專利名稱：：一種在線測量mems薄膜應力梯度的方法
技術領域：
：本發(fā)明是一種能夠在線測量微電子機械系統(tǒng)(MEMS)薄膜應力梯度的方法,屬于MEMS材料參數(shù)測量
技術領域：
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背景技術：
：MEMS技術的應用領域十分寬廣，可以用在慣性測量、微流體、光學(光開關、顯示器件等)、壓力測量、RF器件等眾多領域。薄膜淀積是硅基MEMS(microelectro-mechanicalsystems)器件加工中的一項重要工藝步驟，但由于晶格失配，結構層與襯底材料熱膨脹系數(shù)不同等不利因素，薄膜內部會產生殘余應力以及厚度方向上的應力梯度。應力梯度會引起薄膜變形，降低MEMS器件性能，過高的應力梯度甚至能造成薄膜破裂，損壞器件。而且，應力梯度會隨著加工工藝條件的變化而改變。可見，精確地在線測量薄膜的應力梯度，對檢測工藝的穩(wěn)定性，MEMS器件性能都至關重要。目前，在線測量應力梯度的常用結構有懸臂梁結構、阿基米德螺線結構；常用方法有靜電吸合法、光學顯微測量法等。靜電吸合法一般釆用懸臂梁結構，通過測量其吸合電壓來計算應力梯度。具有精度高，測量速度快，占用面積小等特點。但測量多次后，由于靜電在懸臂梁上積累，吸合電壓會改變，重復性不好，而且僅適用于導電材料。光學顯微測量法是通過測量測試結構在應力梯度作用下的形變，求解薄膜的應力梯度。若選擇較寬的懸臂梁作測試結構，其寬度方向的撓度會影響測量精度；選用窄梁或阿基米德螺線結構，其寬度在刻蝕時無法精確控制，沿寬度方向的界面不是理想的矩形，這些對測量精度又會造成顯著的誤差。
發(fā)明內容本發(fā)明目的在于解決上述問題，提供一種在線測量MEMS薄膜應力梯度的方法用非接觸的光學干涉測量法，測得由應力梯度作用引起的的中心固定圓膜邊緣的離面高度，算出圓膜的曲率半徑，進而求得薄膜的應力梯度。本發(fā)明一種在線測量MEMS薄膜應力梯度的方法，操作步驟為首先制備一個半徑為r，厚度為h的圓形的中心帶有錨區(qū)的薄膜，薄膜的錨區(qū)固定在平面襯底上，同時在薄膜附近的平面襯底上制作一個參考面，參考面與變形前的薄膜平面處于同一平面；利用非接觸干涉儀(例如相移型米勞干涉儀)，以參考面為基準，測出薄膜邊緣豎直方向因薄膜變形而產生的位移z。；計算變形后薄膜的曲率半徑i:^(";)2+z。2m其中，y。是薄膜邊緣的橫向最大位移，由于y。，z。都遠小于圓膜半徑r,上試可簡化為及"2/(2z。)(2)薄膜內部的殘余應力(T可看作平均應力C7。(恒量)和沿厚度方向(Z方向)變化的梯度應力。的迭加；將淀積薄膜的梯度應力^看作線性變化的，記為q(力；則應力梯度r^^^^就為一恒定值，殘余應力a就可表示為<7=cr0十oj=cr0+q(z)=cr0+rz(3)殘余應力會在薄膜內部產生一個彎矩，薄膜單位寬度上的彎矩M可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中z表示沿z方向。由殘余應力ex與薄膜應變e的關系可得其中^為薄膜材料的楊氏模量，r為泊松比。那么，薄膜的內部彎矩又可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>兩種形式表示的彎矩應該相等，則應力梯度:五(1,(7)上式的正確性已有CoventorWare軟件驗證。設薄膜楊氏模量和泊松比分別為￡=165(戸，u=0.23。中心固定圓膜的尺寸為/"=100戶，/=3，。依次在圓膜上施力口r:lO、11、12、13、14、15M戸/戶這6個應力梯度。CoventorWare給出了圓膜縱向最大位移z。。由式(2)算出圓膜的曲率半徑及，再由式(7)可求得薄膜的應力梯度r'結果見表l。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本發(fā)明的優(yōu)點:1、由中心對稱的中心固定圓膜作為測試結構，錨區(qū)接近理想固支，提高了模型精度。2、圓膜的曲率半徑只由應力梯度決定，而與圓膜的厚度、半徑無關，可根據(jù)干涉儀的精度來選擇圓膜的半徑，從而減小測試結構占用芯片的面積。3、采用非接觸型的光學測量方法，測試過程不會影響測試結構，重復性好。4、同時適用于帶電材料和非導電材料薄膜應力梯度的測量。圖l是犧牲層釋放后，薄膜測試結構剖面示意圖；圖2是薄膜厚度方向上殘余應力等效示意圖；圖3是中心固定的圓形薄膜測試結構的制作過程示意圖；具體實施方案下面結合具體實例和附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例如圖3-l所示，在硅犧牲層MEMS工藝中，用LPCVD(低壓化學氣相淀積)法在單晶硅襯底l上淀積一層很薄的Si022，再淀積一層0.2/zm厚的氮化硅3，接著淀積一層2/^7厚的磷硅玻璃作犧牲層4(圖3-2),用KOH溶液在磷硅玻璃犧牲層4上刻蝕一個直徑為4，的圓形凹洞5用來做來錨區(qū)9,及一個圓環(huán)6用來作參考面10(兩者距離略大于IOO，)(圖3-3),再用多晶硅淀積一層厚度/^l，的薄膜作結構層7(圖3-4)，在結構層上以錨區(qū)中心為圓心，刻蝕一個半徑^=50，的圓形作為中心固定的圓形薄膜8,并將所述圓環(huán)部分的結構層的周圍刻蝕成參考面(圖3-5)。除去犧牲層(即用KOH溶液腐蝕掉磷硅玻璃)后，由于薄膜內部存在厚度方向上的應力梯度，圓形薄膜會發(fā)生形變。而參考面下面的犧牲層被結構層完全密封，所以在除去犧牲層的過程中，參考面下面的犧牲層不會被腐蝕掉(圖3-6)。多晶硅的楊氏模量和泊松比分別為￡=165Gi^、U=0.23，。利用非接觸相移型干涉儀，以參考面為基準，測出薄膜邊緣豎直方向的位移z。，由式(2)計算出薄膜的曲率半徑及，再根據(jù)式(7)算出薄膜的應力梯度r。非接觸相移型干涉儀可選用Nikon公司的Mirau顯微干涉儀，其視場范圍690x460，，離面測量的分辨力小于0.1ww。測量結果為^=0.089戶，W=14044.94//m，r=15.257lMPa//im。權利要求1、一種在線測量MEMS薄膜應力梯度的方法，其步驟是首先制備一個半徑為r的圓形的中心帶有錨區(qū)的薄膜，薄膜的錨區(qū)固定在平面襯底上，同時在薄膜附近的平面襯底上制作一個參考面，參考面與變形前的薄膜平面處于同一平面；利用非接觸干涉儀，以參考面為基準，測出薄膜邊緣豎直方向因薄膜變形而產生的位移z0；計算變形后薄膜的曲率半徑RR＝r2/(2z0)則薄膜應力梯度<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>&Gamma;</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>&upsi;</mi><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths>其中E為薄膜材料的楊氏模量，υ為泊松比。全文摘要本發(fā)明公開了一種在線測量MEMS薄膜應力梯度的方法，其步驟為在結構層薄膜上制作成一個中心固定的圓形薄膜。當圓膜被釋放后，會在其內部的應力梯度作用下發(fā)生形變。用非接觸相移型米勞干涉儀測量出圓膜邊緣豎直方向的位移，進而算出圓膜的曲率半徑。由薄膜的楊氏模量、泊松比和圓膜的曲率半徑就可以求得薄膜的應力梯度。該測量方法的特征是采用中心對稱的中心固定圓膜作為測試結構，錨區(qū)近似理想固支，提高了模型的精度；用非接觸的光學干涉方法測量，不會影響測試結構，重復性好。同時適用于導電材料和非導電材料應力梯度的測量。此外，該測量方法還具有操作簡便，測量精度高，占用芯片面積小等優(yōu)點。文檔編號G01N19/00GK101403693SQ200810195040公開日2009年4月8日申請日期2008年11月4日優(yōu)先權日2008年11月4日發(fā)明者華戎,鳴王,涵陳申請人:南京師范大學