雙層薄膜殘余應力測試結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種雙層薄膜材料殘余應力的測試結構，其中測量單元為圓柱支撐的第一層薄膜圓盤結構，在第一層薄膜圓盤平面上覆蓋有另一層薄膜材料形成雙層薄膜圓盤結構，在第一層薄膜圓盤邊緣直徑方向上延伸出一個直梁，直梁末端有一投影游標。利用簡單雙層薄膜圓盤結構并配合投影游標，可以獲得MEMS常用薄膜材料的殘余應力，并且可以推廣到更多層薄膜材料情況下的各層薄膜殘余應力測試，測量方法和參數提取的計算方法極其簡單。
【專利說明】雙層薄膜殘余應力測試結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供了一種雙層薄膜材料殘余應力測試結構。屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)材料參數測試【技術領域】。
【背景技術】
[0002]微機電器件的性能與材料參數有密切的關系，由于加工過程的影響，一些材料參數將產生變化，這些由加工工藝所導致的不確定因素，將使得器件設計與性能預測出現不確定和不穩(wěn)定的情況。材料參數測試目的就在于能夠實時地測量由具體工藝制造的微機電器件材料參數，對工藝的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，并將參數反饋給設計者，以便對設計進行修正。因此，不離開加工環(huán)境并采用通用設備進行的測試成為工藝監(jiān)控的必要手段。
[0003]在制造微機電器件結構中廣泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微機械結構中，薄膜材料是結構材料的主體材料，通常采用化學氣相沉積(CVD)方法或物理氣相沉積(PVD)制造得到，例如氮化硅、多晶硅、二氧化硅、金屬層等。這些薄膜材料在加工過程中將產生內應力即存在殘余應力。殘余應力分為壓應力和張應力。當微機電結構被釋放后，殘余應力將導致結構出現初始變形或者產生對其他材料參數的影響，導致實際性能對設計性能的偏離。
[0004]對于薄膜材料殘余應力的測試有多種方法，大部分方法對測試設備具有較高的要求。例如，基片曲率測試法是一種常見的薄膜殘余應力測試方法，但需要專門的電子/光學設備，如薄膜應力分布測試儀。
[0005]本發(fā)明提出了一種雙層薄膜材料殘余應力的測試結構。利用簡單雙層薄膜圓盤結構并配合投影游標，可以獲得MEMS常用薄膜材料的殘余應力，并且可以推廣到更多層薄膜材料情況下的各層薄膜殘余應力測試，測量方法和參數提取的計算方法極其簡單。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明提出了一種雙層薄膜材料殘余應力的測試結構。測量單元為圓柱支撐的第一層薄膜圓盤，并且在第一層薄膜圓盤平面上覆蓋有另一層薄膜材料形成雙層薄膜圓盤結構，在第一層薄膜圓盤邊緣直徑方向上延伸出一個直梁，直梁末端有一投影游標。由于殘余應力作用，將使圓盤產生翹曲變形，形成曲面形狀，直梁則指向曲面切線方向，與襯底平面形成夾角，投影游標發(fā)生相對位移，通過簡單的幾何尺寸計算即可得到圓盤變形的曲率半徑，最后利用Stoney公式計算薄膜的殘余應力。
[0007]為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
本發(fā)明提供了 一種測量雙層薄膜殘余應力的測試結構，該測試結構由圓盤、投影游標尺以及連接圓盤和投影游標尺的直梁三部分組成，其特征在于:
所述圓盤包括圓柱、第一層薄膜材料和第二層薄膜材料這三個同心圓形結構，所述第一層和第二層材料薄膜均呈圓形，第二層薄膜材料覆蓋在第一層薄膜材料之上，第二層薄膜直徑略小于第一層薄膜，上述圓形薄膜形成雙層薄膜圓盤，支撐雙層薄膜圓盤的圓柱的上端面和第一層薄膜材料連接，下端面固定在襯底材料之上；
所述投影游標尺由左右兩部分組成，其左半部分包括多個相同并順時針旋轉90度的“T”型結構，旋轉后的“T”型結構由水平矩形結構和與其垂直的豎直矩形結構構成，各個“T”型結構的水平矩形結構與一根直梁垂直連接，“T”型結構的豎直矩形結構的兩條長邊是對準用的基線，其中，右側長邊為A基線，左邊長邊為B基線，所有“T”型結構的尺寸完全相同，所有A基線在一條直線上，B基線在另一條直線上；
所述投影游標尺的右半部分由梳齒結構和位于齒上的“凸”型結構構成，梳齒結構由錨區(qū)和垂直連接到錨區(qū)的若干齒構成，在齒上與“T”型結構相鄰的一邊設計有“凸”型結構，所述“凸”型結構的個數等于齒的個數減I后乘以2，所述“凸”型結構上與齒垂直的4條直線是另一組對準基線，其中，最左邊的為Cl對準基線，向右依次為C2、C3、C4對準基線，Cl、C2基線間距以及C3、C4基線間距均等于[(“凸”型個數Χ2-1)Χ Λ]，其中Λ為游標的最小分辨單位；
所述雙層薄膜殘余應力測試結構的圓盤和投影游標尺通過一根直梁連接，所述直梁一端沿圓盤直徑方向連接第一層薄膜圓盤，另一端與投影游標尺左半部分的直梁垂直連接；整個結構除固定在襯底上的圓柱和投影游標尺右半部分的錨區(qū)外全部懸浮于襯底之上。
[0008]根據本發(fā)明的一方面，投影游標尺的齒和“Τ”型結構間隔排列，其中右半部分的錨區(qū)與左半部分的直梁平行，右半部分的齒與左半部分“Τ”型結構的底部所對應的水平矩形結構平行。
[0009]根據本發(fā)明的一方面，B基線與最上邊的“凸”型結構的C2對準基線對齊，A基線與B基線的間距比C2、C4*C1、C3間距大I Λ。
[0010]根據本發(fā)明的一方面，任何兩個上下相鄰的“凸”型結構，設置在下面的“凸”型結構比上面的“凸”型結構向左平移2 Λ。
[0011]應用中，當薄膜材料的殘余應力使得圓盤形成曲面時，位于圓盤邊緣的直梁則指向曲面切線方向，與襯底平面形成夾角，因此使投影游標尺左半部分的投影位置發(fā)生變化，并引起對準線發(fā)生移動，由此可以直接由投影游標尺對準線移動量讀出移動的距離。
[0012]由于殘余應力所導致的投影游標尺左半部分投影位置發(fā)生變化，使得投影游標的左、右兩半部分做相離移動，即左半部分向左移動。移動量為I Λ時，A基線與最上邊“凸”型結構的C4對準基線對齊；移動量為2 Λ時，B基線與由上往下的第2個“凸”型結構的C2對準基線對齊；移動量為3 Λ時，A基線與由上往下的第2 “凸”型結構的C4對準基線對齊；移動量為4 Λ時，B基線與由上往下的第3個“凸”型結構的C2對準基線對齊；移動量為5 Λ時，A基線與由下往上的第3個“凸”型結構的C4對準基線對齊。以此類推。
[0013]因為直梁與襯底所形成的夾角通常很小，三角形斜邊的長度近似等于第一層薄膜材料的半徑加圓盤邊緣到投影游標對準基線(Α或B)的距離，三角形鄰邊的長度等于斜邊長度減移動的Λ數，根據三角形關系簡單地計算得到弧面的曲率半徑。最后，由曲面的曲率半徑，就可以采用Stoney公式計算薄膜的殘余應力。
[0014]與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明的最大優(yōu)點在于殘余應力的測試方法簡單，測試設備要求低，測試過程及測試參數值穩(wěn)定。加工過程與微機電器件同步，沒有特殊加工要求。完全符合在線測試的要求。計算方法僅限于簡單數學公式。另一方面，本發(fā)明所提供的投影游標尺不受工藝偏差的影響，工藝加工中出現的最常見情況是加工線條的寬度發(fā)生變化，例如過刻蝕導致線條變細以及欠刻蝕導致的線條變寬，由于本發(fā)明的結構是同一材料，相同的加工過程，因此出現線寬誤差時，“T”型結構和“凸”型結構中的對準基線的偏離程度是相同的，并且是同方向的，其相對位置并沒有發(fā)生變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]現在將描述如本發(fā)明的優(yōu)選但非限制性的實施例，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點在參考附圖閱讀如下詳細描述時將變得顯而易見，其中:
圖1是本發(fā)明的俯視圖；
圖2是本發(fā)明的投影游標結構圖；
圖3是本發(fā)明的投影游標局部結構圖；
圖4是本發(fā)明的投影游標尺對準關系圖；
圖中有:101-圓盤，101-1—支撐圓柱，101-2—第一層薄膜材料，101-3第二層薄膜材料；102—投影游標尺，102-1—水平矩形，102-2—豎直矩形，102-3—豎直梁，102-4—錨區(qū)，102-11—齒，102-5?102-10—齒上的“凸”型結構；103_直梁；100_襯底材料。
【具體實施方式】
[0016]以下的說明本質上僅僅是示例性的而并不是為了限制本公開、應用或用途。應當理解的是，在全部附圖中，對應的附圖標記表示相同或對應的部件和特征。
[0017]下面結合附圖1?4對本發(fā)明做更進一步的說明。
[0018]本發(fā)明提供了一種測量雙層薄膜殘余應力的測試結構，測試結構由三部分組成:圓盤101 ;投影游標尺102 ;連接雙層薄膜圓盤101和投影游標尺102的直梁103。
[0019]所述圓盤101包括三個同心圓形結構:圓柱101-1,第一層薄膜材料101-2和第二層薄膜材料101-3，所述薄膜材料101-2、101-3均呈圓形，第二層薄膜材料101-3覆蓋在第一層薄膜材料101-2之上，為滿足工藝套準偏差的要求，第二層薄膜101-3直徑略小于第一層101-2。圓柱101-1的上端面和第一層薄膜材料101-2連接，下端面固定在襯底材料100之上。
[0020]由圖2可以看出，所述投影游標尺102由左右兩部分組成，其中:投影游標尺102的左半部分包括多個尺寸完全相同并順時針旋轉90度的“T”型結構，“T”型結構的“ I ”部分(底部)為水平矩形結構102-1，“T”型結構的“一”(頂部)為豎直矩形結構102-2，各個“Τ”型結構的水平矩形102-1與一個直梁102-3垂直連接?！唉场毙徒Y構的“一”所對應的豎直矩形102-2，其兩條長邊是對準用的基線，其中，右側長邊為A基線，左邊長邊為B基線。因為所有“Τ”型結構的尺寸完全相同，所以，所有“Τ”型結構的A基線在一條直線上，B基線在另一條直線上。
[0021]投影游標尺102的右半部分包括兩個主要單元:梳齒結構和位于齒上的“凸”型結構。梳齒結構由錨區(qū)102-4和垂直連接到錨區(qū)102-4的若干齒102-11構成。在齒上與“Τ”型結構相鄰的一邊設計有“凸”型結構(102-5?102-10)?！巴埂毙徒Y構的個數等于齒的個數減I后乘以2，本實施例齒的個數為4，所以“凸”型結構的個數為6。“凸”型結構上與齒垂直的4條直線是另一組對準基線，其中最左邊的為Cl對準基線，向右依次為C2、C3、C4對準基線。Cl、C2基線間距以及C3、C4基線間距等于[(“凸”型個數X2-1) X Λ]，厶為游標的最小分辨單位，本實施例的上述基線間距為11 Λ。
[0022]所述投影游標尺的齒和“T”型結構間隔排列，其中右半部分的錨區(qū)102-4與左半部分的直梁102-3平行，右半部分的齒102-11與左半部分“T”型結構的“ I ”(底部)所對應的水平矩形102-1平行。
[0023]由附圖3可以看到，B基線與最上邊的“凸”型結構102-5的C2對準基線對齊。A基線與B基線的間距比C2、C4 (C1、C3)間距大I Λ。
[0024]由附圖4可以看到，任何兩個上下相鄰的“凸”型結構，下面的“凸”型結構比上面的“凸”型結構向左平移2 Λ，所以，B基線比第2個“凸”型結構102-6的C2對準基線偏右
2Δ,比第3個“凸”型結構102-7的C2對準基線偏右4 Λ，比第4個“凸”型結構102-8的C2對準基線偏右6 Λ，比第5個“凸”型結構102-9的C2對準基線偏右8 Λ，比第6個“凸”型結構102-10的C2對準基線偏右10 Δ ；Α基線比最上邊“凸”型結構102-5的C4對準基線偏右I Λ，比第2個“凸”型結構102-6的C4對準基線偏右3 Λ，比第3個“凸”型結構102-7的C4對準基線偏右5 Δ,比第4個“凸”型結構102-8的C4對準基線偏右7 Δ,比第5個“凸”型結構102-9的C4對準基線偏右9 Λ，比第6個“凸”型結構102-10的C4對準基線偏右11 Λ。
[0025]所述雙層薄膜殘余應力測試結構的圓盤101和投影游標尺102通過一根直梁103連接，直梁103 —端沿圓盤直徑方向連接雙層薄膜圓盤中的第一層薄膜101-2，另一端與投影游標尺的左半部分的102-3直梁垂直連接。
[0026]整個結構除固定在襯底上圓柱101-1和投影游標尺右半部分的錨區(qū)102-4外全部懸浮于襯底之上。
[0027]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種雙層薄膜殘余應力測試結構，該測試結構由圓盤(101)、投影游標尺(102)以及連接圓盤(101)和投影游標尺(102)的直梁(103)三部分組成，其特征在于: 所述圓盤(101)包括圓柱(101-1)、第一層薄膜材料(101-2)和第二層薄膜材料(102-3)這三個同心圓形結構，所述第一層和第二層材料薄膜(101-2、101-3)均呈圓形，第二層薄膜材料(101-3)覆蓋在第一層薄膜材料(101-2)之上，第二層薄膜(101-3)直徑略小于第一層薄膜(101-2)，上述圓形薄膜(101-2、101-3)形成雙層薄膜圓盤，支撐雙層薄膜圓盤的圓柱(101-1)的上端面和第一層薄膜材料(101-2)連接，下端面固定在襯底材料(100)之上； 所述投影游標尺(102)由左右兩部分組成，其左半部分包括多個相同并順時針旋轉90度的“T”型結構，旋轉后的“T”型結構由水平矩形(102-1)和與其垂直的豎直矩形(102-2)構成，各個“T”型結構的水平矩形(102-1)與直梁(102-3)垂直連接，“T”型結構的豎直矩形(102-2 )的兩條長邊是對準用的基線，其中，右側長邊為A基線，左邊長邊為B基線，所有“T”型結構的尺寸完全相同，所有A基線在一條直線上，B基線在另一條直線上； 所述投影游標尺(102)的右半部分由梳齒結構和位于齒上的“凸”型結構構成，梳齒結構由錨區(qū)(102-4)和垂直連接到錨區(qū)(102-4)的若干齒(102-11)構成，在齒(102-11)上與“T”型結構相鄰的一邊設計有“凸”型結構(102-5?102-10)，所述“凸”型結構的個數等于齒(102-11)的個數減I后乘以2，所述“凸”型結構上與齒垂直的4條直線是另一組對準基線，其中，最左邊的為Cl對準基線，向右依次為C2、C3、C4對準基線，C1、C2基線間距以及C3、C4基線間距均等于[(“凸”型個數X2-1) X Λ ]，其中Λ為游標的最小分辨單位； 所述雙層薄膜殘余應力測試結構的圓盤(101)和投影游標尺(102)通過一根直梁(103)連接，所述直梁(103)—端沿圓盤直徑方向連接第一層薄膜圓盤(101-2)，另一端與投影游標尺(102)左半部分的直梁(102-3)垂直連接； 整個結構除固定在襯底上的圓柱(101-1)和投影游標尺(102)右半部分的錨區(qū)(102-4)外全部懸浮于襯底之上。
2.根據權利要求1所述的雙層薄膜殘余應力的測試結構，其特征在于投影游標尺的齒和“Τ”型結構間隔排列，其中右半部分的錨區(qū)(102-4)與左半部分的直梁(102-3)平行，右半部分的齒(102-11)與左半部分“Τ”型結構的底部所對應的水平矩形(102-1)平行。
3.根據權利要求1所述的雙層薄膜殘余應力的測試結構，其特征在于:Β基線與最上邊的“凸”型結構(102-5)的C2對準基線對齊，A基線與B基線的間距比C2、C4或Cl、C3間距大I Λ。
4.根據權利要求1所述的雙層薄膜殘余應力的測試結構，其特征在于任何兩個上下相鄰的“凸”型結構，設置在下面的“凸”型結構比上面的“凸”型結構向左平移2 Λ。
【文檔編號】G01L1/06GK103439031SQ201310401239
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權日:2013年9月5日
【發(fā)明者】李偉華, 王雷, 張曉強, 周再發(fā), 劉海韻, 孫超 申請人:東南大學