專利名稱：一種測量硅片上多層膜應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種能夠在線測量硅片上多層膜應(yīng)力的方法，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基片曲率測試法是一種常用的在線測量薄膜應(yīng)力的方法。對于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加工中所常用的材料(二氧化硅、氮化硅、多晶硅、金屬等)，由于在工藝線薄膜的生長過程中，通常是硅片的正反兩面同時生長出薄膜，由于傳統(tǒng)的“Stoney”公式1R=6(1-υs)Esds2·(σu1du1+σu2du2+···+σundun)]]>其中Es是硅片材料的楊氏模量，υs是硅片材料的泊松比，ds是硅片材料的厚度，du1，…，dun分別是硅片上面n層薄膜的厚度，σu1，…，σun分別是硅片上面n層薄膜的應(yīng)力，R是復(fù)合結(jié)構(gòu)的曲率半徑。
此公式適用于硅片一面有薄膜的情況，所以對多層薄膜而言，常見的提取過程是首先腐蝕掉硅片背面的所有薄膜層，再從上而下依次腐蝕掉硅片正面的薄膜層，通過激光干涉儀或者表面輪廓儀，依次測出所對應(yīng)的由硅片和正面薄膜層所構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)撓曲的曲率半徑，用傳統(tǒng)的“Stoney”公式即可得到各層薄膜中的應(yīng)力。可見，由傳統(tǒng)的“Stoney”公式提取薄膜應(yīng)力，需要很多的腐蝕工序，并且在完成參數(shù)提取后，硅片上的薄膜層已被腐蝕掉，需要重新生長薄膜，才能繼續(xù)后續(xù)加工。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種測量硅片上多層膜應(yīng)力的方法，該測量方法無需腐蝕硅片正面的薄膜層，只需要依次腐蝕掉硅片背面的各層薄膜，測出對應(yīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的曲率半徑，就可以提取各層薄膜的應(yīng)力。
技術(shù)方案該測量方法為依次腐蝕掉硅片背面的各層薄膜，通過激光干涉儀或者表面輪廓儀測出由硅片和正面薄膜層及剩余背面薄膜層所構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)撓曲的曲率半徑，再由應(yīng)力關(guān)系式1R=6(1-υs)Esds2·Σi=k+1nσuidui]]>得到各層薄膜的應(yīng)力，使之滿足硅片正反兩面都有薄膜的情況，其中Es是硅片材料的楊氏模量，υs是硅片材料的泊松比，ds是硅片材料的厚度，k是硅片背面的薄膜的層數(shù)，n是硅片正面的薄膜的層數(shù)，并且k≤n，σui是硅片上面第i層薄膜的應(yīng)力，R是復(fù)合結(jié)構(gòu)的曲率半徑，dui是硅片上面第i層薄膜的厚度，并且滿足ds＞＞du1+du2+…+dun+dd1+dd2…ddn，即多層薄膜的厚度之和遠小于硅片厚度，具體包括如下步驟a、、腐蝕硅片背面第n層，即最外層，則k＝n-1，應(yīng)力關(guān)系式變?yōu)?R1=6(1-υs)Esds2·σundun]]>通過激光干涉儀或者表面輪廓儀測出此時的曲率半徑R1，由上式可解得第n層薄膜中的應(yīng)力σun；b、再腐蝕背面第n-1層，即次外層，即k＝n-2，應(yīng)力關(guān)系式變?yōu)?R2=6(1-υs)Esds2·(σundun+σu(n-1)du(n-1))]]>通過激光干涉儀或者表面輪廓儀測出此時的曲率半徑R2，由上式可解得第n-1層薄膜中的應(yīng)力σu(n-1)；c、依次腐蝕掉背面的所有薄膜層，由應(yīng)力關(guān)系式即可依次解得各層薄膜中的應(yīng)力。
①當(dāng)k＝0時，退化成傳統(tǒng)的“Stoney”公式
1R=6(1-υs)Esds2·(σu1du1+σu2du2+···+σundun)]]>②當(dāng)k＝n時，表示復(fù)合結(jié)構(gòu)兩面薄膜的生長情況相同，復(fù)合結(jié)構(gòu)不會發(fā)生撓曲，③當(dāng)0＜k＜n時，表示復(fù)合結(jié)構(gòu)兩面薄膜的情況不同，即背面已經(jīng)腐蝕掉了一部分薄膜層，此時復(fù)合結(jié)構(gòu)會發(fā)生彎曲，有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(1)本發(fā)明的測量方法只需腐蝕硅片單面的膜，相對與傳統(tǒng)的需腐蝕兩面的膜的方法簡單，減少了n次腐蝕工序；(2)本發(fā)明保留了硅片正面的薄膜層，對有用層沒有破壞性；(3)測試所用的硅片可以繼續(xù)投入后道工藝的加工。


圖1是本發(fā)明的實施例中復(fù)合結(jié)構(gòu)在薄膜應(yīng)力作用下?lián)锨慕孛鎴D。其中有硅片101，二氧化硅薄膜102，氮化硅薄膜103，二氧化硅薄膜104，多晶硅薄膜105。
圖2是本發(fā)明的實施例中腐蝕背面多晶硅薄膜后復(fù)合結(jié)構(gòu)彎曲的面形分布圖。
圖3是用傳統(tǒng)的“Stoney”公式提取薄膜應(yīng)力流程圖。
圖4是用本發(fā)明推廣的“Stoney”公式提取薄膜應(yīng)力流程圖。
具體實施方案以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例的具體結(jié)構(gòu)做進一步描述圖1是腐蝕背面多晶硅后復(fù)合結(jié)構(gòu)在薄膜應(yīng)力作用下?lián)锨慕孛鎴D。硅片101，厚度是365微米，楊氏模量是165GPa，泊松比是0.22；二氧化硅薄膜102的厚度是0.233微米；氮化硅薄膜103的厚度是0.09微米；二氧化硅薄膜104的厚度是0.52微米；多晶硅薄膜105厚度是0.62微米。
依次腐蝕掉硅片背面的各層薄膜，通過激光干涉儀或者表面輪廓儀，測出由硅片和正面薄膜層及剩余背面薄膜層所構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)撓曲的曲率半徑，再由應(yīng)力關(guān)系式1R=6(1-υs)Esds2·Σi=k+1nσuidui]]>就可以得到各層薄膜的應(yīng)力；圖2是用薄膜曲率測試儀測得的腐蝕背面的多晶硅薄膜后復(fù)合結(jié)構(gòu)彎曲的面形分布圖，根據(jù)面形分布數(shù)據(jù)求出曲率半徑，再根據(jù)應(yīng)力關(guān)系式1R=6(1-υs)Esds2·Σi=k+1nσuidui]]>可求得二氧化硅薄膜102，氮化硅薄膜103，二氧化硅薄膜104，多晶硅薄膜105中的應(yīng)力分別176MPa、-699MPa、35MPa、481MPa(其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負)。
權(quán)利要求
1.一種測量硅片上多層膜應(yīng)力的方法，其特征在于該測量方法為依次腐蝕掉硅片背面的各層薄膜，通過激光干涉儀或者表面輪廓儀測出由硅片和正面薄膜層及剩余背面薄膜層所構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)撓曲的曲率半徑，再由應(yīng)力關(guān)系式1R=6(1-υs)Esds2·Σi=k+1nσuidui]]>得到各層薄膜的應(yīng)力，使之滿足硅片正反兩面都有薄膜的情況，其中Es是硅片材料的楊氏模量，υs是硅片材料的泊松比，ds是硅片材料的厚度，k是硅片背面的薄膜的層數(shù)，n是硅片正面的薄膜的層數(shù)，并且k≤n，σui是硅片上面第i層薄膜的應(yīng)力，R是復(fù)合結(jié)構(gòu)的曲率半徑，dui是硅片上面第i層薄膜的厚度，并且滿足ds＞＞du1+du2+…+dun+dd1+dd2…ddn，即多層薄膜的厚度之和遠小于硅片厚度，具體包括如下步驟a、腐蝕硅片背面第n層，即量外層，則k＝n-1，應(yīng)力關(guān)系式變?yōu)?R1=6(1-υs)Esds2·σundun]]>通過激光干涉儀或者表面輪廓儀測出此時的復(fù)合結(jié)構(gòu)的曲率半徑R1，由上式可解得第n層薄膜中的應(yīng)力σun；b、再腐蝕背面第n-1層，即次外層，即k＝n-2，應(yīng)力關(guān)系式變?yōu)?R2=6(1-υs)Esds2·(σundun+σu(n-1)du(n-1))]]>通過激光干涉儀或者表面輪廓儀測出此時的復(fù)合結(jié)構(gòu)的曲率半徑R2，由上式可解得第n-1層薄膜中的應(yīng)力σn(n-1)；c、依次腐蝕掉背面的所有薄膜層，由應(yīng)力關(guān)系式即可依次解得各層薄膜中的應(yīng)力。
全文摘要
一種測量硅片上多層膜應(yīng)力的方法，該測量方法為依次腐蝕掉硅片背面的各層薄膜，通過激光干涉儀或者表面輪廓儀測出由硅片和正面薄膜層及剩余背面薄膜層所構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)撓曲的曲率半徑，再由應(yīng)力關(guān)系式(見上式)得到各層薄膜的應(yīng)力，使之滿足硅片正反兩面都有薄膜的情況，基于背面腐蝕的多層膜應(yīng)力測試方法，可以簡化測量過程，減少腐蝕工序，僅需要依次腐蝕硅片背面的各層薄膜，用激光全場測量法測出相應(yīng)的曲率半徑，無須腐蝕基片正面有用層，就可以提取各層薄膜的應(yīng)力。該方法解決了傳統(tǒng)的測量硅片上多層膜應(yīng)力的方法中需要很多腐蝕工序，并且在完成參數(shù)提取后，片上的薄膜層已被腐蝕掉，需要重新生長薄膜。
文檔編號G01N21/45GK1605851SQ200410065789
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者聶萌, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)