TW457366B - Method and apparatus for measuring the Young's modulus of thin film - Google Patents

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4 5 7 3 6 6 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 本發明係提供一種量測薄膜之揚氏係數的方法與其裝 置，特別是指一種利用靜電力來量測薄膜之揚氏係數的方 法與其裝置； 隨著技術的提昇及學界、業界的共同努力，結合電子 、半導體、技術與機械等技術的新領域_微機電（MicroElectro Mechanical Systems, MEMS)，在近年來在許多方 面有長足的進步，例如在微感測器、微致動器等等，而這 些元件往往利用CMOS製程來製作使得成品的體積微小化、 成本降低與供整合於晶片上。一般半導體瘢可提供設計者 CMOS薄膜之電性參數，如電阻或電容值，而無薄膜 層的材料機械性質之量測值，可提供設計者參考。但在設 計此類微機械元件往往需要揚氏係數來作重要的參考參數 ，而即使為相同材料下，其致密度在微觀（例如：薄膜）情 況下係不同於巨觀情況，使楊氏係數隨之改變，而使得無 法應用現有在材料為巨觀時所量測出的揚氏係數，且即使 同為微觀時，相同材料於不同製程條件（如電鍍、沉積、 濺鍍·.等等）下，其機械性質不同、原子的鍵結不同，所 以楊氏係數亦有所不同。但對設計者來說，有正確的材料 揚氏係數，才能設計分析出正確的結構尺寸，達到元件所 需的功能，所以楊氏係數為極重要的參數。 薄膜的機械性質，與薄膜内部的微構造（例如晶粒的大 小、密度和排列方向等等）有著密切的關係。而薄膜内部微 結構的組成，又與薄臈之沉積（Deposition)條件（如壓力、 溫度、.時間等等）使薄膜的機械性質產生差異，❿目前仍然 _____第4頁 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規1^ χ 297公謹） 10 15 20 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) I ----*-!1 訂-！ ----線 f A7 A7 15 B7 五、發明說明（2 ) 無法了解薄膜之沉積條件與薄膜内部長晶機制之關係，所 以無法直接由薄膜的沉積條件得到薄膜的揚氏係數。因而 ’利用方法來直接量測薄膜之楊氏係數。 習用的量測方法中最常被採用的方法係以微壓針 5 (Nan〇indentati〇n)壓於軟性薄膜上，觀測壓針在薄膜上的 壓入深度，以计异出薄膜的揚氏係數，而此種習用方法僅 適於量測軟性薄膜’較不適合於量測硬性薄膜。 而關於硬性薄膜的量測，習用的—種方法係製作微梁 結構，再利用薄膜測厚儀（Pr0f i ler)的探針施加力量於梁 1〇上’由微梁的受力和變形的關係，求得薄膜的揚氏係數， 然而此種方法之缺點在於施加力量的精度與探針對梁的施 力點不易掌控。而另一種習用量測硬薄膜之方法，係施壓 力於微薄板或微薄膜（Membrane)上，再利用光學儀器量測 微薄板或膜的變形’由板或膜的受力和變形的關係，求得 k氏係數’而此種方法需要有較昂貴的光學量測設備。而 又有另一種習用量測方法係將薄膜製作成微梁結構，施加 動態外力，使梁達到共振現象，由梁的共振頻率求出薄膜 的揚氏係數，然而此方法存在著梁結構的動態行為之量測 比靜態行為之量測更不易掌控的問題β 有鑑於習用量測硬薄臈之方法，大多需利用特殊儀器 設備來施加外力或量測變形，造成量測不易且成本高，本 案發明人思及若能在不需特殊儀器下以靜電力驅使微結構 變形，將可達到量測容易與成本低之功效，是以，本案發 明人累積多年從事該行業之經驗，積極從事研究，終有本 ί — ί 裝 ------— I 訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 杜 印 製 20

457366 10 15 20 A7 五、發明說明（3 ) 發明『量測薄膜之楊氏係數的方法及其裝置』之產生。 本發明之一目的係提供一種量測薄膜之揚氏係數的方 法，以利用靜電力驅使微結構變形’進而由該靜電力與變 形結果來得到揚氏係數，使達量測容易與成本低的效果。 5 本發明之另一目的係提供一種量測薄膜之楊氏係數的 方法，以在微結構靜態下量測受力與變形關係，以達量測 容易之效果。 本發明之再一目的係提供一種量測薄膜之楊氏係數的 裝置，其具有在基體上的一第一電極及懸浮地位於第一電 極上之一第二電極與一梁結構之薄獏，而第二電極可受靜 電力吸引而接近第一電極進而帶動薄膜變形，以達到易於 量測之功效。 本發明之又-目的係提供一種量測薄膜之揚氏係數的 方法，係可利用⑽S標準製程之前製程形成兩電極與薄膜 以及簡單的後製程來使-電極與薄膜懸浮，進而 測的精確度高與可靠度佳的效果。 ，為達到上述之目的，本發明之量測薄膜之楊氏係數的 方法’係利用一微結構來量測楊氏係數，此微結構係以半 導體製程來製作而其包含一半絕緣材料之基體、一形成於 基體上的第-電極、分別位於該第一電極之至少兩側外且 固定於該基體上的固定端、一懸浮地位於該第一電極上方 的第二電極及-橋接該等固定端與第二電極之懸浮薄琪層 ’其中該懸浮薄闕係包含欲量測揚氏係數材料之薄膜， 而該方法係包含以下步驟. 苐6頁

i裝----.----訂---------線1' <請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) A7 A7 ΙΟ 20 B7 發明說明（4 ) a. 施加不同電壓值於該第—電極與該第二電極上，致 使該第二電極受靜電力吸引而接近該第一電極，以施加外 力帶動該懸浮薄膜層位移變形；及 b. 由外力與該懸浮薄膜層之變形量’以求出該懸浮薄 膜層之揚氏係數。 而實現上述本發明之一種量測薄膜之揚氏係數的裝置 ，係包括-微結構與一直流電壓源；其中:該微結構係形成 於一基體上，該微結構包括一位於該基體上的第一電極、 分別位於該第-電極之至少兩側外的固定U浮地位 於該第一電極上的第二電極及一橋接該等固定端與該第二 電極之懸浮薄膜層，其中該懸浮薄膜層係包含欲量測揚氏 係數薄膜；及該直流電壓源之一端係電性連接至該第一電 極與另-端係電性連接至該第二電極；藉此，當該直流電 壓源供給電壓時’該第一電極與該第二電極間具有一電壓 差而產生靜電力，以吸引該第一電極向該第二電極接近而 施加外力使該懸浮薄膜層變形，丨而可由該外力與變形量 來求出該懸浮薄膜層之楊氏係數。 有關本發明為達上述目的、特徵所採用的技術手段及 其功效，雄例舉較佳實施例並配合圖式說明如下： 第一圖係本發明第—較佳實施例之局部立體示意圖。 第二圖係本發明第一較佳實施例經前製㈣截面S1 9 第三圖係本發明第一較佳實施例的截面圖。 _第四圖係本發明之第—較佳實施例之量測中未施電壓之 示意圖。 I_______ 第7頁 本紙張尺度_ t關家辟(CNS)A4 裝----t----訂-------!線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 457366 A7 B7 五、發明說明（5 ) 第五圖係第四圖之電路示意圖。 第六圖係本發明之第一較佳實施例之量測時施加適當電 壓之示意圖。 第七圖係第六圖之電路示意圖。 5 第八圖係本發明第二較佳實施例的截面圖。 第九圖係本發明第三較佳實施例的截面圖。 圖號對照表： 1基體 第一電極 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 3第二電極 4懸浮薄膜層41-44梁 5蝕刻口 6固定端 Ml第一金屬層 M2第二金屬層M3第三金屬層 M4第四金屬層D1第一介電層 D2第二介電層D3第三介電層 P1保護層 V直流電壓源 A電流錶 ' R電阻 請參閱第一圖，係在本發明之較佳實施例中用以量 薄膜之楊氏係數之較佳實施的一微結構立體示意圖。此微 結構係形成一半絕緣（semi-insulating)材料之基體^上， 於基體1上設有一第一電極2、一第二電極3、一懸浮薄膜 層4與四個固定端6。第一電極2係固定於基體i上的一 矩形電極板，而四個固定端6係分別位於第—電極2四側 之外並與對應側之中點相對，且各固定端6係固定於基體 1上而第一電極3係懸浮地位於第一電極2上的一矩形 第8頁 測 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂---------線- 私紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（21G x 297公爱 經濟部智慧財產局貝工消t合作社印製 A7 " --------B7_____ 五、發明說明（6 ) " 電極板’且兩電極2、3相互平行，而其中一電極2作為負 電極而另-電極3作為正電極。懸浮薄膜層4係欲量測楊 氏係數之材料的薄膜所形成，而懸浮薄膜層4係可包含-層乂上的薄膜，且諸薄膜可為相同或不相同材料所構成， 5懸浮薄膜層4係橋接該等固定端6與第二電極3之中點之 四根相同的梁41-44，這些梁41-44之一端係與固定端6連 ^ 接而另一端係連接至第二電極3對應的中點，以懸浮地設 置基體1上，藉此，第二電極3並可由四根梁41—44支樓 住’而成為可動的懸浮微結構。此外，在本實施例中的諸 10固疋舳6係設置成梳狀結構並由多層金屬（例如：紹）層所 構成，基體1係一石夕基體（Silicon substrate)，諸梁41-44 係由金屬所形成，在此諸梁41 -44係由兩鋁金屬層所構成 ’與第一與第二電極2、3亦包含至少一金屬層。 值得注意的是’雖然在本實施例中設有四個固定端6 15與懸浮薄膜層4之四根梁41-44以對應設置於矩形電極2 -、3之四侧，以穩定支撐第二電極3，然而實際上，在可支 樓第二電極3懸浮的情況下，固定端6與懸浮薄膜層4之 數目、形狀、與設置位置等等條件可依實際需要而調.整， ’並不應受限於本實施例為了說明目的所列舉之内容。 20 由於近年來台灣的半導體廠製作技術精良且價格較為 便宜’所以若能將本實施例之裝置交予半導體廠製作，將 可具有製造方便、精準度高與成本低，但由於半導體廠僅 提供CMOS標準製程例如1P4M或1P3M，因此為了使第二電 極3與懸浮薄膜層4能懸浮仍需後製程加工，所以在此， 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 丨—丨 1 — ！_裝'---Γ ---訂---------線 (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 457366 A7 B7 五、發明說明（7 ) 根據1P4M的CMOS標準製程來設計本實施例之微結構之結 構，而將製作本實施例之流程分為利用CM〇s標準製程的前 製程與加工處理的後製程β (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 而如第二圖的本實施例之基礎結構可利用佈局、薄膜 5沉積之CMOS標準製程來形成，此基礎結構係指第二電極3 與懸浮薄膜層4未懸浮仍固定於基體1上的情況。在本實 施例中係利用1P4M的CMOS標準製程來進行佈局，所以總 共有四層金屬M1-M4與分別位於金屬層間的三層介電層 m-D3可供利用。首先在基體丨上對應第一電極2與諸固 1〇定端6的位置沉積第一金屬層M1，接著再沉積第一介電層 D1，在此以第一金屬層Ml作為第一電極2，而以第一介電 層D1作為犧牲層（容後再述）；其後，於第一介電層Μ上 對應第二電極3、第41-44與固定端6之位置沉積第二金 屬層M2與第三金屬層M3,並於第二金屬層m2與第三金屬 15層之間亦沉積一第二介電層D2，此第二介電層D2係充 填未佈局金屬層的位置，而位於第二電極3位置之第二金 屬層M2上方的介電層D2係被第三金屬層M3所包覆，所以 第三金屬層M3亦電性接觸至第二金屬層M2，但位於第二 電極3位置之第二金屬層M2與第一金屬層M1之間夹置第 20 一介電層D1(指犧牲層）’藉此兩金屬層Ml、M2間隔相對 ，而對應諸粱4卜44之位置的第三金屬層M3係直接與第二 金屬層M2接觸，而諸固定端6的金屬層M1_M3亦彼此直接 接觸；而後，在對應第二電極3與未佈局金屬的位置沉積 第二介電層D3，其後對應第二電極3與諸固定端6之位置 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） A7 B7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 h 杜 印 製 五、發明說明（8 ) ’儿積第四金属層M4，同樣地，位於第二電極3之位置的第 四金屬層M4係包覆第三介電層D3而與第三金屬層M3電性 接觸，而後於第二電極3與諸固定端45上沉積一保護層 (PassivatiorOPb此外，諸介電層係由絕緣材料所 5構成’在此諸介電層之材料係二氧化矽（si 1 icon oxide，Si02)，諸金屬層M1-M4之材料係鋁（Al)，保護層pi 之材料係氮化矽（Silicon nitride，Si3N4)。藉此，第二電 極3係由第二金屬層m2、第二介電層D2、第三金屬層M3 、第二介電層D3與第四金屬層M4與保護層P1所構成，諸 粱41-44係由第二金屬層M2與第三金屬層M3所構成，與 諸固定端6係由第一金屬層[、第二金屬層μ〗、第三金屬 層M3、第四金屬層M4與保護層P1所形成。值得注意的是 ’雖然在本實施例中’第二電極3、諸梁41_44及諸固定 端6係以上述多層結構來形成，以配合lp4M的CM〇s標準 氩程，然而實際上各元件2、3、41 -44、β所包含之層結構 可依需要調整’並不應受限於本實施例中為說明之目的而 列舉之結構。 經刚製程後形成如第二圖之本實施例之基礎結構，僅 需再使第二電極3與諸梁41-44懸浮即可完成本實施例的 裝置之結構，所以在後製程中主要進行蝕刻犧牲層Μ以使 第二電極3懸浮地位於第一電極2上，與諸梁41-44懸浮 地位於基體1上。所以在後製程中，首先，製作—光罩， 對削製程形成之晶片表面進行曝光顯影，以光阻保護晶片 表面上不需進行蝕刻處理部分（即指第二圖中第二電極3、 10 15 20

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經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 諸梁41-44與諸固定端6的位置，換言之，即是設有金屬 層之。卩分），僅將晶片上未設有金屬部分（即指完全由介電 層D1 D3堆叠而成的部分）作為姓刻σ 5裸露出來，以可直 接與餘刻液接觸；其後，即可由餘刻口 5開始利用敍刻方 5式以移除位於蝕刻口 5位置之第二與第三介電層D2、D3， 並移除作為犧牲層之第一介電層D1至如第三圖所顯示，如 此可使四根梁4H4與第二電極3與基體i間隔相對，以 形成懸浮結構。在本實施例中，諸介電層D1_D4皆為二氧 化矽，所以可利用濕蝕刻進行蝕刻移除介電層，並採用對 氧化夕有極鬲選擇性的99. g%的氫氟酸（Hydrof iuoric Acid HF)，而其姓刻率約i ，如此可欲移除的犧 牲層D1 #刻掉。熟習該項技藝者當知，亦可利用其他鞋刻 方式例如電漿蝕刻之乾蝕刻來進行移除犧牲層之動作，不 應受限於本實施例之内容。 15 根據上述’形成本實施例中進行量測薄膜之揚氏係數 所需的裝置’接下來針對如何利用此裝置進行量測楊氏係 數之原理與過程進行說明。請參照第四圖，第一電極2係 電性連接至-直流電壓源v的負極與第二電極3經梁41與 固定端6電性連接至直流電源v之正極（由於梁41與固定 20端45之形成材料係包含金屬故可作為導線），在直流電壓 源V之正極並電性連接一電流錶A之一端，此電流錶A之 另一端係與一電阻r連接，而電阻R之另一端接地，藉此 當直流電源V供電時，如第五圖，則直流電源v輸出電流 Ιι.會被匆成流至第二電極3 (在此兩電極2、3間相距一定 第321 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公餐)' (諳先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 裝 訂---------線i A7 B7 五、發明說明（10 ) 距離而可視為一電容’故以兩電極2、3以電容符號C代表 )的第一分支電流12與至電流錶A之第二分支電流13 ( Ιι = Ι2+Ι3)，所以在此情況下電流錶A之讀值為非0的一電 流值，在兩電極2、3具有一電壓差v而可產生靜電力F， .5 此靜電力F如下列公式1:

F ε〇Α〇( V 2 I'd ·(公式1) 10 15 經濟部智慧財產局負工消費合作杜印製 20 其中ε〇是介電係數 V是施加於兩電極的電壓 d是兩電極之間距 則第二電極3將受到此靜電力f的吸引 當電壓V逐漸增大時，第二電極3向下位移量隨之增加 最後，如第六圖，電壓V增加至一特定值％時，則第二電 極3會位移d(d為第一電極2與第二電極3之間的距離） 而與第一電極2相接合在一起，形成短路，此時，如第七 圖，電路中的電流直流電壓V輸出電流以完全流至位於 第二電極2分支，所以11 = 12與l3=Q，所以電流錶A之讀值 由某非零值轉變為〇,換言之，當電流錶A之讀值為零時 ，則可得知兩電極2'3相互接合而短路。請再參照第六圖 ’當第二電極3向下位移，亦會帶動四根梁4i—以同 時向下位移d，而在本實施例中諸梁41，之截面積、長 度、與材料均相同，故此四梁41 -44·目： 呆41 44具有相同的勁度12EI/L3 (E疋梁的揚氏係數，I是梁的慣 τ β , . 疋木'^頃f生矩，L是梁的長度）， 所以四根梁的總勁度K如下列公式2所示. 而向下位移 I--------iilflu --llll (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第13頁 以張尺度剌+關家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 45 73 6 6 A7

五、發明說明（U

K 48EL L3 _(公式2) 考慮此系統之力的平衡’可得其平衡公式 所示： 如下 列公式 W + F = Kd……(公式3) 其中W是第二電極之自重 F是施加於此系統之靜電力 K是四根梁之總勁度 d是四根梁的向下位移量 最後將公式1與公式2代入公式 到揚氏係數E如下列公式4: 中，整理後，可得 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -丨装

E

V

48M W + ε〇Α〇

IS -(公式4) 10 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 15 其中V。兩電極2、3接合短路由直流電壓v所施加的電 壓值V〆所以由公式4’可求得梁之揚氏係數，因為梁之 材質係由CMOS薄臈所構成，所以梁的楊氏係數等於是構成 梁之CMOS薄膜的楊氏係數，而在本實施例令懸浮薄臈層4 係由鋁金屬層所構成，所以可求得為鋁的薄膜層4之楊氏 係數Ei。 再者，欲量測其他材料例如二氧化矽之薄膜的揚氏係 數時，請參照第八圖，係本發明之第二較佳實施例的截面 圖，其與前述實施例不同處在於懸浮薄膜層4之諸梁41，— 44’除了包含兩金屬層M2、M3外，更包含一夾置於兩金屬 層M2、M3之間的介電層D2，換言之，本實施例之薄膜層4, 係包含兩種不同材料（鋁、二:氧化矽）所構成，而將此實 第14頁 私纸張尺度適用中國國家標準規格（2i〇 x 297公釐） ——訂i A7 A7 10 15 發明說明（I2 施例中使兩電極2、3短路時的\.代入公式4中並利用轉 換斷面積法，令nzE/E2 (Ei為A1薄膜層之楊氏係數，& 是由二氧化矽薄膜層的揚氏係數），求出n，即可獲得E2=nEi (E!已由前述實施例中求出），如此可得到二氧化化薄膜層 4’之揚氏係數E2。 此外，若欲求得為氮化矽（Si3N4)之薄膜層4”，請再參 照第九圖，其與第一實施例不同處在於薄膜層4"之諸梁 41 44之材料除了包含紹外更包含氮化石夕，所以可利用與 第二實施例中相同的方法，當測知兩電極2、3的瞬間短路 電壓，代入公式4並利用轉換斷面積法，令( & 是紹薄膜屠4之楊氏係數，e3是氮化石夕薄膜層4„之楊氏係 數）’求出m’即可獲得氮化矽薄膜層4”之揚氏係數E3=mEi 〇 綜前所述，由於在本發明中需利用薄膜層4之諸梁 41-44之構成結構需包含金屬|，以作為導線來傳送直流 電壓源V之電壓與電流，所以若欲求得的薄膜層之材料為 金屬時’則可利用第-實施例中所提及之方法來求得揚氏 係數；而若欲求得之薄臈層之材料並非金屬之材料時，首 先利用第-實施例之方法與裝置來求得材質為金屬層之薄 臈層4之介電係數，接著利用如第二實施例或第三實施例 所提及的結構，於形成薄❹4’、4„之材料除了金屬外更 包含所欲量測材料’如此可同樣利用公式4與轉換截面積 法來求得欲量測材料之薄膜的揚氏係數。 依據上述，本發明可利用於兩電極2、3上分別施加不 -------------裝----f —--訂---------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部 智 ，慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 20 _____ 第 15 頁 本紙張尺度適?"中國國家標i(CNS)Ar規格⑵〇 x 297公釐） 457366 經濟部智慧財產扃員工消費合作社印製 A7 "~~ _ B/ _______________ 五、發明說明（13 ) 同電壓值，以形成靜電力，而使第二電極3與第一電極2 相吸引而接近至接合，並帶動薄膜層4、4’、4„變形，以 由微結構受力（即總勁力K或為靜電力F加上第二電極！^之 重量總合）與變形（d )的關係，求出薄膜層4、4，、4”的 5揚氏係數，故本發明確實具有以下之優點： Π)以靜電力驅使微結構變形，故僅需普遍的儀器如 直流電壓源V來供給直流電壓以形成靜電力驅使變形’而 不像習用方法需以特殊的儀器設備如薄膜測厚儀，所以量 測上較為方便且不需另外添購特殊儀器，量測成本亦可下 10 降。 (2) 本發明中量測微結構靜態下的受力與變形關係， 其量測方式與習用利用動態的共振量測方式更容易掌控， 所以量測上較為容易。 (3) 本發明之量測裝置之基礎結構可利用CM〇s標準 1S製程來製作’所以製成的微結構之尺寸的精確度高與可靠 度佳，且製造成本亦低，使得量測成本亦可隨之下降。 (4) 本發明之量測裝置的後製程中僅需一道蝕刻的後 製程加工即可完成，所以後製程處理容易，而本發明之前 製程又可交予半導體廠商來製作’所以本發明之量測裝置 20 製程較為簡單。 (5) 而利用本發明之裝置可量測多種不同材料之薄膜 層的楊氏係數’由於本發明之裝置係製成於基體1上，所 以可同時於基體1上佈局形成多個分別包含不同材料之薄 膜層之量測裝置’所以即可利用這些裝置來一次獲得所欲 第16頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝---------訂---------線/ A7 B7 五、發明說明（U ) 量測的材料的薄膜層之楊氏係數。 綜上所述，本發明之f量測薄膜之揚氏係數的方法及 其裝置』’確能藉上述所揭露之構造、裝置，達到預期之目 的與功效’且申請前未見於刊物亦未公開使用，符合發明 5 專利之新穎、進步等要件。 惟’上述所揭之圖式及說明，僅為本發明之實施例而 已’非為限定本發明之實施；大凡熟悉該項技藝之人仕， 其所依本發明之特徵範疇’所作之其他等效變化或修飾， 皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍内。 ------I--I---I ----------訂--I ------ {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部， 智 慧' 財 產 局 員 工 消 費 合 社 印 製 第17頁 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公笼）

Claims (1)

1. 45 73 6 6 8888 ABCD 六 ίο 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 申請專利範園 1. 一種2測薄膜之揚氏係數的方法’係利用一微結構 來量測揚氏係數，此微結構係以半導體製程來製作而其包 含一半絕緣材料之基體、一形成於基體上的第一電極、分 別位於該第一電極之至少兩側外且固定於該基體上的固定 端、一懸浮地位於該第一電極上方的第二電極及一橋接該 等固定端與第二電極之懸浮薄膜層，其中該懸浮薄膜層係 包含欲量測揚氏係數材料之薄膜，而該方法係包含以下步 驟： a. 施加不同電壓值於該第一電極與該第二電極上，致 使該第二電極受靜電力吸引而接近該第一電極’以施加外 力帶動該懸浮薄臈層位移變形；及 b. 由外力與該懸浮薄膜層之變形量’以求出該懸浮薄 膜層之楊氏係數。 2·如申晴專利範圍第1項所述之量測薄膜之楊氏係數 的方法，其中在該步驟a中以—直流電壓源分別電氣連接 至忒第一電極與該第二電極，以提供不同電壓值予該第一 電極與該第二電極。 3.如申凊專利範圍第2項所述之量測薄膜之揚氏係數 的方法其中該直流電壓源之正極係電性連接至該第二電 極與該直流電壓源之負極係電性連接至該第一電極。 4· 士申h專利範圍第3項所述之量測薄膜之楊氏係數 的=法’其中在該步驟b中更以—電流錶與—電阻串接該 直流電壓源之正㉟’該電流錶係可在該直流電壓源施予該 等電極電壓時，測出之電流值為-非零之數值，並在該直 本紙張尺度適用中國國 第18頁 度 S ώ ( V 上 ° \ ϊ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ----- D8 ______ 六.、申請專利範@ 流電壓源供給電壓増加至使該等電極相接合的一特定電壓 時’則測出電流值變化為〇,藉以獲得該特定電壓之值以 供計算該靜電力。 5.如申4專f丨範圍第丨項所述之量測薄膜之揚氏係數 5的方法，其中該步驟b中的該外力係與該靜電力與該第二 電極之重量有關。 6‘如U利㈣第丨項所述之量測薄膜之揚氏係數 的方法，其中該微結構係以以下步驟來形成： (M.提供該半導絕緣材料之基體； ίο c_2·在該基體上形成該第一電極； C-3.沉積一犧牲層該基體上； C-4.於該犧牲層上沉積該第二電極與該懸浮薄膜層， 及於該基體上形成該等固定端，該懸浮薄膜係位於該等固 定端與該第二電極之間且連接兩者；及 15 C_5.移除該犧牲層，以使該第二電極與該懸浮薄膜層 •►由該卓固定端支撐而懸浮地位於該基體β 7.如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之楊氏係數 的方法，其中該步驟C-1至C-4係可利用CMOS標準製程來 執行。 20 8·如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之楊氏係數 的方法，其中該第一電極係包含至少一金屬層。 9. 如申請專利範圍第8項所述之量測薄膜之揚氏係數 的方法’其中該金屬層之材料係链。 10. 如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之楊氏係數 第19頁 本紙張尺度適用中囤國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ! ^ ί I-----訂---------線 (請先間讀背面之注意事項再填窝本頁) 457366 8 8 8Φ ABCW 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 /、、申清專利範调 的方法，其中該犧牲層係一由介電材料構成之介電層。 U·如申請專利範圍第10項所述之量測薄膜之楊氏係 數的方法，其中該犧牲層係由二氧化矽（Si2o)所構成。 12.如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之楊氏係數 的方法其中各該固定端係包含至少一金屬層。 13·如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之楊氏係數 的方法’其中在步驟C-2中形成的第一電極係呈矩形。 14, 如申請專利範圍第13項所述之量測薄膜之楊氏係 數的方法，其中在步驟C-4中該等固定端係包含四個固定 1〇端分別位於該第一電極之四側外。 15. 如申請專利範圍第14項所述之量測薄膜之楊氏係 數的方法’其中各該固定端係呈梳狀結構。 16·如申請專利範圍第14項所述之量測薄膜之揚氏係 數的方法，其中在步驟c_4中該懸浮薄膜層係包括四根梁 15 ’各該梁分別連接對應固定端與該第二電極之側。 17,如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之揚氏係數 的方法，其中該懸浮薄膜層係包含至少一金屬層，以導接 該固定端與該第一電極，藉以可由該固定端施予該第二電 極電壓。 20 I8.如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之楊氏係數 的方法，其中當該欲量測楊氏係數的薄膜材料並非金屬時 ，則該懸浮薄膜層係包括至少一金屬層與至少—由欲量測 楊氏係數的材料構成之層，並在步驟b中以轉換斷面積法 來求出欲量測薄膜之楊氏係數。 _ 第20頁 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) •丨裝： 訂： -•線_ ¾ y Μ X V 1 vj ί TyL 1·1 Γ- J- ' 1 J ' i

   10 15 申請專利範圏 數，19·如申請專利範圍第18項所述之量測薄膜之揚氏係 的方法，其中該欲量測的薄膜材料係二氧化矽。 數2〇.如申請專利範圍第18項所述之量測薄膜的揚氏係 的方法，其中該欲量測的薄膜材料係氮化矽。 、2l.如申請專利範圍第6項所述之量測薄膜之揚氏係數 方去，其中該步驟C-5中係以蝕刻技術來移除該犧牲層 〇 22. 如申請專利範圍第21項所述之量測薄膜之揚氏係 數的方法，其中該蝕刻技術係濕蝕刻。 23. 如申請專利範圍第21項所述之量測薄膜之揚氏係 數的方法，其中該蝕刻技術係乾蝕刻。 24. 種莖測薄膜之楊氏係數的裝置，係包括： 一微結構，係形成於一基體上，該微結構包括一位於 該基體上的第一電極、分別位於該第一電極之至少兩側外 的固疋^、一懸浮地位於該第一電極上的第二電極及一橋 接該等固定端與該第二電極之懸浮薄膜層，其中該懸浮薄 膜層係包含欲量測揚氏係數薄膜；及 一直流電壓源’其之一端係電性連接至該第一電極與 另一端係電性連接至該第二電極； 藉此’當該直流電壓源供給電壓時，該第一電極與該 第二電極間具有一電壓差而產生靜電力，以吸引該第—電 極向i亥第二電極接近而施加外力使該懸浮薄膜層變形，進 而可由該外力與變形量來求出該懸浮薄膜層之揚氏係數。 25.如申請專利範圍第24項所述之量測薄膜之揚氏係 第21頁 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合泎ii印製 20 t紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公爱 4 5 73 6 6 A8B8C8D8 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 六、申請專利範蜀 數的裝置’更包括串接的一電流錶與一電阻，該電流錶電 性連接至該直流電壓源連接至該第二電極之端，藉此，當 該直流電壓源輸出電壓時，則該電流錶測出一非零值的電 壓而該直流電壓源輸出的電壓增加至一特定電壓時，致 5使該第二電極與該第一電極相接合而短路，而該電流錶測 出電流值轉變成零，藉以得知該特定電壓值。 26. 如申請專利範圍第24項所述之量測薄膜之揚氏係 數的裝置，其t該第一電極與第二電極之材料係金屬β 27. 如申凊專利範圍第26項所述之量測薄膜之揚氏係 10數的裝置，其中該金屬係鋁。 28. 如申请專利範圍第24項所述之量測薄膜之揚氏係 數的裝置’其中該第二電極係一矩形片體。 29·如申请專利範圍第28項所述之量測薄膜之揚氏係 數的裝置，其中該等固定端係包含四個分別位於該第二電 15 極之四側外的固定端〇 30.如申凊專利範圍第29項所述之量測薄骐之楊氏係 數的裝置，其中該懸浮薄膜層係四根分別連接對應固定端 與該第二電極之梁β 31_如申請專利範圍第24項所述之量測薄膜之揚氏係 數的裝置，其中該固定端之材料係金屬。 32‘如申請專利範圍第31項所述之量測薄膜之揚氏係 數的裝置，其中該懸浮薄膜層係包括至少一金屬層’藉以 該直流電壓源可經該固定端與該懸浮薄膜層供給電壓至該 第二電極。 _ 第22頁 20 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 I u n ----訂----- 線」 058899 ABCD 六.、申請專利範2握J 33.如申請專利範圍第32項所述之量測薄膜之楊氏係 數的裝置，其中該等固定端與該懸浮薄膜層之金屬層的材 料係鋁。 34·如申請專利範圍第24項所述之量測薄膜之楊氏係 5數的裝置，其中該等固定端係呈梳狀結構。 I---- ----------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 23 本紙張尺度適用中囷國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐〉