專利名稱：薄膜應力測試結構、測試方法及制造方法
技術領域：
本發明涉及一種微機電系統(MEMS)測試技術，特別是涉及一種薄膜應力測試結 構、測試方法及制造方法。
背景技術：
現有的微機電系統(MEMS)同集成電路(IC)類似，也是在單晶硅圓上通過薄膜沉 積、擴散、光刻、刻蝕、掏空等工藝制備一定的電路或結構，通過電學或力學的某些效應，達 到感應某種信號或者執行的目的。但是微機電系統與傳統的集成電路也有不同之處，這種不同主要體現在其制備工 藝的標準化與否。集成電路所用到的材料和工藝已經在工業界達到高度的標準化，而微機 電系統由于其所涉及的功能材料和特殊工藝太多，在短時間內還不能形成標準化。這個差 異導致的一個直接后果就是集成電路標準化工藝中的一些測試手段，不能用于微機電系統 的非標準工藝上。一個具體的例子就是薄膜應力(Stress)的測量。所謂的薄膜應力指的是薄膜內部各部分之間相互作用的內力。無論是集成電路還 是微機電系統，都會涉及多層不同材料的薄膜，各層薄膜的厚度通常在幾十納米到幾微米 的范圍不等。由于各層薄膜材料的熱膨脹系數通常是不一樣的，因此在溫度發生變化時，各 層之間就會出現應力，表現為拉伸或壓縮應力，超過一定強度時會造成薄膜的破裂甚至脫 落，輕則影響器件的穩定性，重則永久性地損害器件，因此應力的測量一直是一個重要的步 馬聚ο在集成電路標準化工藝中，測量應力的方法是用光學方法，其原理描述如下一個平坦的晶圓，其曲率為零，曲率半徑為無窮大。當晶圓上沉積有薄膜之后，由 于薄膜與晶圓間的應力，會使得晶圓發生彎曲，即可能出現凹進或凸起，則晶圓不再是一個 平坦的平面，而是形成具有一定曲率半徑的球面的一部分。利用應力測量儀可以測量這個 曲率半徑，然后根據Stoney公式計算薄膜應力。Stoney公式如下式所描述 式中各符號意義為σ 薄膜的應力；E 薄膜材料的楊氏模量；ν :薄膜材料的泊 松比；ts 晶圓的厚度；tf 薄膜的厚度；P 薄膜的曲率半徑，由應力測量儀測得。其中，σ是待測的薄膜應力；彈性模量E和泊松比ν對于標準工藝涉及的材料都 有完整的數據庫，通常已經集成到應力測試儀的軟件里面；晶圓厚度ts與薄膜厚度tf可由 其他儀器測出；曲率半徑P可由應力測試儀用光學方法測出。顯然，由該式可實現薄膜應 力的測量。而微機電系統中用的很多是非標準材料，其泊松比往往是未知或者不完全確定 的，不會集成在應力測試儀的軟件里面。即使應力測量儀仍然能夠用光學方法測量薄膜的 曲率半徑，但卻無法利用Stoney公式計算薄膜的應力。該方法還有另外一個缺點所測得的應力是針對整個晶圓上的薄膜，無法反映某
4一局部區域的應力特征。有鑒于上述現有技術存在的缺陷，本發明人采用了一種測量原理與上述方法完全 不同的測試方法及測試結構，能夠避免現有技術中的上述缺點，使其更具有實用性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題為提供一種薄膜應力測試結構、測試方法及制造方 法，其無須知道待測材料的泊松比便可準確測量該待測材料的薄膜應力，并能準確測出局 部區域薄膜應力，非常適于實用。本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提 出的一種薄膜應力測試結構，其配置于微機電系統的基片表面，所述結構包括第一固定基 座和第二固定基座，均配置于所述基片上，上述兩個固定基座由形成于基片上的犧牲層和 形成于犧牲層上的待測薄膜構成；懸臂梁，為待測薄膜構成的懸空結構，包括測試梁，與 構成所述第二固定基座的待測薄膜連接；斜率梁，一端與所述測試梁連接，另一端與構成所 述第一固定基座的待測薄膜連接；指示梁，一端連接于所述斜率梁的中心，另一端為梳齒結 構，形成游標尺；主尺，由形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成，其為 配置于所述基片上的梳齒結構，用于與所述游標尺配合讀取所述指示梁的位移。本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。前述的薄膜應力測試結構，所述主尺為具有兩個量程的雙梳齒主尺，其每一側梳 齒分別對應一組懸臂梁、第一固定基座和第二固定基座，與該組游標尺配合讀取該組指示 梁的位移。前述的薄膜應力測試結構，所述兩組懸臂梁具有不同的尺寸參數。前述的薄膜應力測試結構，所述測試梁上設有開孔。前述的薄膜應力測試結構，該結構設于基片表面的芯片之間的劃線槽內。前述的薄膜應力測試結構，所述犧牲層材料為聚酰亞胺。本發明的目的及解決其技術問題另外還采用以下技術方案來實現。依據本發 明提出的一種采用上述結構的薄膜應力測試方法，該方法包括以下步驟由待測薄膜構 成的測試梁在待測應力的作用下發生形變；所述測試梁的形變驅動斜率梁產生形變；所 述斜率梁的形變帶動指示梁一端的游標尺產生放大性位移；讀出該位移，并通過公式
計算出待測應力0，其中，E為待測薄膜材料的彈性模量，δν為所述 ii^b C Ltb
指示梁的位移，Lsb為斜率梁的長度，Lib為指示梁的長度，C為修正因子，Ltb為測試梁的長度。本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。前述的薄膜應力測試方法，當所述主尺為具有兩個量程的雙梳齒主尺時，其每一 側梳齒分別對應一組懸臂梁、第一固定基座和第二固定基座，與該組游標尺配合讀取該組 指示梁的位移；該方法包括以下步驟若得到的兩個位移數據皆在量程范圍內，則將量程 較小的主尺讀出的位移數據代入所述公式，計算得到待測應力；若得到的兩個位移數據其 中之一超出量程范圍，則將沒有超出量程范圍的位移數據代入所述公式，計算得到待測應 力。
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本發明的目的及解決其技術問題另外再采用以下技術方案來實現。依據本發明提 出的一種制造上述薄膜應力測試結構的方法，適用于由基片、犧牲層和待測薄膜構成的微 機電系統結構，包括以下步驟在待測薄膜上刻出懸臂梁區域、第一固定基座區域、第二固 定基座區域和主尺區域；蝕刻掉上述區域外的待測薄膜，形成懸臂梁區、第一固定基座、第 二固定基座和主尺；掏空所述懸臂梁區下方的犧牲層，形成懸臂梁。本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。前述的掏空懸臂梁區下方犧牲層的步驟包括在懸臂梁區中測試梁區的待測薄膜 上設置多個開孔；通過所述開孔掏空測試梁區下方的犧牲層。由上述技術方案可知，本發明具有以下有益效果1、無須知道待測材料的泊松比便可準確測量該待測材料的薄膜應力；2、該測試結構可以分布在基片的各個位置，因此可以準確反映出某個局部區域的 應力特征；3、測試結構微小，可置于基片表面的芯片之間的劃線槽內，不影響微機電系統芯 片所占空間，也不損傷芯片，因此不會影響芯片的性能；4、可實現制備工藝中的在線測量；5、工藝簡單，可與芯片的制備工藝同時完成；6、測量工具簡單，放大倍數為1000倍的光學顯微鏡即可觀察到游標尺的移動和 與主尺的對準，從而可以計算應力值；7、本發明一實施例所采用的雙量程結構，可滿足工藝中常見大小應力范圍的測量 要求，無須根據不同環境重新進行結構設計。通過以下參照附圖對優選實施例的說明，本發明的上述以及其它目的、特征和優 點將更加明顯。
圖1為本發明第一實施例的薄膜應力測試結構的俯視示意圖；圖2為圖1的A區域的放大示意圖；圖3為圖1的B區域的放大示意圖；圖4為圖1中的游標尺和主尺的放大示意圖；圖5為由薄膜應力引起的斜率梁和指示梁形變的示意圖；圖6為本發明第二實施例的薄膜應力測試結構的俯視示意圖；圖7為圖6中的第一游標尺、第二游標尺和雙梳齒主尺的放大示意圖。
具體實施例方式下面將詳細描述本發明的具體實施例。應當注意，這里描述的實施例只用于舉例 說明，并不用于限制本發明。請參閱圖1所示，其為本發明第一實施例的薄膜應力測試結構的俯視圖。該薄膜 應力測試結構配置于微機電系統的基片表面，該測試結構包括第一固定基座11，第二固 定基座12，懸臂梁13和主尺14。其中，如圖2所示，該懸臂梁13包括測試梁131、斜率梁 132和指示梁133。
第一固定基座11和第二固定基座12均配置于基片上，這兩個固定基座包括形成 于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜；該懸臂梁13是由待測薄膜構成的懸空 結構，其中，該測試梁131與該第二固定基座12的待測薄膜連接，該斜率梁132的一端與該 測試梁131連接，另一端與該第一固定基座11的待測薄膜連接，該指示梁133的一端連接 于該斜率梁132的中心，另一端為梳齒結構，形成一梳齒結構的游標尺1331，詳見圖3 ；該主 尺14為配置于基片上的梳齒結構，該主尺14包括形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層 上的待測薄膜，主尺14用于與該游標尺1331配合讀取該指示梁133的位移。在本實施例中，該測試結構的主要制造工藝步驟為在基片上，用涂膠機旋涂生長 一犧牲層，在該犧牲層上用適當的薄膜沉積方式生長一薄膜，該薄膜為待測材料，并用光刻 工藝刻出懸臂梁區域、第一固定基座、第二固定基座和主尺，再使用等離子去膠機掏空懸臂 梁區域下方的犧牲層材料，形成懸臂梁13，分別稱為測試梁131、斜率梁132和指示梁133， 并將該指示梁133遠離斜率梁132的一端刻為梳齒結構，形成游標尺1331，其他部分下方的 犧牲層材料不掏空，形成第一固定基座11、第二固定基座12和主尺14。該制造工藝簡單， 可與芯片的制備工藝同時完成。較佳地，該第一固定基座11和第二固定基座12的厚度在1.8 2.64!11范圍，且 具有相同厚度；該懸臂梁區域的測試梁區域上設有多個開孔，用于方便掏空下方的犧牲層； 該待測材料的厚度為300 lOOOnm。本領域技術人員可以理解，其中基片、犧牲層和待測薄膜均可為現有技術中的一 種，例如，基片材料可為Si、GaAs、GaN、SiC或Al2O3等，該基片例如為單晶硅晶圓；該犧牲層 例如為聚酰亞胺薄膜；該待測薄膜可為SiNx、SiO2或SiC等薄膜。另外，懸臂梁13和基片 之間為真空或氣體間隙，較佳地，間隙高度為1. 8 2. 6 μ m。采用本發明測試結構進行薄膜應力測試的主要構思為機械放大薄膜應力引起的 微小位移。詳細地說，薄膜中的應力會引起測試梁131的伸長或縮短，由于測試梁131的一 端固定于第二固定基座12，則該伸長或縮短的動作被傳遞到斜率梁132，進而驅動斜率梁 132產生形變，由于該斜率梁132的另一端固定于第一固定基座11，則會在斜率梁132的中 心處有較小的旋轉，并將該較小的旋轉傳遞給設置于該斜率梁132中心的指示梁133，由于 該指示梁133的長度較長，其會在游標尺1331上產生較大的位移(可由光學顯微鏡觀察 到)。使用該位移數據通過公式計算便可得到該薄膜應力，其中使用的公式會在后面詳細描 述。請參閱圖4所示，其為在光學顯微鏡下游標尺1331和主尺14配合讀取位移的示 意圖。根據游標卡尺原理，游標尺1331的梳齒間距和主尺的梳齒間距設計得錯開，以實現 游標功能。本領域技術人員可根據具體應用設計其量程。下面詳細介紹一下使用上述測試結構測得位移后，進行薄膜應力計算的步驟。請參閱圖5所示，其為由薄膜應力引起的斜率梁132和指示梁133的形變示意圖， 從圖中可以看出由薄膜應力引起的測試梁131的微小位移δ tb驅動斜率梁132產生形變， 進而使指示梁133在斜率梁132的中心位置形成形變角度θ sb(這里，斜率梁132自身形變 引起的位移可以忽略)，本領域技術人員基于機械放大原理可以得到 其中，δ tb是由薄膜應力引起的測試梁的位移，Lsb是斜率梁的長度。需要指出的 是，公式(1)只適用于小的esb。c為由于指示梁的存在而使用的修正因子，由公式(2)導 出其中，d是指示梁的寬度Wib和斜率梁的長度Lsb的比值。該值和1非常接近，且由 于Lsb比Wib大很多，可以被忽略。在本發明的一個實施例中，該測試結構的各尺寸值如表1 所示 表 1在該實施例中，可得出C的值為0.968。同時，再根據θ sb的正切公式可以得出 其中，δ v為由游標尺和主尺配合讀取的指示梁的位移，由(1)式和⑶式可得出 由(4)式的變形可以得到
由(5)式可以看出，本發明的測試結構將δ tb的較小位移放大至δ v的較大位移， 3LibC 對于如表1所示的尺寸值，可得出該增益為23. 23。本領域技術人員可以根據實際
情況設定各尺寸參數，以得到不同的增益。由公式(5)亦可求得應變δ tb。本領域技術人員根據應變和應力的關系可得到 其中，σ為該待測薄膜的應力，E為該待測材料的彈性模量，Ltb為測試梁的長度。由公式(5)和公式(6)可得到公式(7)
2δ Lh 這樣，在得到游標尺和主尺的位移讀數后，根據該讀數和尺寸參數通過公式(7) 便可直接計算得到待測應力，而無須知道待測材料的泊松比。本領域技術人員可以通過對表1中的各尺寸參數和梳齒等的設定來確定應力測 量范圍，例如為-100 +IOOMPa0請參閱圖6所述，其為本發明第二實施例的薄膜應力測試結構的俯視示意圖。在本實施例中，所采用的主尺為具有兩個量程的雙梳齒主尺64，且懸臂梁、第一固 定基座、第二固定基座各具有兩組，懸臂梁的指示梁所形成的游標尺也為兩組，分別與雙梳 齒主尺64配合讀取兩組指示梁的位移。詳細地說，本實施例的薄膜應力測試結構包括第三固定基座51，第四固定基座 52，第一懸臂梁53，第五固定基座61，第六固定基座62，第二懸臂梁63和雙梳齒主尺64。其 中，該第一懸臂梁53包括第一測試梁531、第一斜率梁532和第一指示梁533，該第一指示 梁533的一端形成第一游標尺5331 ；該第二懸臂梁63包括第二測試梁631、第二斜率梁 632和第二指示梁633，該第二指示梁633的一端形成第二游標尺6331。再如圖7所示，該雙梳齒主尺64具有第一梳齒和第二梳齒，該第一梳齒與該第一 游標尺5331配合讀取第一指示梁533的第一位移數據，該第二梳齒與該第二游標尺6331 配合讀取所述第二指示梁633的第二位移數據。在本實施例中，左右部分結構的測量原理和第一實施例的測量原理是相同的；并 且左右部分的結構也可以是在工藝流程中通過光刻技術同時成型的，其加工工藝和第一實 施例中的加工工藝基本相同，在此不再贅述。但左右部分的具體尺寸并不相同，在一實施例中，該測試結構的各尺寸值如表2 所示 表 2上述參數設定僅為示例，本領域技術人員可以根據實際情況設定各尺寸參數。本 實施例的測試機構既可以測量同一待測材料的應力，也可以測量不同待測材料的應力。在圖7中，第一游標尺5331和第二游標尺6331的梳齒數量和梳身長度均不同，雙 梳齒主尺64兩側的梳齒數量和梳齒間距也不同。例如，兩側量程分別為-100 +IOOMPa 和-1 +lGPa。如果采用表2中的尺寸參數的測量結構進行位移測量，會得到兩個不同的位移數 據，若兩個位移數據皆在兩側量程范圍內，則將量程較小的主尺讀出的位移數據代入公式 (7)，計算得到待測應力，因為此時，使用量程較小的主尺所讀出的位移更準確；若兩個位移 數據其中之一超出量程范圍，則將沒有超出量程范圍的位移數據代入公式(7)，計算得到待 測應力。因此，本實施例中的一個結構既可以測量應力小的薄膜材料，也可以測量應力大 的薄膜材料，可滿足工藝中常見大小應力范圍的測量要求，不用根據不同的待測材料重新 修改結構設計。本發明的上述實施例中的測試結構微小，可以分布在基片的各個位置，因此可以 準確反映出某個局部區域的應力特征，并可實現制備工藝中的在線測量。較佳地，上述結構 可置于基片表面的芯片之間的劃線槽內，這樣，不影響微機電系統芯片所占空間，也不損傷 芯片，因此不會影響芯片的性能。雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示 例性、而非限制性的術語。由于本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實 質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神 和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權 利要求所涵蓋。
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權利要求
一種薄膜應力測試結構，其配置于微機電系統的基片表面，其特征在于，所述結構包括第一固定基座和第二固定基座，均配置于所述基片上，上述兩個固定基座由形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成；懸臂梁，為待測薄膜構成的懸空結構，包括測試梁，與構成所述第二固定基座的待測薄膜連接；斜率梁，一端與所述測試梁連接，另一端與構成所述第一固定基座的待測薄膜連接；指示梁，一端連接于所述斜率梁的中心，另一端為梳齒結構，形成游標尺；主尺，由形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成，其為配置于所述基片上的梳齒結構，用于與所述游標尺配合讀取所述指示梁的位移。
2.根據權利要求1所述的薄膜應力測試結構，其特征在于，所述主尺為具有兩個量程 的雙梳齒主尺，其每一側梳齒分別對應一組懸臂梁、第一固定基座和第二固定基座，與該組 游標尺配合讀取該組指示梁的位移。
3.根據權利要求2所述的薄膜應力測試結構，其特征在于，所述兩組懸臂梁具有不同 的尺寸參數。
4.根據權利要求1-3中任一項權利要求所述的薄膜應力測試結構，其特征在于，所述 測試梁上設有開孔。
5.根據權利要求1-3中任一項權利要求所述的薄膜應力測試結構，其特征在于，該結 構設于基片表面的芯片之間的劃線槽內。
6.根據權利要求1-3中任一項權利要求所述的薄膜應力測試結構，其特征在于，所述 犧牲層材料為聚酰亞胺。
7.一種采用權利要求1所述結構的薄膜應力測試方法，其特征在于，該方法包括以下 步驟由待測薄膜構成的測試梁在待測應力的作用下發生形變；所述測試梁的形變驅動斜率梁產生形變；所述斜率梁的形變帶動指示梁一端的游標尺產生放大性位移； 讀出該位移，并通過公式σ = E ν 計算出待測應力ο，ii^ib C Ltb其中，E為待測薄膜材料的彈性模量，δ ν為所述指示梁的位移，Lsb為斜率梁的長度，Lib 為指示梁的長度，C為修正因子，Ltb為測試梁的長度。
8.根據權利要求7所述的薄膜應力測試方法，其特征在于，當所述主尺為具有兩個量 程的雙梳齒主尺時，其每一側梳齒分別對應一組懸臂梁、第一固定基座和第二固定基座，與 該組游標尺配合讀取該組指示梁的位移；該方法包括以下步驟若得到的兩個位移數據皆在量程范圍內，則將量程較小的主尺讀出的位移數據代入所 述公式，計算得到待測應力；若得到的兩個位移數據其中之一超出量程范圍，則將沒有超出量程范圍的位移數據代 入所述公式，計算得到待測應力。
9.一種如權利要求1-3中任一項權利要求所述的薄膜應力測試結構的制造方法，適用于由基片、犧牲層和待測薄膜構成的微機電系統結構，其特征在于，包括以下步驟在待測薄膜上刻出懸臂梁區域、第一固定基座區域、第二固定基座區域和主尺區域； 蝕刻掉上述區域外的待測薄膜，形成懸臂梁區、第一固定基座、第二固定基座和主尺； 掏空所述懸臂梁區下方的犧牲層，形成懸臂梁。
10.根據權利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述掏空懸臂梁區下方犧牲層的步 驟包括在懸臂梁區中測試梁區的待測薄膜上設置多個開孔； 通過所述開孔掏空測試梁區下方的犧牲層。
全文摘要
本發明公開了一種薄膜應力測試結構、測試方法及制造方法，該結構配置于微機電系統的基片表面，包括第一固定基座和第二固定基座，均配置于所述基片上，上述兩個固定基座由形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成；懸臂梁，為待測薄膜構成的懸空結構，包括測試梁，斜率梁和指示梁，指示梁的一端為梳齒結構，形成游標尺；主尺，由形成于基片上的犧牲層和形成于犧牲層上的待測薄膜構成，其為配置于所述基片上的梳齒結構，用于與所述游標尺配合讀取所述指示梁的位移。本發明提供的薄膜應力測試結構、測試方法及制造方法，無須知道待測材料的泊松比便可準確測量薄膜應力，并能準確測出局部區域應力。
文檔編號G01L1/04GK101871825SQ20091013108
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者方輝, 雷述宇 申請人:北京廣微積電科技有限公司