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Title:
ONLINE TEST STRUCTURE FOR RESIDUAL STRESS OF POLYCRYSTALLINE SILICON MATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/102352
Kind Code:
A1
Abstract:
An online test structure for the residual stress of a polycrystalline silicon material, comprising three deflecting pointers of polycrystalline silicon having substantially the same structure, the three deflecting pointers of polycrystalline silicon being arranged in a delta shape with all pointers pointing to the centre. Each deflecting pointer comprises a horizontal driving beam (101, 103, 105), a pointer (102, 104, 106) perpendicular to the driving beam (101, 103, 105), and two anchoring regions fixed on a substrate, the two anchoring regions (107, 108, 109, 110, 111, 112) fixing one end of the driving beam (101, 103, 105) and one end of the pointer (102, 104, 106) respectively. By controlling the initial direction of deflection of the pointer under the action of the residual stress, the maintenance and change in distance can effectively reflect the amount and properties of the residual stress. During testing, heat driving is utilised, and the measured parameters are the electrical resistance of the front and rear driving beams for heat driving. The measurement and calculation do not require a thermal expansion co-efficient, avoiding the effect of errors in the measurement results during online testing of the thermal expansion co-efficient.

Inventors:
LI WEIHUA (CN)
ZHANG WEIQING (CN)
JIANG MINGXIA (CN)
ZHOU ZAIFA (CN)
LIU HAIYUN (CN)
Application Number:
PCT/CN2012/079133
Publication Date:
July 11, 2013
Filing Date:
July 25, 2012
Export Citation:
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Assignee:
UNIV SOUTHEAST (CN)
LI WEIHUA (CN)
ZHANG WEIQING (CN)
JIANG MINGXIA (CN)
ZHOU ZAIFA (CN)
LIU HAIYUN (CN)
International Classes:
G01N27/04; G01B7/16; G01B21/32; G01L1/00
Foreign References:
CN102565143A2012-07-11
CN1687698A2005-10-26
CN1828308A2006-09-06
US7423287B12008-09-09
Other References:
Q.HE ET AL.: "Comparison of residual stress measurement in thin films using surface micromachining method", THIN SOLID FILMS, vol. 516, no. 16, 30 June 2008 (2008-06-30), pages 5318 - 5323, XP022682887
WANG, HAI ET AL.: "Thin-film residual stress detection method based on MEMS technology", JOURNAL OF ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND SCIENCE, vol. 25, no. 4, December 2010 (2010-12-01), pages 54 - 57
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Claims:
权利要求书

1、 一种多晶硅材料残余应力在线测试结构, 其特征在于: 包括三个多晶硅偏转指 针, 三个多晶硅偏转指针分别包括多晶硅驱动梁 (101、 103、 105)、 多晶硅指针 (102、 104、 106) 和锚区; 三个多晶硅偏转指针呈 "品"字型放置, 指针 (102、 104、 106) 都 指向中心; 左下部多晶硅偏转指针和右下部多晶硅偏转指针结构完全相同, 以测试结构 竖直中心线左右镜向, 上部多晶硅偏转指针位于中心, 其指针 (102) 方向与下部的左右 多晶硅偏转指针的指针 (104、 106) 方向相反; 整个测试结构制作在绝缘衬底 (117) 上, 在结构被释放后, 驱动梁 (101、 103、 105) 和指针 (102、 104、 106) 均处于悬浮 状态, 以便于释放残余应力并自由伸縮与偏转。

2、 根据权利要求 1 所述的多晶硅材料残余应力在线测试结构, 其特征在于: 所述左 下部多晶硅偏转指针中, 驱动梁 (103) —端的锚区 (109) 和指针 (104) —端的锚区

(110) 上分别制作有金属电极 (113、 114), 并且金属电极 (114) 一直延伸到驱动梁 (103) 上; 所述右下部多晶硅偏转指针中, 驱动梁 (105) —端的锚区 (112) 和指针 (106) 一端的锚区 (111) 上分别制作有金属电极 (116、 115), 并且金属电极 (115) 一直延伸到驱动梁 (105) 上。

3、 根据权利要求 1 所述的多晶硅材料残余应力在线测试结构, 其特征在于: 所述三 个多晶硅偏转指针的驱动梁 (101、 103、 105) 长度相等。

Description:
多晶硅材料残余应力在线测试结构

技术领域 本发明涉及一种多晶硅材料残余应力在线测试 结构, 属于微机电系统 (MEMS) 材 料参数在线测试技术领域。 背景技术

微机电器件的性能与材料参数有密切的关系, 由于加工过程的影响, 一些材料参数 将产生变化, 这些由加工工艺所导致的不确定因素, 将使得器件设计与性能预测出现不 确定和不稳定的情况。 材料参数在线测试目的就在于能够实时地测量 由具体工艺制造的 微机电器件材料参数, 对工艺的稳定性进行监控, 并将参数反馈给设计者, 以便对设计 进行修正。 因此, 不离开加工环境并采用通用设备进行的在线测 试成为工艺监控的必要 手段。 在线测试结构通常采用电学激励和电学测量的 方法, 通过电学量数值以及针对性 的计算方法得到材料的物理参数。

多晶硅是制造微机电器件结构的重要的和基本 的材料,通常采用化学气相沉积(CVD) 方法制造得到。 多晶硅材料在制作过程中将产生内应力即存在 残余应力。 残余应力分为 压应力和张应力。 当微机电结构被释放后, 残余应力将导致结构出现初始变形或者产生 对其他材料参数的影响, 产生实际性能对设计性能的偏离。

发明内容

发明目的: 为了克服现有技术中存在的不足, 本发明提供一种多晶硅材料残余应力 的在线测试结构。

技术方案: 为实现上述目的, 本发明的一种多晶硅材料残余应力在线测试结 构, 包 括三个多晶硅偏转指针, 三个多晶硅偏转指针分别包括多晶硅驱动梁、 多晶硅指针和锚 区; 三个多晶硅偏转指针呈 "品"字型放置, 多晶硅指针都指向中心; 左下部多晶硅偏 转指针和右下部多晶硅偏转指针结构完全相同 , 以测试结构竖直中心线左右镜向, 上部 多晶硅偏转指针位于中心, 指针方向与下部的左右多晶硅偏转指针相反; 整个测试结构 制作在绝缘衬底上, 除锚区及其上的金属电极外, 在结构被释放后, 驱动梁和指针均处 于悬浮状态, 以便于释放残余应力并自由伸縮与偏转。

左、 中、 右三个指针端部间距受多晶硅残余应力作用不 同, 左-中指针端部间距不受 多晶硅残余应力的影响, 中 -右指针端部间距随多晶硅残余应力的大小和 质发生变化。 所述左下部多晶硅偏转指针中, 驱动梁一端的锚区和指针一端的锚区上分别制 作有 金属电极; 所述右下部多晶硅偏转指针中, 驱动梁一端的锚区和指针一端的锚区上分别 制作有金属电极; 所述上部多晶硅偏转指针中, 仅在指针一端的锚区上制作有金属电极。

所述三个多晶硅偏转指针的多晶硅驱动梁长度 相等。

有益效果: 本发明的多晶硅材料残余应力在线测试结构, 通过将三个基本结构相同 的多晶硅偏转指针呈 "品"字型布置, 并利用这些指针所受多晶硅残余应力影响相同 的 特点, 使得残余应力的大小与性质能够有效地进行测 量, 测试方法是利用电流加热偏转 指针的驱动梁使其膨胀, 并进而推动指针偏转, 测量残余应力对偏转量的影响。 采用本 发明对多晶硅残余应力进行测试, 方法简单、 测试设备要求低, 加工过程与微机电器件 同步, 没有特殊加工要求, 完全符合在线测试的要求。 本发明中的计算方法仅限于简单 数学公式, 虽然采用热膨胀原理, 但测量计算并不需要热膨胀系数, 避免了在线测试热 膨胀系数时的误差对测量结果的影响, 具有测试结构简单、 电信号加载和测量简便、 计 算方法稳定等优点。 附图说明 图 1为本发明的多晶硅材料残余应力在线测试结 的示意图;

图 2为图 1的 A-A剖面图。

具体实施方式 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图 1和图 2所示, 本发明的多晶硅材料残余应力在线测试结构, 包括三个基本结构 相同的偏转指针, 每个偏转指针包括一个水平的驱动梁 101、 103、 105、 一个与驱动梁 101、 103、 105垂直的指针 102、 104、 106和两个固定在衬底上的锚区构成, 两个锚区分 别固定了驱动梁 101、 103、 105的一端和指针 102、 104、 106的一端。 测试结构的主体 由多晶硅材料制造而成。

三个多晶硅偏转指针呈 "品"字型放置, 指针 102、 104、 106都指向中心; 上部的多 晶硅偏转指针包括驱动梁 101, 指针 102, 锚区 107、 108以及锚区 108之上的金属电极 118; 左下部的多晶硅偏转指针包括驱动梁 103, 指针 104, 锚区 109、 110以及锚区上的 金属电极 113、 114; 右下部的多晶硅偏转指针包括驱动梁 105, 指针 106, 锚区 111、 112 以及锚区上的金属电极 115、 116。 左下部和右下部的多晶硅偏转指针完全相同, 以指针 102的中线左右对称放置,指针 102的中线是整个测试结构的竖直中心线。整个 测试结构 制作在绝缘衬底 117上,除锚区及其上的金属电极外,在结构被 释放后,驱动梁 101、 103、 105和指针 102、 104、 106均处于悬浮状态, 以便于这些部分释放残余应力并可自由伸縮 与偏转。

驱动梁 101、 103、 105的长度均为 L 2 , 在结构释放后该梁将因残余应力而发生初始伸 縮并进而推动指针 102、 104和 106绕其旋转轴偏转, 因为基本结构相同, 因此因残余应 力而产生的偏转角相同。驱动梁 101、 103、 105垂直方向的中心线到相应锚区 108、 110、 111的距离为 L 5

指针 104、 106长度均为 L 1 ; 指针 102长度等于 L 1 + L 4 , L 4 为指针 102和指针 104、 106 在垂直方向的重叠长度, 远小于 。 指针 102的头部为一宽度较大的矩形, 宽度增加的 目的是为了使锚区 110和 111之间保持一个较大的距离, 方便测试探针的使用。

指针 102和 104的设计间距为 gi , 指针 102和 106的设计间距为 g 2

在锚区 108、 109、 110、 111和 112上分别制作了金属电极 118、 113、 114、 115和 116, 其中, 金属电极 114一直延伸到驱动梁 103上, 金属电极 115—直延伸到驱动梁 105上, 使得加热驱动工作时, 有效的发热区域长度为 L 2 -L 3

本发明的多晶硅材料残余应力在线测试结构, 原理如下:

因为多晶硅所存在的残余应力将使驱动梁 101、 103在结构释放后产生初始长度变化, 进而使指针 102、 104发生初始偏转。 但是, 因为在相同性质与大小的残余应力作用下, 指针 102和 104产生相反的绕轴旋转方向的偏转且偏转角数 值相同, 因此指针端部的间 距可以保持不变, 仍为 g 类似的, 残余应力将使驱动梁 105在结构释放后产生初始长 度变化, 进而使指针 106发生初始偏转, 偏转方向与指针 104相反。 因为指针 102和指 针 106的绕轴旋转方向相同, 结果使实际间距因残余应力而偏离设计值 g 2 , 如果残余应 力为压应力, 则实际间距小于 g 2 , 如果残余应力为张应力, 则实际间距大于 g 2

本发明采用热驱动偏转指针旋转工作方式。 在金属电极 113和金属电极 114之间施加 电流, 使驱动梁 103中 L 2 -L 3 部分发生热膨胀, 推动指针 104顺时针偏转, 当指针 104的 尖端与指针 102发生接触时, 指针 104尖端顺时针偏转了距离 gi 。 在金属电极 115和金 属电极 116之间施加电流, 使驱动梁 105中 L 2 -L 3 部分发生热膨胀, 推动指针 106逆时针 偏转, 假设当指针 106的尖端与指针 102发生接触时, 指针 106尖端逆时针偏转的实际 距离为 g。 显然, 因为残余应力的作用, 106尖端偏转的距离 g将不等于 g 2 。 如果发生 g 等于 g 2 的情况, 则意味着残余应力为 0。 本发明的测试结构采用基本的微机电加工工艺 完成, 下面以典型的两层多晶硅微机电 表面加工工艺说明测试结构的制作过程。

选择 N型半导体硅片, 热生长 100纳米厚度的二氧化硅层, 通过低压化学气相沉积工 艺沉积一层 500纳米厚度的氮化硅,形成绝缘衬底 117。采用低压化学气相沉积工艺沉积 一层 300纳米的多晶硅并进行 N型重掺杂使该层多晶硅成为导体, 通过光刻工艺刻蚀形 成锚区的一部分。 使用低压化学气相沉积工艺沉积 2000纳米厚度的磷硅玻璃 (PSG), 通过光刻工艺形成锚区的图形。利用低压化学 气相沉积工艺淀积一层 2000纳米厚度的多 晶硅,对多晶硅进行 N型重掺杂,光刻工艺形成多晶硅材料残余应 在线测试结构图形, 锚区的厚度为两次多晶硅的厚度之和。 采用剥离工艺在锚区上形成金属电极图形。 最后 通过腐蚀磷硅玻璃释放结构。

本发明的测试方法简单, 采用简单的可变电流源作为激励源, 采用普通的万用表监测 两个指针是否发生接触, 采用电阻表测量电阻, 具体过程如下:

1)、 测试过程

测试过程分几个阶段进行:

① 在室温下测量金属电极 113和金属电极 114 (或者金属电极 115、 金属电极 116)之 间的电阻, 记为 W ∞ ;

② 在金属电极 113和金属电极 114之间施加缓慢增加的电流, 并监测金属电极 118和 金属电极 114之间的电阻, 当该电阻由无穷大变为有限值时, 表明指针 104和指针 102 发生了接触, 停止加热电流的增加;

③ 测量指针 102和指针 104发生接触时金属电极 113和金属电极 114之间的电阻,记 为 R TL , 关闭金属电极 113和金属电极 114之间的电流, 使指针 104回转脱离指针 102;

④ 在金属电极 115和金属电极 116之间施加缓慢增加的电流, 并监测金属电极 108和 金属电极 115之间的电阻, 当该电阻由无穷大变为有限值时, 表明指针 106和指针 102 发生了接触, 停止加热电流的增加;

⑤ 测量指针 106和指针 102发生接触时金属电极 115和金属电极 116之间的电阻,记 为 R TR , 关闭金属电极 113和金属电极 114之间的电流, 使指针 106回转脱离指针 102;

2)、 计算多晶硅材料的热膨胀系数

多晶硅驱动梁 103上长度为 L 2 -L 3 部分的电阻 与其上平均温度变化量 ΔΓ £ 的关系 为: R TL = R {l + a 1 AT L + a 2 AT^)

式中 α Ρ a 2 为多晶硅电阻的温度系数, 平均温度变化量 ΔΓ £ 为指针 102和 104发生 接触时, 热驱动梁 103上 L 2 -L 3 部分的平均温度与室温之差。

由基本热膨胀关系, 热驱动梁 103的长度变化 AL £ =(L 2 - )·α·ΔΓ £ , 其中, α是 多晶硅材料的热膨胀系数, 所以有:

_ AL L

a~ (L 2 -L 3 )-AT L

同理, 多晶硅驱动梁 105上长度为 L 2 -L 3 部分的电阻 与其上平均温度变化量 ΔΓ 的关系为:

R TR ^R (l+ ai AT R +a 2 AT^)

式中, ΔΓ 为指针 102和指针 106发生接触时, 热驱动梁 105上 L 2 -L 3 部分的平均 温度与室温之差。 并且有: a =

(L 2 -L 3 )-AT R 求解:

已有研究表明可以通过测量得到多晶硅电阻的 温度系数 α Ρ α 2 , 因此, 将 fll 、 ^作 为已知量处理。

将测 的求根公式得到:

AT r =

当多晶硅电阻为负温度系数时, 根号前取 "-"号; 当多晶硅电阻为正温度系数时, 根号前取 "+ "号;

驱动梁 103长度变化 AL £ 由几何关系得到:

AL L =^ - 同理, 将测量得到的 R 和 R™代入电阻公式, 由二次方程的求根公式得到: 一(^士^^ + 4a 2 k, RT。― R~

ΔΓ = 式中, k K =

2 R

当多晶硅电阻为负温度系数时, 根号前取 "-"号; 当多晶硅电阻为正温度系数时, 根号前取 "+ "号;

驱动梁 105长度变化 由几何关系得到:

AL R =-^, 式中, g是指针 106尖端逆时针实际偏转的距离。 由热膨胀系数关系式, 得到:

因此有:

L, - ΔΓ„ · AL,

s =— L

L 5 - AT L

式中变量或为几何尺寸, 或为可以得到的测量计算值, 因此, 指针 106尖端逆时针 实际偏转的距离 g可以由上式计算获得。

由 g值可以得到 AL s , 因此, 在驱动梁中由残余应力产生的应变 f为:

AL, - AL R

2. L 2

残余应力 σ为:

σ = Ε ε

Ε是多晶硅材料的杨氏模量。

如果 s = 0, 表示多晶硅中无残余应力; 如果 s > 0, 表示多晶硅残余应力为压应力; 如果 s < 0, 表示多晶硅残余应力为张应力。

本发明通过指针在残余应力作用下初始偏转方 向的控制使得间距保持和间距变化能 够有效地反应残余应力的大小和性质; 该测试结构的制作工艺简单, 没有特殊加工要求; 测试时, 采用热驱动, 测量参数为热驱动前后驱动梁的电阻。 本发明在使用过程中, 虽 然采用热膨胀原理, 但测量计算并不需要热膨胀系数, 避免了在线测试热膨胀系数时的 误差对测量结果的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式, 应当指出: 对于本技术领域的普通技术人员 来说, 在不脱离本发明原理的前提下, 还可以做出若干改进和润饰, 这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。