專利名稱：多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料參數(shù)在線測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機(jī)電器件的性能與材料參數(shù)有密切的關(guān)系，由于加工過程的影響，一些材料參數(shù)將產(chǎn)生變化，這些由加工工藝所導(dǎo)致的不確定因素，將使得器件設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)出現(xiàn)不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數(shù)在線測(cè)試目的就在于能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量由具體工藝制造的微機(jī)電器件材料參數(shù)，對(duì)工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，并將參數(shù)反饋給設(shè)計(jì)者，以便對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設(shè)備進(jìn)行的在線測(cè)試成為工藝監(jiān)控的必要手段。在線測(cè)試結(jié)構(gòu)通常采用電學(xué)激勵(lì)和電學(xué)測(cè)量的方法，通過電學(xué)量數(shù)值以及針對(duì)性的計(jì)算方法得到材料的物理參數(shù)。多晶硅是制造微機(jī)電器件結(jié)構(gòu)的重要的和基本的材料，通常采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制造得到。多晶硅材料在制作過程中將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力即存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力分為壓應(yīng)力和張應(yīng)力。當(dāng)微機(jī)電結(jié)構(gòu)被釋放后，殘余應(yīng)力將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初始變形或者產(chǎn)生對(duì)其他材料參數(shù)的影響，產(chǎn)生實(shí)際性能對(duì)設(shè)計(jì)性能的偏離。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種多晶硅材料殘余應(yīng)力的在線測(cè)試結(jié)構(gòu)。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針，三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針分別包括多晶硅驅(qū)動(dòng)梁、多晶硅指針和錨區(qū)；三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針呈“品”字型放置，多晶硅指針都指向中心；左下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針和右下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針結(jié)構(gòu)完全相同，以測(cè)試結(jié)構(gòu)豎直中心線左右鏡向，上部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針位于中心，指針方向與下部的左右多晶硅偏轉(zhuǎn)指針相反；整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)制作在絕緣襯底上，除錨區(qū)及其上的金屬電極外，在結(jié)構(gòu)被釋放后，驅(qū)動(dòng)梁和指針均處于懸浮狀態(tài)，以便于釋放殘余應(yīng)力并自由伸縮與偏轉(zhuǎn)。左、中、右三個(gè)指針端部間距受多晶硅殘余應(yīng)力作用不同，左-中指針端部間距不受多晶硅殘余應(yīng)力的影響，中-右指針端部間距隨多晶硅殘余應(yīng)力的大小和性質(zhì)發(fā)生變化。所述左下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針中，驅(qū)動(dòng)梁一端的錨區(qū)和指針一端的錨區(qū)上分別制作有金屬電極；所述右下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針中，驅(qū)動(dòng)梁一端的錨區(qū)和指針一端的錨區(qū)上分別制作有金屬電極；所述上部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針中，僅在指針一端的錨區(qū)上制作有金屬電極。所述三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針的多晶硅驅(qū)動(dòng)梁長(zhǎng)度相等。有益效果本發(fā)明的多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過將三個(gè)基本結(jié)構(gòu)相同的多晶硅偏轉(zhuǎn)指針呈“品”字型布置，并利用這些指針?biāo)芏嗑Ч铓堄鄳?yīng)力影響相同的特點(diǎn)，使得殘余應(yīng)力的大小與性質(zhì)能夠有效地進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試方法是利用電流加熱偏轉(zhuǎn)指針的驅(qū)動(dòng)梁使其膨脹，并進(jìn)而推動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，測(cè)量殘余應(yīng)力對(duì)偏轉(zhuǎn)量的影響。采用本發(fā)明對(duì)多晶硅殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，方法簡(jiǎn)單、測(cè)試設(shè)備要求低，加工過程與微機(jī)電器件同步，沒有特殊加工要求，完全符合在線測(cè)試的要求。本發(fā)明中的計(jì)算方法僅限于簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)公式，雖然采用熱膨脹原理，但測(cè)量計(jì)算并不需要熱膨脹系數(shù)，避免了在線測(cè)試熱膨脹系數(shù)時(shí)的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，具有測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電信號(hào)加載和測(cè)量簡(jiǎn)便、計(jì)算方法穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為圖1的A-A剖面圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)基本結(jié)構(gòu)相同的偏轉(zhuǎn)指針，每個(gè)偏轉(zhuǎn)指針包括一個(gè)水平的驅(qū)動(dòng)梁101、103、105、一個(gè)與驅(qū)動(dòng)梁101、103、105垂直的指針102、104、106和兩個(gè)固定在襯底上的錨區(qū)構(gòu)成，兩個(gè)錨區(qū)分別固定了驅(qū)動(dòng)梁101、103、105的一端和指針102、104、106的一端。測(cè)試結(jié)構(gòu)的主體由多晶硅材料制造而成。三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針呈“品”字型放置，指針102、104、106都指向中心；上部的多晶硅偏轉(zhuǎn)指針包括驅(qū)動(dòng)梁101，指針102，錨區(qū)107、108以及錨區(qū)108之上的金屬電極118 ；左下部的多晶硅偏轉(zhuǎn)指針包括驅(qū)動(dòng)梁103，指針104，錨區(qū)109、110以及錨區(qū)上的金屬電極113,114 ；右下部的多晶硅偏轉(zhuǎn)指針包括驅(qū)動(dòng)梁105，指針106，錨區(qū)111、112以及錨區(qū)上的金屬電極115、116。左下部和右下部的多晶硅偏轉(zhuǎn)指針完全相同，以指針102的中線左右對(duì)稱放置，指針102的中線是整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的豎直中心線。整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)制作在絕緣襯底117上，除錨區(qū)及其上的金屬電極外，在結(jié)構(gòu)被釋放后，驅(qū)動(dòng)梁101、103、105和指針102、104、106均處于懸浮狀態(tài)，以便于這些部分釋放殘余應(yīng)力并可自由伸縮與偏轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)梁101、103、105的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)2，在結(jié)構(gòu)釋放后該梁將因殘余應(yīng)力而發(fā)生初始伸縮并進(jìn)而推動(dòng)指針102、104和106繞其旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，因?yàn)榛窘Y(jié)構(gòu)相同，因此因殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角相同。驅(qū)動(dòng)梁101、103、105垂直方向的中心線到相應(yīng)錨區(qū)108、110、111的距離為L(zhǎng)5。指針104、106長(zhǎng)度均為L(zhǎng)1 ；指針102長(zhǎng)度等于L1+!^ L4為指針102和指針104、106在垂直方向的重疊長(zhǎng)度，遠(yuǎn)小于U。指針102的頭部為一寬度較大的矩形，寬度增加的目的是為了使錨區(qū)110和111之間保持一個(gè)較大的距離，方便測(cè)試探針的使用。指針102和104的設(shè)計(jì)間距為gl，指針102和106的設(shè)計(jì)間距為g2。在錨區(qū)108、109、110、111 和 112 上分別制作了金屬電極 118、113、114、115 和 116，其中，金屬電極114 一直延伸到驅(qū)動(dòng)梁103上，金屬電極115 —直延伸到驅(qū)動(dòng)梁105上，使得加熱驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，有效的發(fā)熱區(qū)域長(zhǎng)度為L(zhǎng)2-L3。本發(fā)明的多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，原理如下因?yàn)槎嗑Ч杷嬖诘臍堄鄳?yīng)力將使驅(qū)動(dòng)梁101、103在結(jié)構(gòu)釋放后產(chǎn)生初始長(zhǎng)度變化，進(jìn)而使指針102、104發(fā)生初始偏轉(zhuǎn)。但是，因?yàn)樵谙嗤再|(zhì)與大小的殘余應(yīng)力作用下，指針102和104產(chǎn)生相反的繞軸旋轉(zhuǎn)方向的偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角數(shù)值相同，因此指針端部的間距可以保持不變，仍為&。類似的，殘余應(yīng)力將使驅(qū)動(dòng)梁105在結(jié)構(gòu)釋放后產(chǎn)生初始長(zhǎng)度變化，進(jìn)而使指針106發(fā)生初始偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與指針104相反。因?yàn)橹羔?02和指針106的繞軸旋轉(zhuǎn)方向相同，結(jié)果使實(shí)際間距因殘余應(yīng)力而偏離設(shè)計(jì)值&，如果殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，則實(shí)際間距小于&，如果殘余應(yīng)力為張應(yīng)力，則實(shí)際間距大于&。本發(fā)明采用熱驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)指針旋轉(zhuǎn)工作方式。在金屬電極113和金屬電極114之間施加電流，使驅(qū)動(dòng)梁103中L2-L3部分發(fā)生熱膨脹，推動(dòng)指針104順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)指針104的尖端與指針102發(fā)生接觸時(shí)，指針104尖端順時(shí)針偏轉(zhuǎn)了距離&。在金屬電極115和金屬電極116之間施加電流，使驅(qū)動(dòng)梁105中L2-L3部分發(fā)生熱膨脹，推動(dòng)指針106逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，假設(shè)當(dāng)指針106的尖端與指針102發(fā)生接觸時(shí)，指針106尖端逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)的實(shí)際距離為g。顯然，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的作用，106尖端偏轉(zhuǎn)的距離g將不等于&。如果發(fā)生g等于&的情況，則意味著殘余應(yīng)力為0。本發(fā)明的測(cè)試結(jié)構(gòu)采用基本的微機(jī)電加工工藝完成，下面以典型的兩層多晶硅微機(jī)電表面加工工藝說明測(cè)試結(jié)構(gòu)的制作過程。選擇N型半導(dǎo)體硅片，熱生長(zhǎng)100納米厚度的二氧化硅層，通過低壓化學(xué)氣相沉積工藝沉積一層500納米厚度的氮化硅，形成絕緣襯底117。采用低壓化學(xué)氣相沉積工藝沉積一層300納米的多晶硅并進(jìn)行N型重?fù)诫s使該層多晶硅成為導(dǎo)體，通過光刻工藝刻蝕形成錨區(qū)的一部分。使用低壓化學(xué)氣相沉積工藝沉積2000納米厚度的磷硅玻璃(PSG)，通過光刻工藝形成錨區(qū)的圖形。利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝淀積一層2000納米厚度的多晶硅，對(duì)多晶硅進(jìn)行N型重?fù)诫s，光刻工藝形成多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)圖形，錨區(qū)的厚度為兩次多晶硅的厚度之和。采用剝離工藝在錨區(qū)上形成金屬電極圖形。最后通過腐蝕磷硅玻璃釋放結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的測(cè)試方法簡(jiǎn)單，采用簡(jiǎn)單的可變電流源作為激勵(lì)源，采用普通的萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)兩個(gè)指針是否發(fā)生接觸，采用電阻表測(cè)量電阻，具體過程如下1)、測(cè)試過程測(cè)試過程分幾個(gè)階段進(jìn)行①在室溫下測(cè)量金屬電極113和金屬電極114(或者金屬電極115、金屬電極116)之間的電阻，記為R00;②在金屬電極113和金屬電極114之間施加緩慢增加的電流，并監(jiān)測(cè)金屬電極118和金屬電極114之間的電阻，當(dāng)該電阻由無窮大變?yōu)橛邢拗禃r(shí)，表明指針104和指針102發(fā)生了接觸，停止加熱電流的增加；③測(cè)量指針102和指針104發(fā)生接觸時(shí)金屬電極113和金屬電極114之間的電阻，記為1^，關(guān)閉金屬電極113和金屬電極114之間的電流，使指針104回轉(zhuǎn)脫離指針102 ；④在金屬電極115和金屬電極116之間施加緩慢增加的電流，并監(jiān)測(cè)金屬電極108和金屬電極115之間的電阻，當(dāng)該電阻由無窮大變?yōu)橛邢拗禃r(shí)，表明指針106和指針102發(fā)生了接觸，停止加熱電流的增加；⑤測(cè)量指針106和指針102發(fā)生接觸時(shí)金屬電極115和金屬電極116之間的電阻，記為I ，關(guān)閉金屬電極113和金屬電極114之間的電流，使指針106回轉(zhuǎn)脫離指針102 ；
2)、計(jì)算多晶硅材料的熱膨脹系數(shù)多晶硅驅(qū)動(dòng)梁103上長(zhǎng)度為L(zhǎng)2-L3部分的電阻與其上平均溫度變化量Δ γ的 關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于包括三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針，三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針分別包括多晶硅驅(qū)動(dòng)梁(101、103、105)、多晶硅指針(102、104、106)和錨區(qū)；三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針呈“品”字型放置，指針(102、104、106)都指向中心；左下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針和右下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針結(jié)構(gòu)完全相同，以測(cè)試結(jié)構(gòu)豎直中心線左右鏡向，上部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針位于中心，其指針(10 方向與下部的左右多晶硅偏轉(zhuǎn)指針的指針(104、106)方向相反；整個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)制作在絕緣襯底(117)上，在結(jié)構(gòu)被釋放后，驅(qū)動(dòng)梁(101、103、105)和指針(102、104、106)均處于懸浮狀態(tài)，以便于釋放殘余應(yīng)力并自由伸縮與偏轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于所述左下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針中，驅(qū)動(dòng)梁(103) —端的錨區(qū)(109)和指針(104) —端的錨區(qū)(110)上分別制作有金屬電極(113、114)，并且金屬電極(114) 一直延伸到驅(qū)動(dòng)梁(103)上；所述右下部多晶硅偏轉(zhuǎn)指針中，驅(qū)動(dòng)梁(105) —端的錨區(qū)(112)和指針(106) —端的錨區(qū)(111)上分別制作有金屬電極(116、115)，并且金屬電極(115) —直延伸到驅(qū)動(dòng)梁(105)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征在于所述三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針的驅(qū)動(dòng)梁(101、103、105)長(zhǎng)度相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶硅材料殘余應(yīng)力在線測(cè)試結(jié)構(gòu)，該測(cè)試結(jié)構(gòu)包括三個(gè)基本結(jié)構(gòu)相同的多晶硅偏轉(zhuǎn)指針，三個(gè)多晶硅偏轉(zhuǎn)指針以“品”字型放置，所有指針都指向中心，通過指針在殘余應(yīng)力作用下初始偏轉(zhuǎn)方向的控制使得間距保持和間距變化能夠有效地反應(yīng)殘余應(yīng)力的大小和性質(zhì)；該測(cè)試結(jié)構(gòu)的制作工藝簡(jiǎn)單，沒有特殊加工要求；測(cè)試時(shí)，采用熱驅(qū)動(dòng)，測(cè)量參數(shù)為熱驅(qū)動(dòng)前后驅(qū)動(dòng)梁的電阻。本發(fā)明在使用過程中，雖然采用熱膨脹原理，但測(cè)量計(jì)算并不需要熱膨脹系數(shù)，避免了在線測(cè)試熱膨脹系數(shù)時(shí)的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。本發(fā)明具有測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電信號(hào)加載和測(cè)量簡(jiǎn)便、計(jì)算方法穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L5/00GK102565143SQ20121000349
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者劉海韻, 周再發(fā), 張衛(wèi)青, 李偉華, 蔣明霞 申請(qǐng)人:東南大學(xué)