RU2624611C1 - Способ измерения механических напряжений в мэмс-структурах - Google Patents

Способ измерения механических напряжений в мэмс-структурах Download PDF

Info

Publication number
RU2624611C1
RU2624611C1 RU2016138367A RU2016138367A RU2624611C1 RU 2624611 C1 RU2624611 C1 RU 2624611C1 RU 2016138367 A RU2016138367 A RU 2016138367A RU 2016138367 A RU2016138367 A RU 2016138367A RU 2624611 C1 RU2624611 C1 RU 2624611C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
intermediate layer
coating
edge
coating film
periphery
Prior art date
Application number
RU2016138367A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Эдуардович Гусев
Николай Алексеевич Дюжев
Анна Александровна Дедкова
Николай Николаевич Патюков
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority to RU2016138367A priority Critical patent/RU2624611C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2624611C1 publication Critical patent/RU2624611C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

Использование: для измерения механических напряжений в МЭМС структурах. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения механических напряжений в МЭМС структурах включает формирование между пленкой-покрытием и основой промежуточного слоя, при этом промежуточный слой может иметь произвольную толщину, измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия посредством растрового электронного микроскопа и рассчитывают механические напряжения на рабочих пластинах по формуле
Figure 00000007
,
где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, d0 - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя, d - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия после травления промежуточного слоя,
Figure 00000008
- модуль Юнга покрытия,
Figure 00000009
-коэффициент Пуассона покрытия. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 2 ил.

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кристаллов интегральных схем (ИС) и дискретных полупроводниковых приборов. Остаточные напряжения в материалах микроэлектромеханических систем (МЭМС) существенно влияют на процент выхода годных кристаллов и на надежность ИС. В связи с этим необходимо постоянное совершенствование способов контроля механических напряжений.
Известен способ определения механических напряжений в тонких пленках путем вытравливания в подложке окон и измерения геометрических размеров деформированной пленки, по которым судят о величине механических напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерений, после травления подложку скрайбируют по лицевой стороне через выбранные для исследования структуры так, чтобы излом прошел параллельно свободно висящему краю пленки, отламывают часть пластины и вновь скрайбируют ее параллельно полученному ранее излому с шагом, обеспечивающим прохождение излома через исследуемые структуры, вновь отламывают часть структуры подложки и располагают ее под углом α к оси электронного микроскопа [1].
Недостатком данного способа является операция скрайбирования, которая вносит механические напряжения в исследуемую структуру. Кроме этого, необходимость излома образца не позволяет проводить измерения на рабочих пластинах.
Наиболее близким по сути к изобретению является способ контроля величины остаточных напряжений в структуре пленка-подложка, включающий формирование между пленкой и подложкой промежуточного слоя заданной толщины, вскрытие в пленке методом фотолитографии окон в виде круга, отделение полоски пленки по краю окон на ширину 5-100 мкм путем селективного травления промежуточного слоя, определение относительного удлинения пленки по интерференционной картине в зазоре пленка-подложка и расчет остаточных напряжений σ по формуле
Figure 00000001
,
где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, Lo - длина исходной балки, μƒ - коэффициент Пуассона покрытия, Еƒ - модуль Юнга покрытия [2].
Длину свободного конца балки L определяют по формуле
Figure 00000002
,
где L1 - расстояние от точки отсчета до первой линии интерференции; i - номер линии; n - количество линий интерференции; (Li-Li-1) - расстояние между двумя линиями интерференции с номерами i и (i-1); λ - длина волны света, в котором наблюдалась интерференционная картина (для зеленого λ=0,54 (мкм)) [3].
Учитывая, что каждое измерение размера переменной вносит некоторую погрешность в расчет механических напряжений, необходимо минимизировать число измерений. Кроме того, с уменьшением рассматриваемой области увеличивается точность измерений. Как известно, изображение, анализируемое исследователем, представляет собой матрицу 1000×1000 (пкс). Погрешность оператора составляет 1 (пкс). Количество измерений не менее трех: измерение Lo длины исходной балки, измерение L1 расстояния от точки отсчета до первой линии интерференции, измерение L2 расстояния от точки отсчета до второй линии интерференции. Количество линий интерференции более двух.
Проведем оценку величины L1 и L2. Например, для L 70 (мкм) в случае минимального количества измерений, то есть две линии интерференции: значение L2 будет составлять около 70 (мкм), а значением L1 можно пренебречь. Погрешность будет составлять 1 (пкс), то есть около 70 (нм).
В процессе расчета механических напряжений количество переменных можно описать зависимостью (n+1). Минимальное количество переменных - 3 (при n=2, то есть две линии интерференции). Очевидно, что с увеличением количества линий интерференции (n=3; 4; 5…) количество переменных будет возрастать, а значит погрешность увеличится.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет измерения зазора с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) между краем балки и периферией пленки-покрытия до и после травления промежуточного слоя.
Поставленная задача решается тем, что измеряют механические напряжения в МЭМС структурах, включающих формирование между пленкой-покрытием и основой промежуточного слоя, промежуточный слой может иметь произвольную толщину, измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия посредством РЭМ и рассчитывают механические напряжения σ на рабочих пластинах по формуле
Figure 00000003
,
где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, d0 - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя, d - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия после травления промежуточного слоя, Eƒ - модуль Юнга покрытия, μƒ - коэффициент Пуассона покрытия.
Количество измерений переменных в заявляемом способе не меняется и составляет три, а именно измерение L длины свободной балки, измерение d зазора между краем балки и областью периферии пленки-покрытия после травления промежуточного слоя, измерение d0 зазора между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя. Следовательно, точность измерения в заявляемом способе возрастет по сравнению с прототипом за исключением случая, когда анализируемая картина будет иметь две линии интерференции.
Кроме того, можно сформировать зазор между краем исследуемой структуры и периферией пленки-покрытия, в m раз меньший по величине, чем длина исследуемой структуры, значит точность измерений увеличится в m раз.
Контроль относительного удлинения пленки по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия осуществляется посредством РЭМ на рабочих пластинах. Не требуется изготовление шаблонов. Промежуточный слой может иметь произвольную толщину. Измеряемый материал покрытия и промежуточный слой не ограничиваются оксидом кремния.
На фиг. 1 и на фиг. 2 представлен макет балочной структуры с контролируемыми параметрами, где L0 - длина исходной балки, d0 - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя, 1 - пленка-покрытие, 2 - промежуточный слой, 3 - балка, 4 - основа.
Пример конкретного применения. С помощью заявляемого способа проведены исследования и определены величины остаточных напряжений в МЭМС структурах на примере Si (основа) - SiO2 (промежуточный слой) - Si3N4 (пленка-покрытие, исследуемый материал). При величине зазора между краем балки и периферией 5 (мкм), погрешность ΔL составит 5 (нм). Так как величина балки составляет 70 (мкм), то по сравнению с прототипом повышается точность измерений в 12 раз. Истинное значение σ рассчитано по формуле (3) с учетом деформации балки на величину 0.6 (мкм) и составляет 1.641 (ГПа).
Таким образом, заявляемый способ контроля механических напряжений в МЭМС по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения механических напряжений.
Источники информации
1. Патент СССР 1442012.
2. Патент РФ 2345337 – прототип.
3. В.А. Зеленин. Контроль остаточных напряжений в структурах Si-Si02. Доклады БГУИР, №8 (70), 2012.

Claims (3)

  1. Способ измерения механических напряжений в МЭМС структурах, включающий формирование между пленкой-покрытием и основой промежуточного слоя, отличающийся тем, что промежуточный слой может иметь произвольную толщину, измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия посредством растрового электронного микроскопа и рассчитывают механические напряжения на рабочих пластинах по формуле
  2. Figure 00000004
    ,
  3. где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, d0 - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя, d - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия после травления промежуточного слоя,
    Figure 00000005
    - модуль Юнга покрытия,
    Figure 00000006
    - коэффициент Пуассона покрытия.
RU2016138367A 2016-09-28 2016-09-28 Способ измерения механических напряжений в мэмс-структурах RU2624611C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016138367A RU2624611C1 (ru) 2016-09-28 2016-09-28 Способ измерения механических напряжений в мэмс-структурах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016138367A RU2624611C1 (ru) 2016-09-28 2016-09-28 Способ измерения механических напряжений в мэмс-структурах

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624611C1 true RU2624611C1 (ru) 2017-07-04

Family

ID=59312699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016138367A RU2624611C1 (ru) 2016-09-28 2016-09-28 Способ измерения механических напряжений в мэмс-структурах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624611C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2670240C1 (ru) * 2017-10-06 2018-10-19 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Способ измерения механических напряжений в мэмс структурах

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0351729A (ja) * 1989-07-19 1991-03-06 Nec Corp 内部応力測定装置
SU1442012A1 (ru) * 1985-05-27 1995-08-09 В.И. Прохоров Способ определения внутренних механических напряжений в тонких пленках
JP3051729B1 (ja) * 1998-12-11 2000-06-12 日本放送協会 複数のトランスポートストリームの多重化装置および分離装置
RU2345337C2 (ru) * 2005-12-01 2009-01-27 Производственное республиканское унитарное предприятие "Завод полупроводниковых приборов" СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КРЕМНИЕВОЙ СТРУКТУРЕ ПЛЕНКА SiO2 - ПОДЛОЖКА Si
US7930113B1 (en) * 2007-04-17 2011-04-19 California Institute Of Technology Measuring stresses in multi-layer thin film systems with variable film thickness

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1442012A1 (ru) * 1985-05-27 1995-08-09 В.И. Прохоров Способ определения внутренних механических напряжений в тонких пленках
JPH0351729A (ja) * 1989-07-19 1991-03-06 Nec Corp 内部応力測定装置
JP3051729B1 (ja) * 1998-12-11 2000-06-12 日本放送協会 複数のトランスポートストリームの多重化装置および分離装置
RU2345337C2 (ru) * 2005-12-01 2009-01-27 Производственное республиканское унитарное предприятие "Завод полупроводниковых приборов" СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КРЕМНИЕВОЙ СТРУКТУРЕ ПЛЕНКА SiO2 - ПОДЛОЖКА Si
US7930113B1 (en) * 2007-04-17 2011-04-19 California Institute Of Technology Measuring stresses in multi-layer thin film systems with variable film thickness

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Асташенкова О.Н., Физико-технологические основы управления механическими напряжениями в тонкопленочных композициях микромеханики, Авторефрат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 2015. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2670240C1 (ru) * 2017-10-06 2018-10-19 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Способ измерения механических напряжений в мэмс структурах

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Joo et al. Method for measuring nanoscale local strain in a dual phase steel using digital image correlation with nanodot patterns
US20140013854A1 (en) Apparatus and method for in situ testing of microscale and nanoscale samples
JP2009526972A (ja) 内部応力を作動させる、マイクロサイズおよびナノサイズの材料サンプルの物理的特性の試験用のマイクロマシンおよびナノマシン
Ding et al. Specimen size effect on mechanical properties of polysilicon microcantilever beams measured by deflection using a nanoindenter
JP4640811B2 (ja) 応力測定方法及び装置
DE102007052610A1 (de) Nanosondenspitze für fortschrittliche Rastersondenmikroskopie mit einem Schichtsondenmaterial, das durch Lithographie und/oder durch lonenstrahltechniken strukturiert ist
Dubois et al. Design and fabrication of crack-junctions
KR20150105239A (ko) 마이크로 제조된 균열 테스트 구조체에 대한 시스템 및 방법
RU2624611C1 (ru) Способ измерения механических напряжений в мэмс-структурах
JP2008175725A (ja) 薄膜状材料のポアソン比測定方法とそのための測定装置
US5684301A (en) Monocrystalline test structures, and use for calibrating instruments
CN112129347A (zh) 一种用于微制造的多层薄膜残余应力和杨氏模量在线测试结构及在线提取方法
Boe et al. Internal stress relaxation based method for elastic stiffness characterization of very thin films
Han et al. Mechanical properties of Au thin film for application in MEMS/NENS using microtensile test
RU2670240C1 (ru) Способ измерения механических напряжений в мэмс структурах
Ben-David et al. A new methodology for uniaxial tensile testing of free-standing thin films at high strain-rates
Tanner et al. Resonant frequency method for monitoring MEMS fabrication
Zhou et al. The evaluation of Young's modulus and residual stress of copper films by microbridge testing
KR20040046696A (ko) 반도체 소자의 응력 측정방법
Kregting et al. Local stress analysis on semiconductor devices by combined experimental–numerical procedure
Shikida et al. Mechanical strengthening of Si cantilever by chemical KOH etching and its surface analysis by TEM and AFM
Kurhekar et al. Geometrical parameters measurement of surface functionalized micromachined micro-cantilever using optical method
Van Look et al. High throughput grating qualification of directed self-assembly patterns using optical metrology
US11543376B2 (en) Method for manufacturing sample for thin film property measurement and analysis, and sample manufactured thereby
US20110025350A1 (en) Method of measuring micro- and nano-scale properties