象の薄膜を成形した評価チップと、固定された前記評価チップに外力を加える手段と、外力により前記評価チップに発生する歪量を計測する計測手段とを備える薄膜試験装置で、前記評価チップは、コイルが上側に形成された外力発生基板，薄膜試験片及びこれらを支持する枠構造物を有し、更に前記外力発生基板のコイルに水平磁場を加える磁石を備え、前記外力発生基板のコイルに電流を流した時に発生するローレンツ力により、前記外力発生基板が変位して前記薄膜試験片に外力を加えるように構成する。

本発明によれば、薄膜試験片に繰返し荷重を加える機構を評価チップに内在化させたことにより、誤差の原因になる外部アクチュエータを使わずに、繰返し荷重を、薄膜試験片の同じ位置に正確に印加させることができ、この状態を維持し続けることができる。

従って、薄膜材料の機械特性である曲げ，引張及びねじりの疲労特性を高精度に測定できる。更に、評価チップの位置合わせ作業を省略できるため、試験に伴う作業の手順が減り、作業効率が向上することも期待できる。

（１）装置の構成
図１に、本発明による薄膜試験装置１の一例の全体構成を示す。薄膜試験装置１は、評価チップ２の薄膜試験片３を観察するための観察装置１１を備える。観察装置１１として、光学顕微鏡，電子顕微鏡，ＣＣＤカメラなどを用いる。薄膜試験装置１は、評価チップ２の薄膜試験片３の変位（歪量）を検出するための変位検出器１２を備える。変位検出器１２は、レーザ変位計などを用いる。変位検出器１２で測定した変位情報は、オシロスコープ１３に送られ、更に制御用ＰＣ１４に転送されて記録される。

評価チップ２は、平行磁場（水平磁場）２１を発生する磁石２２を備える固定台２３に固定されている。評価チップ２を固定する手段として、真空吸着などを用いる。評価チップ２と固定台２３は、台座２４の上に設置される。台座２４は、外部振動による測定ノイズを抑えるため、除振台などを用いる。

評価チップ２は、磁場と電流によるローレンツ力を発生するためのコイル２５を備えており、電力印加のための電極が形成されている。評価チップ２に電力を供給するため、電源１５を用いる。電源１５は、直流電流および交流電流が印加できるものを用いる。

評価チップ２は、ローレンツ力により回転する外力発生基板２６を備え、外力発生基板２６の回転軸としてトーションバー２７を備える。評価チップ２の薄膜試験片３の下に位置するトーションバー２７のねじり角を検出するため、トーションバー２７はピエゾ素子センサを備える。薄膜試験装置１は、ピエゾ抵抗を測定するためのマルチメータ１６を備え、マルチメータ１６で測定したトーションバー２７のねじり角の情報を制御用ＰＣ１４に送る。制御用ＰＣ１４は、ねじり角の情報を基準に電源１５の出力を調節し、トーションバー２７のねじり角を一定にするクローズド・ループ制御を行う。

この構成において、実際の試験は、評価チップ２が固定台２３に吸着された状態で、評価チップ２の外力発生基板２６にねじりを発生させ、この外力発生基板２６が薄膜試験片３に荷重を与えることで行われる。評価チップ２に供給する電流を増加すると、外力発生基板２６の回転によって薄膜試験片３を押し上げる量が増え、薄膜試験片３に与えられる荷重が大きくなる。評価チップ２に交流を印加して薄膜試験片３に繰返し荷重を加えることにより、疲労試験を行うことができる。評価チップ２は、曲げ試験用，引張試験用，ねじり試験用の３種類がある。同一製造工程で製造された評価チップ２を薄膜試験装置上で交換することにより、薄膜の曲げ，引張及びねじりの疲労特性を評価できる。

（２）装置の動作
図２に、薄膜試験装置の動作と測定原理を示す。図２（ａ）は評価チップ２に電流を流す前の様子を示す図、図２（ｂ）は評価チップ２に電流を流した後の様子を示す図である。

薄膜試験片３は、評価チップ２のＳｉ（シリコン）片持ち梁の上に形成されている。評価チップ２の外部の磁石２２により、平行磁場２１が評価チップ２を含む空間に発生する。評価チップ２の外力発生基板２６の上にはコイル２５が形成されており、コイル２５に電流を流すと平行磁場２１の影響でローレンツ力が発生し、外力発生基板２６がトーションバー２７を中心に回転して、Ｓｉ片持ち梁を押し上げる。これにより、薄膜試験片３に荷重を与える。コイル２５に供給する電流値を変えることで、外力発生基板２６がＳｉ片持ち梁を押し上げる量を調節できる。即ち、薄膜試験片３に与える荷重は、コイル２５に供給する電流によって制御できる。

外力発生基板２６がローレンツ力により回転した時の薄膜試験片３の変位を、変位検出器１２で測定する。図２では、変位検出器１２としてレーザ変位計を用いた場合のレーザ光を、破線の矢印で示している。変位検出器１２の測定信号は、オシロスコープ１３を通して制御用ＰＣ１４に記録される。

外力発生基板２６の変位角は、トーションバー２７に設置されたピエゾ素子センサで構成したホイーストンブリッジ（図示せず）により計測する。計測した外力発生基板２６の変位角を一定に保つように、評価チップ２に加わる外力を制御する。具体的には、外力発生基板２６の変位角を一定に保つように、電源１５からコイル２５に供給する電流を制御する（クローズド・ループ制御）。

静的試験および疲労試験により、薄膜試験片３に破断および／または亀裂が発生した場合、変位検出器１２によって薄膜試験片３の変位の異常が検出される。この時の異常を解析することにより、薄膜試験片３の降伏，破断，疲労破壊などの情報を得ることができる。

（３）試験片の測定結果の解析
図３は、薄膜試験片３に荷重を加えた時の特性図を示す。図３（ａ）は、評価チップ２に直流電流を印加して薄膜試験片３に静的荷重を加えた時の電流と薄膜試験片３の変位との関係を示す図である。ローレンツ力は電流に比例するため、電流を増加すると、外力発生基板２６の変位角が大きくなり、薄膜試験片３に加える荷重も大きくなる。薄膜試験片３の弾性領域では、電流と変位が線形（比例）の関係を示す。そして、降伏が始まる塑性領域では、電流と変位が非線形の関係を示す。図３（ａ）のグラフの線形領域と非線形領域が分かれる部分（分岐点）の値を測定することで、薄膜材料のヤング率や降伏応力の測定が可能である。

図３（ｂ）は、評価チップ２に交流電流を印加して薄膜試験片３に繰返し荷重を与え、疲労試験を行った時の荷重繰返し数と薄膜試験片３の剛性との関係を示す図である。薄膜試験片３に疲労が起きると亀裂が発生し、薄膜試験片３の剛性が低下する。これにより、繰返し荷重を与え、薄膜試験片３の剛性の変化を記録することで、疲労破壊の時点を測定し、疲労寿命を決めることができる。

（４）評価チップ２の製造方法
図４に、本発明による評価チップ２の製造方法の一例を示す。評価チップ２は、Ｎ型ＳＯＩ基板を用いる（工程１）。ピエゾ素子センサを作るため、活性層３１の上面（全面）にボロンドーピングを行い、Ｐ型Ｓｉ層３４を形成する（工程２）。Ｐ型Ｓｉ層３４は、活性層３１の一部（上面）を構成する。薄膜試験片となる薄膜３５を活性層３１の上に形成する（工程３）。薄膜の種類は、シリコン，シリコン化合物，各種金属薄膜である。薄膜形成法では、ＣＶＤ，ＰＶＤ，めっきなどが用いられる。

次に、フォトリソグラフィで、薄膜３５を試験片の形になるようパターニングを行う（工程４）。薄膜のパターニングには、ウェットエッチング，ドライエッチングおよびリフトオフ法などが用いられる。コイル２５を形成する前に、絶縁層３６を形成しパターニングを行う（工程５）。絶縁層３６の材質としては、ＴＥＯＳ酸化膜やポリイミドなどが用いられる。絶縁層３６の上にコイル２５を形成する（工程６）。コイル２５の形成法としては、スパッタ，めっき，蒸着などがある。コイルの材質としては、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌなどが用いられる。

活性層３１の表面をパターニングした後、ドライエッチング法を用いて活性層３１の部分のエッチングを行う（工程７）。ハンドル層３３をパターニングした後、ドライエッチング法を用いてハンドル層３３の部分のエッチングを行う（工程８）。最後に、ＢＯＸ層酸化膜３２を除去して薄膜試験片３をリリースすることにより、評価チップ２が完成する（工程９）。

（５）評価チップ２の構成
図５に、曲げ試験用の評価チップ２ａの一例の斜視図を示す。評価チップ２ａは、ＳＯＩ基板を用いて製作される。薄膜試験片３ａは、ＳＯＩ基板の活性層の上に形成されている。薄膜試験片３ａは、ＢＯＸ層酸化膜のエッチングにより、評価チップ２ａの中央部にあるＳＯＩ基板の外力発生基板（ハンドル層）２６から分離されている。２つの薄膜試験片３ａは、その一端が枠構造物（ＳＯＩ基板）２９に支持された片持ち梁構造を有する。

２つのトーションバー２７は、外力発生基板２６の上部に形成され、２つの薄膜試験片３ａの位置に対して９０度異なる水平方向の両側に形成されている。これにより、外力発生基板２６は、２つのトーションバー２７を両持ち梁として、枠構造物２９に支持される。トーションバー２７には、Ｐ⁺⁺ドープで形成されたピエゾ素子センサが内蔵され、トーションバー２７の変位角を検出する。

このように、外力発生基板２６と薄膜試験片３ａは、分離されて、別々に枠構造物２９に支持されている。コイル２５は外力発生基板２６の上に形成されており、コイル２５に電流を供給するための電極２８及び給電ライン２８ａが、枠構造物２９の上に形成されている。

コイル２５に直流電流を流すと、ローレンツ力が発生し、外力発生基板２６がトーションバー２７を中心に（中心軸として）回転し、薄膜試験片３ａの自由端に外力を加える。これにより、薄膜試験片３ａに曲げ荷重（応力）が与えられる。また、コイル２５に交流電流を印加した（流した）場合、電流の方向が周期的に変わるため、外力発生基板２６の回転方向も周期的に変わる。これにより、薄膜試験片３ａに繰返し曲げ荷重を印加して、曲げ疲労試験を行うことができる。

図６に、引張試験用の評価チップ２ｂの一例の斜視図を示す。評価チップ２ｂは、ＳＯＩ基板でできている。薄膜試験片３ｂは、ＳＯＩ基板の活性層の上に形成されている。１つの薄膜試験片３ｂは、その一端が枠構造物２９に支持され、その多端が評価チップ２ｂの中央部にあるＳＯＩ基板の外力発生基板２６の上部と連結されている。これにより、外力発生基板２６と枠構造物２９は、薄膜試験片３ｂを介して一体構造をなしている。

２つのトーションバー２７は、外力発生基板２６の上部に形成され、薄膜試験片３ａの位置に対して９０度異なる水平方向の両側に形成されている。これにより、外力発生基板２６は、２つのトーションバー２７を両持ち梁として、枠構造物２９に支持される。トーションバー２７には、Ｐ⁺⁺ドープで形成されたピエゾ素子センサが内蔵され、トーションバー２７の変位角を検出する。コイル２５は外力発生基板２６の上に形成されており、コイル２５に電流を供給するための電極２８及び給電ライン２８ａが、枠構造物２９の上に形成されている。

コイル２５に直流電流を流すと、ローレンツ力が発生し、外力発生基板２６がトーションバー２７を中心に回転し、薄膜試験片３ｂを引っ張り始める。これにより、薄膜試験片３ｂに引張荷重（応力）が与えられる。また、コイル２５に交流電流を印加した場合、電流の方向が周期的に変わるため、外力発生基板２６の回転方向も周期的に変わる。これにより、薄膜試験片３ｂに繰返し引張荷重を印加して、引張疲労試験を行うことができる。

図７に、ねじり試験用の評価チップ２ｃの一例の斜視図を示す。評価チップ２ｃは、ＳＯＩ基板でできている。薄膜試験片３ｃは、ＳＯＩ基板の活性層の上に形成されている。２つのトーションバー２７は、外力発生基板２６の上部に形成され、水平方向の両側に形成されている。これにより、外力発生基板２６は、２つのトーションバー２７を両持ち梁として、枠構造物２９に支持される。１つの薄膜試験片３ｃは、一方のトーションバー２７の上に形成されている。トーションバー２７には、Ｐ⁺⁺ドープで形成されたピエゾ素子センサが内蔵され、トーションバー２７の変位角を検出する。コイル２５は外力発生基板２６の上に形成されており、コイル２５に電流を供給するための電極２８及び給電ライン２８ａが、枠構造物２９の上に形成されている。

コイル２５に直流電流を流すと、ローレンツ力が発生し、外力発生基板２６がトーションバー２７を中心に回転し、トーションバー２７上の薄膜試験片３ｃをねじり始める。これにより、薄膜試験片３ｃにねじり荷重（応力）が与えられる。また、コイル２５に交流電流を印加した場合、電流の方向が周期的に変わるため、外力発生基板２６の回転方向も周期的に変わる。これにより、薄膜試験片３ｃに繰返しねじり荷重を印加して、ねじり疲労試験を行うことができる。

（６）試験装置における評価チップ２の交換
図８に、薄膜試験装置１における評価チップの交換の概念図を示す。同図で、曲げ試験用の評価チップ２ａ，引張試験用の評価チップ２ｂ及びねじり試験用の評価チップ２ｃは、同じ外部寸法（外側寸法，外形寸法）でできており、薄膜試験装置１に対して互換性を有している。

薄膜試験装置１でこれらの評価チップを交換することにより、薄膜の曲げ，引張及びねじりの評価試験を実施できる。また、各評価チップは、同一製造工程で、同じウェハ内で形成することができる。このため、同じ条件で形成した薄膜試験片３に対して、曲げ，引張及びねじりの評価試験を実施できる。

本発明による薄膜試験装置の一例を示す全体構成図。薄膜試験装置の動作と測定原理を示す図で、（ａ）は評価チップに電流を流す前を示す図、（ｂ）は評価チップに電流を流した後を示す図。薄膜試験片に荷重を加えた時の特性図で、（ａ）は薄膜試験片に静的荷重を加えた時の電流と薄膜試験片の変位との関係を示す図、（ｂ）は薄膜試験片に繰返し荷重を加えた時の荷重繰返し数と薄膜試験片の剛性との関係を示す図。本発明による評価チップの製造方法の一例を示す図。曲げ試験用評価チップの一例を示す斜視図。引張試験用評価チップの一例を示す斜視図。ねじり試験用評価チップの一例を示す斜視図。薄膜試験装置における評価チップの交換の概念図。

符号の説明

１薄膜試験装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ評価チップ
３，３ａ，３ｂ，３ｃ薄膜試験片
１１観察装置
１２変位検出器
１３オシロスコープ
１４制御用ＰＣ
１５電源
１６マルチメータ
２１平行磁場
２２磁石
２３固定台
２４台座
２５コイル
２６外力発生基板
２７トーションバー
２８電極
２９枠構造物
３１活性層
３２ＢＯＸ層酸化膜
３３ハンドル層
３４Ｐ型Ｓｉ層
３５薄膜
３６絶縁層

Claims

評価対象の薄膜を成形した評価チップと、該評価チップを固定する手段と、固定された前記評価チップに外力を加える手段と、外力により前記評価チップに発生する歪量を計測する計測手段とを備える薄膜試験装置であって、
前記評価チップは、コイルが上側に形成された外力発生基板，薄膜試験片及びこれらを支持する枠構造物を有し、更に前記外力発生基板のコイルに水平磁場を加える磁石を備え、
前記外力発生基板のコイルに電流を流した時に発生するローレンツ力により、前記外力発生基板が変位して前記薄膜試験片に外力を加えるように構成した薄膜試験装置。
請求項１において、前記外力発生基板及び前記薄膜試験片は別々に前記枠構造物に支持され、
前記薄膜試験片はその一端を前記枠構造物に支持された片持ち梁構造を有し、
前記外力発生基板は、前記薄膜試験片と異なる水平方向の両側に位置する両持ち梁を介して前記枠構造物に支持され、
前記外力発生基板のコイルに電流を流した時に発生するローレンツ力により、前記外力発生基板が前記両持ち梁を中心に回転し、その変位によって前記薄膜試験片に曲げ応力を加えるように構成した薄膜試験装置。
請求項１において、前記外力発生基板及び前記枠構造物は、前記薄膜試験片を介して一体構造をなし、
前記外力発生基板は、前記薄膜試験片と異なる水平方向の両側に位置する両持ち梁を介して前記枠構造物に支持され、
前記外力発生基板のコイルに電流を流した時に発生するローレンツ力により、前記外力発生基板が前記両持ち梁を中心に回転し、その変位によって前記薄膜試験片に引張応力を加えるように構成した薄膜試験装置。
請求項１において、前記外力発生基板は、水平方向の両側に位置する両持ち梁を介して前記枠構造物に支持され、前記薄膜試験片は前記両持ち梁の一方の上に形成され、
前記外力発生基板のコイルに電流を流した時に発生するローレンツ力により、前記外力発生基板が前記両持ち梁を中心に回転し、その変位によって前記薄膜試験片にねじり応力を加えるように構成した薄膜試験装置。
請求項２乃至４の何れかにおいて、ローレンツ力により回転する前記外力発生基板の変位角を一定に保つように、前記評価チップに加わる外力を制御する薄膜試験装置。
請求項１において、曲げ試験用評価チップ，引張試験用評価チップ及びねじり試験用評価チップが前記薄膜試験装置と互換性を有しており、これらの評価チップを前記薄膜試験装置で交換することにより、前記薄膜の曲げ，引張及びねじりの評価試験を実施する薄膜試験装置。