RU2670240C1 - Method for measuring mechanical stresses in mems structures - Google Patents
Method for measuring mechanical stresses in mems structures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2670240C1 RU2670240C1 RU2017135681A RU2017135681A RU2670240C1 RU 2670240 C1 RU2670240 C1 RU 2670240C1 RU 2017135681 A RU2017135681 A RU 2017135681A RU 2017135681 A RU2017135681 A RU 2017135681A RU 2670240 C1 RU2670240 C1 RU 2670240C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating film
- mechanical stresses
- coating
- measurement
- control
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/04—Measuring force or stress, in general by measuring elastic deformation of gauges, e.g. of springs
-
- 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
- H01L21/64—Manufacture or treatment of solid state devices other than semiconductor devices, or of parts thereof, not peculiar to a single device provided for in groups H01L31/00 - H10K99/00
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (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
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.The invention relates to electronic equipment, in particular to microelectronics, and can be used in the manufacture of crystals of integrated circuits (ICs) and discrete semiconductor devices. Residual stresses in the materials of microelectromechanical systems (MEMS) significantly affect the percent yield of suitable crystals and the reliability of the IC. In this regard, it is necessary to constantly improve methods for controlling mechanical stresses.
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].A known method for determining mechanical stresses in thin films by etching windows in the substrate and measuring the geometric dimensions of the deformed film, which is used to judge the value of mechanical stresses, characterized in that, in order to improve the accuracy and simplify the measurement process, after etching, the substrate is scribed on the front side through the structures chosen for the study so that the kink passes parallel to the freely hanging edge of the film, break off part of the plate and re-scribe it in parallel with the result in previously kink increments providing the passage through the break investigated structures, again break off of the substrate and a structure at an angle α to the axis of the electron microscope [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.The disadvantage of this method is the scribing operation, which introduces mechanical stresses into the investigated structure. In addition, the need for fracture of the sample does not allow measurements on the working plates.
Известен 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:A known method of controlling the magnitude of residual stresses in the film-substrate structure, including the formation of an intermediate layer of a given thickness between the film and the substrate, opening circular windows in the film by photolithography, separating the film strip along the edge of the windows to a width of 5-100 μm by selective etching of the intermediate layer , the determination of the relative elongation of the film by the interference pattern in the film-substrate gap and the calculation of the residual stresses σ by the formula:
где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, Lo - длина исходной балки, μƒ - коэффициент Пуассона покрытия, Eƒ - модуль Юнга покрытия [2].where L is the length of the free end of the beam after elongation / compression, L o is the length of the original beam, μ ƒ is the coating Poisson's ratio, E ƒ is the Young's modulus of the coating [2].
Длину свободного конца балки L определяют по формуле:The length of the free end of the beam L is determined by the formula:
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].where L 1 is the distance from the reference point to the first line of interference; i is the line number; n is the number of interference lines; (L i -L i-1 ) - the distance between two interference lines with numbers i and (i-1); λ is the wavelength of light in which the interference pattern was observed (for green, λ = 0.54 (μm)) [3].
Учитывая, что каждое измерение размера переменной вносит некоторую погрешность в расчет механических напряжений, то 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.Given that each measurement of the size of the variable introduces some error in the calculation of mechanical stresses, it is necessary to minimize the number of measurements. In addition, with a decrease in the considered area, the accuracy of measurements increases. As you know, the image analyzed by the researcher is a matrix 1000 × 1000 (pixels). The operator error is 1 (pc). The number of measurements is not less than three: measurement L o of the length of the initial beam, measurement L 1 of the distance from the reference point to the first interference line, measurement L 2 of the distance from the reference point to the second interference line. The number of interference lines is more than two.
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).Let us estimate the values of L 1 and L 2 . For example, for L 70 (μm) in the case of the minimum number of measurements, that is, two interference lines: the value of L 2 will be about 70 (μm), and the value of L 1 can be neglected. The error will be 1 (pc), i.e. about 70 (nm).
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.In the process of calculating mechanical stresses, the number of variables can be described by the dependence (n + 1). The minimum number of variables is 3 (for n = 2, that is, two lines of interference). Obviously, with an increase in the number of interference lines (n = 3; 4; 5 ...), the number of variables will increase, which means that the error will increase.
Наиболее близким по сути к изобретению, является способ измерения механических напряжений в МЭМС структурах, включающий формирование между пленкой-покрытием и основой промежуточного слоя, причем 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:The closest to the invention in fact is a method of measuring mechanical stresses in MEMS structures, comprising forming between the coating film and the base of the intermediate layer, the intermediate layer may have an arbitrary thickness, measure the elongation of the coating film by changing the gap between the edge of the beam and the periphery coating films by means of a scanning electron microscope and calculate the mechanical stresses on the working plates according to the formula:
где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, do - 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 [4].where L is the length of the free end of the beam after elongation / compression, d o is the gap between the edge of the beam and the periphery of the coating film before etching of the intermediate layer, d is the gap between the edge of the beam and the region of the periphery of the coating film after etching of the intermediate layer, E ƒ - Young's modulus of the coating, μ ƒ - Poisson's ratio of the coating [4].
К недостаткам прототипа можно отнести формирование промежуточного слоя между пленкой-покрытием и основой. Это вносит дополнительную операцию в технологический маршрут. Также, сужает диапазон применения способа, так как некоторые структуры (готовые изделия или в процессе формирования) состоят только из основы и пленки-покрытия.The disadvantages of the prototype include the formation of an intermediate layer between the film-coating and the base. This adds an extra step to the process route. Also, narrows the range of application of the method, since some structures (finished products or in the process of formation) consist only of a base and a coating film.
Кроме того, в процессе освобождения напряжений в исследуемом фрагменте пленки-покрытия возникает подтрав в области периферии. Вследствие этого сдвигается граница периферийной области, что увеличивает погрешность измерений.In addition, during the release of stresses in the studied fragment of the film-coating occurs ghosting in the periphery. As a result, the boundary of the peripheral region shifts, which increases the measurement error.
Также возможно проводить измерения с использованием различных типов микроскопов (не только растрового электронного микроскопа). Микроскоп применяют с целью измерения расстояния. Не обязательно использовать физический принцип, на котором работает растровый электронный микроскоп.It is also possible to carry out measurements using various types of microscopes (not just a scanning electron microscope). A microscope is used to measure distance. It is not necessary to use the physical principle on which a scanning electron microscope works.
Можно проводить измерения не только на рабочих, но и на тестовых пластинах.It is possible to carry out measurements not only on workers, but also on test plates.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности контрольных измерений, обеспечение возможности работы с тестовыми и рабочими пластинами.The objective of the present invention is to improve the accuracy of control measurements, providing the ability to work with test and working plates.
Поставленная задача решается тем, что измеряют механические напряжения в МЭМС структурах, включающие формирование пленки-покрытия на основе, причем измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краями балок пленки-покрытия посредством микроскопа и рассчитывают механические напряжения на пластинах по формуле:The problem is solved by measuring the mechanical stresses in MEMS structures, including the formation of the coating film on the basis of measuring the relative elongation of the coating film by changing the gap between the edges of the beams of the coating film by means of a microscope and calculating the mechanical stresses on the plates by the formula:
где L - длина свободного конца балки после травления фрагмента основы, bo - зазор между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы, b - зазор между краями балок пленки-покрытия после травления фрагмента основы, Eƒ - модуль Юнга покрытия, μf - коэффициент Пуассона покрытия.where L is the length of the free end of the beam after etching the base fragment, b o is the gap between the edges of the beams of the coating film before etching the base fragment, b is the gap between the edges of the beams of the film coating after etching the base fragment, E ƒ is the Young's modulus of the coating, μ f - Poisson's ratio of the coating.
Возможность измерения без использования промежуточного слоя расширяет диапазон применения способа. В процессе формирования МЭМС структур часто используется набор материалов из нескольких пленок. Таким образом, исследуя каждую пленку в отдельности, можно получить более точные значения механических свойств используемых материалов.The ability to measure without using an intermediate layer extends the range of application of the method. In the process of forming MEMS structures, a set of materials from several films is often used. Thus, by examining each film individually, it is possible to obtain more accurate values of the mechanical properties of the materials used.
Количество измерений переменных в заявляемом способе по сравнению с прототипом не меняется и составляет три, а именно: измерение L длины тестируемой балки после травления фрагмента основы, измерение b зазора между краями балок пленки-покрытия после травления фрагмента основы, измерение b0 зазора между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы. Однако, формируя одновременно две балки разной длины можно проверить результаты измерения механических напряжений, не проводя дополнительных технологических операций по формированию второй (контрольной) балки из пленки-покрытия. Для контрольной балки значения переменных b и bo совпадают со значениями этих переменных для первой (тестируемой) балки. Таким образом, для измерений механических напряжений в двух структурах из пленки-покрытия, будет использоваться четыре переменные (b, bo, L, L** - длина контрольной балки после травления фрагмента основы) вместо шести. В результате, сокращается количество измерений переменных на 2⋅m, где m - количество контрольных балок, значит, повышается точность контрольных измерений.The number of measurements of variables in the proposed method does not change compared to the prototype and is three, namely: measurement L of the length of the test beam after etching of the base fragment, measurement of the gap b between the edges of the coating film after etching of the base fragment, measurement of b 0 of the gap between the edges of the beams coating films before etching a base fragment. However, by simultaneously forming two beams of different lengths, one can check the results of measuring mechanical stresses without performing additional technological operations to form a second (control) beam from the coating film. For the control beam, the values of the variables b and b o coincide with the values of these variables for the first (tested) beam. Thus, to measure mechanical stresses in two structures from the film-coating, four variables will be used (b, b o , L, L ** - the length of the control beam after etching of the base fragment) instead of six. As a result, the number of measurements of variables is reduced by 2⋅m, where m is the number of control beams, which means that the accuracy of control measurements increases.
На примере растрового электронного микроскопа можно оценить погрешность, вносимую дополнительным измерением переменных. На мониторе изображение состоит из 1000 пкс. Погрешность, вносимая оператором, то есть за счет человеческого фактора, составляет не менее 1 пкс. Следовательно, погрешность контрольного измерения можно выразить как 
Если размер образцов находится в миллиметровом и более диапазоне, то возникают сложности с получением изображения исследуемой области структуры целиком в растровом электронном микроскопе. Поэтому, в некоторых случаях микроскопы с меньшим увеличением (по сравнению с растровым электронным) лучше подойдут для измерения механических напряжений.If the size of the samples is in the millimeter or more range, it is difficult to obtain an image of the studied region of the structure as a whole in a scanning electron microscope. Therefore, in some cases, microscopes with a lower magnification (compared with scanning electron microscopes) are better suited for measuring mechanical stresses.
На фиг. 1 и на фиг. 2 представлен макет балочной структуры с контролируемыми параметрами, где: L0 - длина тестируемой балки до травления фрагмента основы, L* - длина контрольной балки до травления фрагмента основы, b0 - зазор между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы, 1 - пленка-покрытие, 2 - тестируемая балка, 3 - основа, 4 - контрольная балка.In FIG. 1 and in FIG. Figure 2 shows a model of the beam structure with controlled parameters, where: L 0 is the length of the test beam before etching the base fragment, L * is the length of the control beam before etching the base fragment, b 0 is the gap between the edges of the beams of the film-coating before etching the base fragment, 1 - film-coating, 2 - test beam, 3 - base, 4 - control beam.
Пример конкретного применения. С помощью заявляемого способа проведены исследования и определены величины остаточных напряжений σ в МЭМС структурах на примере Si (основа) - плазмохимический SiO2 (пленка-покрытие, исследуемый материал). С использованием микроскопа было определено, что величина зазора bo между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы 10.4 мкм, значение b зазора между краями балок пленки-покрытия после травления фрагмента основы 10.1 мкм, L длина свободного конца балки после травления фрагмента основы 75 мкм. С учетом значения упругих постоянных пленки-покрытия из оксида кремния (Eƒ/(1-μƒ)) 87.5 ГПа, значение механических напряжений σ составляет -350 (МПа).An example of a specific application. Using the proposed method, studies were conducted and the values of residual stresses σ were determined in MEMS structures using the example of Si (base) —plasma-chemical SiO 2 (film-coating, test material). Using a microscope, it was determined that the gap value b o between the edges of the coating film beams before etching a base fragment is 10.4 μm, the gap value b between the edges of the coating film beams after etching a base fragment 10.1 μm, L the length of the free end of the beam after etching a base fragment 75 microns. Taking into account the value of the elastic constants of the film-coating of silicon oxide (E ƒ / (1-μ ƒ )) 87.5 GPa, the value of mechanical stresses σ is -350 (MPa).
Проведение контрольных измерений посредством отдельного формирования контрольной балки вносит следующую погрешность. Изображение на мониторе оператора растрового электронного микроскопа состоит из 1000 пкс. Погрешность, вносимая оператором, не менее 1 пкс. Значит, при измерении величины зазора bo погрешность составит 10.4 нм, при измерении величины зазора b погрешность составит 10.1 нм. Таким образом, при отдельном формирования контрольной балки длиной 75 мкм, абсолютная погрешность контрольного измерения составит 23.9 (МПа), относительная погрешность контрольного измерения 6.8%.Carrying out control measurements through a separate formation of the control beam introduces the following error. The image on the monitor of the operator of a scanning electron microscope consists of 1000 pixels. The error introduced by the operator is at least 1 pc. So, when measuring the value of the gap b o the error will be 10.4 nm, when measuring the size of the gap b, the error will be 10.1 nm. Thus, with the separate formation of a control beam 75 μm long, the absolute error of the control measurement will be 23.9 (MPa), the relative error of the control measurement of 6.8%.
Таким образом, заявляемый способ контроля механических напряжений в МЭМС по сравнению с прототипом позволяет повысить точность контрольных измерений, расширение диапазона применения способа, в результате обеспечивается возможность работы с тестовыми и рабочими пластинами, расширить перечень инструментов для измерения.Thus, the inventive method of controlling mechanical stresses in MEMS in comparison with the prototype allows to increase the accuracy of control measurements, expanding the range of application of the method, as a result, it is possible to work with test and working plates, expand the list of measurement tools.
Источники информации:Information sources:
1. Патент СССР 1442012.1. USSR patent 1442012.
2. Патент РФ 2345337.2. RF patent 2345337.
3. В.А. Зеленин. Контроль остаточных напряжений в структурах Si-SiO2. Доклады БГУИР, №8(70), 2012.3. V.A. Zelenin. Residual stress control in Si-SiO 2 structures. Reports of BSUIR, No. 8 (70), 2012.
4. Патент РФ 2624611 - прототип.4. RF patent 2624611 - prototype.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017135681A RU2670240C1 (en) | 2017-10-06 | 2017-10-06 | Method for measuring mechanical stresses in mems structures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017135681A RU2670240C1 (en) | 2017-10-06 | 2017-10-06 | Method for measuring mechanical stresses in mems structures |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2670240C1 true RU2670240C1 (en) | 2018-10-19 |
Family
ID=63862506
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017135681A RU2670240C1 (en) | 2017-10-06 | 2017-10-06 | Method for measuring mechanical stresses in mems structures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2670240C1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2345337C2 (en) * | 2005-12-01 | 2009-01-27 | Производственное республиканское унитарное предприятие "Завод полупроводниковых приборов" | METHOD OF CONTROL OF MECHANICAL VOLTAGES IN SILICON STRUCTURE FILM SiO2 - SUBSTRATE Si |
| RU2624611C1 (en) * | 2016-09-28 | 2017-07-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Method for measuring mechanical stresses in mems-based structures |
-
2017
- 2017-10-06 RU RU2017135681A patent/RU2670240C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2345337C2 (en) * | 2005-12-01 | 2009-01-27 | Производственное республиканское унитарное предприятие "Завод полупроводниковых приборов" | METHOD OF CONTROL OF MECHANICAL VOLTAGES IN SILICON STRUCTURE FILM SiO2 - SUBSTRATE Si |
| RU2624611C1 (en) * | 2016-09-28 | 2017-07-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Method for measuring mechanical stresses in mems-based structures |
Non-Patent Citations (2)
| 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. * |
| В.А. Зеленин. Контроль остаточных напряжений в структурах Si-SiO2. Доклады БГУИР, N8(70), 2012. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9019512B2 (en) | Apparatus and method for in situ testing of microscale and nanoscale samples | |
| Song et al. | Residual stress measurement in thin films at sub-micron scale using Focused Ion Beam milling and imaging | |
| TW202305329A (en) | System for use in measuring characteristics of patterned structures | |
| JP2015504170A (en) | Method for measuring the Poisson's ratio and residual stress of materials | |
| Gaither et al. | Etching process effects on surface structure, fracture strength, and reliability of single-crystal silicon theta-like specimens | |
| Ding et al. | Specimen size effect on mechanical properties of polysilicon microcantilever beams measured by deflection using a nanoindenter | |
| Banks‐Sills et al. | A Methodology for Accurately Measuring Mechanical Properties on the Micro‐Scale | |
| Sabaté et al. | FIB-based technique for stress characterization on thin films for reliability purposes | |
| RU2670240C1 (en) | Method for measuring mechanical stresses in mems structures | |
| RU2624611C1 (en) | Method for measuring mechanical stresses in mems-based structures | |
| Han et al. | Mechanical properties of Au thin film for application in MEMS/NENS using microtensile test | |
| Ozaki et al. | Biaxial flexure testing of free-standing thin film membrane with nanoindentation system | |
| Roland et al. | Digital image correlation of metal nanofilms on SU-8 for flexible electronics and MEMS | |
| Tanner et al. | Resonant frequency method for monitoring MEMS fabrication | |
| Cuddalorepatta et al. | Measurement of the stress-strain behavior of freestanding ultra-thin films | |
| Kregting et al. | Local stress analysis on semiconductor devices by combined experimental–numerical procedure | |
| Brueckner et al. | Investigating fracture strength of poly-silicon membranes using microscopic loading tests and numerical simulation | |
| US20150012230A1 (en) | Method of measuring micro- and nano-scale properties | |
| de Boer et al. | Integrated platform for testing MEMS mechanical properties at the wafer scale by the IMaP methodology | |
| Son et al. | Evaluation of fracture properties of silicon by combining resonance frequency and microtensile methods | |
| Hossain et al. | Characterization of the Young's modulus of CMOS thin films | |
| WO2015128866A1 (en) | Method and system for planning metrology measurements | |
| Li et al. | A measuring system for mechanical characterization of thin films based on a compact in situ micro-tensile tester and SEM moire method | |
| Liu et al. | Deformation analysis in microstructures and micro-devices | |
| KR20040046696A (en) | Method for measuring stress of semiconductor device |