硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及测试方法
【专利摘要】一种硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及测试方法，结构包括SOI硅片，SOI硅片包括底层硅材料，底层硅材料上有第一、第二锚区绝缘介质层和电极绝缘介质层，其上分别有第一锚区、第二锚区和电极，底层硅材料上方有双端固支梁，双端固支梁与电极相对。方法：把待测的具有硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力测试结构的样片放在半导体分析仪的探针台上，在电极与第一锚区或第二锚区之间施加电压，电压从0.0V开始，步长为0.1V，当双端固支梁被静电引力突然拉到固定电极上时，半导体分析仪会停止增加电压，记录下该吸合电压；测出两组不同长度的双端固支梁的吸合电压，计算出绝缘衬底上的硅材料顶层硅的杨氏模量和残余应力。
【专利说明】硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及测试方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种提取绝缘衬底上的硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及其测试方法，属于微机电系统(MEMS)材料参数测量【技术领域】。
【背景技术】:
[0002]随着MEMS加工技术的发展，表面微机械加工技术已经越来越多的应用于加工传感器和执行器。绝缘衬底上的硅材料(SOI)在加工制备薄膜、微梁等结构时，采用不同工艺和工艺条件制备得到的微结构会具有出明显差异的力学参数。因为微结构材料的杨氏模量和残余应力对器件的性能有着很大的影响，所以MEMS材料的杨氏模量和残余应力的提取就成为了 MEMS领域日益密切的需要。
[0003]所谓吸合电压法，以双端固支梁为例来说，就是随着外加电压的增加，双端固支梁进一步向下弯曲，当外加电压增加到一定值时，如果再进一步增加，梁的弯曲就会失去平衡，而会被静电力突然拉到下面的固定极板，这种现象叫做吸合现象(Pull-1n现象)。此时，使双端固支梁的弯曲失去平衡的最小外加电压称为吸合电压VPI。由吸合电压与杨氏模量和残余应力之间的关系可以提取出绝缘衬底上的娃材料顶层娃杨氏1?量和残余应力。
【发明内容】
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[0004]本发明提供一种能够提高测试精度的硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及测试方法。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]本发明所述的一种娃材料顶层娃杨氏模量和残余应力的测试结构，包括:S0I娃片，所述SOI硅片包括底层硅材料，在底层硅材料上设有中间二氧化硅层，在中间二氧化硅层上设有顶层娃，在底层娃材料有刻蚀中间二氧化娃层形成的第一锚区绝缘介质层、第二锚区绝缘介质层和电极绝缘介质层，在第一锚区绝缘介质层、第二锚区绝缘介质层和电极绝缘介质层上分别设有刻蚀顶层硅形成的第一锚区、第二锚区和电极，在底层硅材料的上方设有刻蚀顶层硅形成的双端固支梁，且通过双端固支梁与底层硅材料之间的中间二氧化硅层的释放使双端固支梁悬浮于底层硅材料的上方，所述双端固支梁与所述电极相面对。
[0007]本发明所述的一种硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试方法，包括以下步骤:
[0008]a、把待测的具有硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力测试结构的样片放在半导体分析仪的探针台上，调节半导体分析仪在二极管模式，通过在电极与第一锚区或第二锚区之间施加电压，使电压加载在所述双端固支梁与所述电极之间，为了使双端固支梁发生准静态变化，将电压设定在0.0V开始，电压增长的步长设定在0.1V，当双端固支梁被静电引力突然拉到固定电极上时，半导体分析仪会停止增加电压，记录下该吸合电压；
[0009]b、按照步骤a，测出两组不同长度的双端固支梁的吸合电压，并把测出的两组吸合电压值分别代入描述吸合电压、杨氏模量和残余应力关系的数学模型，可以得到一组二元方程组，通过联立求解二元方程组，计算出绝缘衬底上的硅材料顶层硅的杨氏模量和残余应力。
[0010]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0011]本发明提出了一种提取绝缘衬底上的硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及其测试方法，考虑到SOI顶层硅材料下的二氧化硅埋层释放对离面运动结构有效尺寸会产生影响，从而影响测试结果的计算精度。本发明提出的测试结构测量顶层硅材料在面内横向的吸合电压，可以避免有效尺寸变化影响测试精度的问题。测试结构由制备在SOI顶层硅材料上的两个锚区、一个双端固支梁和一个电极组成。在双端固支梁和电极间施加递增的直流扫描电压，使双端固支梁产生向着电极发生弯曲的面内横向运动，直至双端固支梁突然跟电极之间发生突然吸合现象。测得两组不同长度双端固支梁发生Pull-1n现象时的吸合电压，根据吸合电压与杨氏模量和残余应力之间的理论公式，可以构成一个二元方程组，这样就能够计算出SOI顶层硅的杨氏模量和残余应力。
[0012]本发明的最大优点在于，采用测量测试结构在面内横向振动下的吸合电压的方法，避免了顶层硅材料下的氧化层释放对离面运动产生的影响。由于顶层硅材料下的氧化层释放时存在过度腐蚀问题，因此当采用常见的通过测量测试结构离面上下吸合的吸合电压来计算杨氏模量和残余应力的方法时，双端固支梁的有效长度不再是设计尺寸1，而变为l+li+l2，其中I1和I2分别为双端固支梁两端锚区氧化层被过腐蚀后增加的不确定宽度；而在面内横向振动情况下双端固支梁有效长度即为1，有效长度不会受过腐蚀的影响，计算结果将更加准确。此外本方法测试结构简单，在双端固支梁和电极上加电压方法简单易行。计算方法仅限于简单数学公式。 【专利附图】
【附图说明】:
[0013]图1给出了本发明杨氏模量和残余应力测试结构的主视图.[0014]图2是本发明杨氏模量和残余应力测试结构的A-A剖面示意图。
[0015]图3是本发明杨氏模量和残余应力测试结构的B-B剖面示意图。
[0016]图4是本发明测试结构的加工工艺流程示意图。
【具体实施方式】:
[0017]实施例1
[0018]—种娃材料顶层娃杨氏模量和残余应力的测试结构,包括:S0I娃片，所述SOI娃片包括底层硅材料108，在底层硅材料108上设有中间二氧化硅层，在中间二氧化硅层上设有顶层娃，在底层娃材料108有刻蚀中间二氧化娃层形成的第一锚区绝缘介质层101、第二锚区绝缘介质层103和电极绝缘介质层104，在第一锚区绝缘介质层102、第二锚区绝缘介质层103和电极绝缘介质层104上分别设有刻蚀顶层硅形成的第一锚区106、第二锚区107和电极105，在底层硅材料108的上方设有刻蚀顶层硅形成的双端固支梁101，且通过双端固支梁101与底层硅材料108之间的中间二氧化硅层的释放使双端固支梁101悬浮于底层硅材料108的上方，所述双端固支梁101与所述电极105相面对。
[0019]实施例2
[0020]一种硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试方法，包括以下步骤:[0021]a、把待测的具有硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力测试结构的样片放在半导体分析仪的探针台上，调节半导体分析仪在二极管模式，通过在电极105与第一锚区106或第二锚区107之间施加电压，使电压加载在所述双端固支梁101与所述电极105之间，为了使双端固支梁发生准静态变化，将电压设定在0.0V开始，电压增长的步长设定在0.1V，当双端固支梁被静电引力突然拉到固定电极上时，半导体分析仪会停止增加电压，记录下该吸合电压；
[0022]b、按照步骤a，测出两组不同长度的双端固支梁的吸合电压，并把测出的两组吸合电压值分别代入描述吸合电压、杨氏模量和残余应力关系的数学模型，可以得到一组二元方程组，通过联立求解二元方程组，计算出绝缘衬底上的硅材料顶层硅的杨氏模量和残余应力。
[0023]下面参照附图，对本发明的具体实时方式作出更为详细的说明:
[0024](I)测试结构基于SOI衬底，采用基本的微机电加工工艺完成。图4为测试结构的制作流程示意图，以图2中B-B剖面结构的制作过程为例，制作工艺的基本流程如下:(a)选择一种N型(IOO)SOI硅片，SOI硅片的中间二氧化层厚度为1.5微米，顶层硅厚度为5微米；(b)SOI硅片表面热生长一层500nm的二氧化硅，然后在SOI硅片表面涂胶；(c)光刻SOI表面热生长的二氧化娃,形成刻蚀窗口 ；(d)利用光刻胶和SOI娃片表面的二氧化娃作掩膜，采用深反应离子刻蚀方法刻蚀SOI硅片顶层硅，形成测试结构，包括双端固支梁101、第一锚区106、第二锚区107以及电极105 ； (e)在氢氟酸溶液腐蚀SOI硅片5_8分钟，腐蚀掉双端固支梁下面的二氧化 硅层，完成测试结构释放。具体加工过程中，双端固支梁长度可设计为350微米和280微米两种典型尺寸，梁的厚度设计为2微米。
[0025](2)调节半导体分析仪在二极管模式，用探针插在第一锚区106或第二锚区107，再在电极105上插上探针，并在两探针之间加电压，使之构成两个电极，这样就可以在双端固支梁与固定电极之间加电压；为了使双端固支梁发生准静态变化，将电压设定在0.0V开始，使电压增长的步长设定在0.1V，这样可以精确的测得吸合电压，随着电压的不断增大，当外加电压增加到临界电压后，可以观察到电流的显著增大的情况(即pull-1n现象)，这时候半导体分析仪会继续增加电压，但是电流不会显著增大，记录下该吸合电压VPI;
[0026](3)由于吸合电压是与梁的材料参数和几何尺寸有关的量，通过测出两组不同长度(350微米和280微米)的双端固支梁的吸合电压，把测出的两组吸合电压值分别代入描述吸合电压、杨氏模量和残余应力关系的数学模型，可以得到一组二元方程组，通过联立求解二元方程组，可以计算出绝缘衬底上的硅材料顶层硅的杨氏模量和残余应力；
[0027](4) SOI片顶层硅的杨氏模量和残余应力的计算方法。根据弹性力学理论，可以得到双端固支梁的吸合电压与杨氏模量和残余应力之间的关系如前面公式(I)所示，这样，通过测出两组不同长度的双端固支梁的吸合电压，把测量出的两组吸合电压值代入计算公式(I)可以构成一个二元方程组，这样就能够计算出SOI顶层硅的杨氏模量和残余应力。
[0028]SOI片顶层硅的杨氏模量和残余应力的计算
[0029]根据弹性力学理论，可以得到双端固支梁的吸合电压与杨氏模量和残余应力之间的关系为:
[0030]Vpi = Y^{AcP1 +Bc3fl) ?孤(g0-cPIf2 Ze0Zbe /(I + 0.42? Ibe)
【权利要求】
1.一种娃材料顶层娃杨氏模量和残余应力的测试结构，其特征在于，包括:SOI娃片，所述SOI硅片包括底层硅材料(108)，在底层硅材料(108)上设有中间二氧化硅层，在中间二氧化娃层上设有顶层娃，在底层娃材料(108)有刻蚀中间二氧化娃层形成的第一锚区绝缘介质层(101 )、第二锚区绝缘介质层(103)和电极绝缘介质层(104)，在第一锚区绝缘介质层(102)、第二锚区绝缘介质层(103)和电极绝缘介质层(104)上分别设有刻蚀顶层硅形成的第一锚区(106)、第二锚区(107)和电极(105),在底层娃材料(108)的上方设有刻蚀顶层硅形成的双端固支梁(101 )，且通过双端固支梁(101)与底层硅材料(108)之间的中间二氧化硅层的释放使双端固支梁(101)悬浮于底层硅材料(108)的上方，所述双端固支梁(101)与所述电极(105)相面对。
2.—种硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试方法，其特征在于，包括以下步骤: a、把待测的具有硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力测试结构的样片放在半导体分析仪的探针台上，调节半导体分析仪在二极管模式，通过在电极(105)与第一锚区(106)或第二锚区(107)之间施加电压，使电压加载在所述双端固支梁(101)与所述电极(105)之间，为了使双端固支梁发生准静态变化，将电压设定在0.0V开始，电压增长的步长设定在0.1V，当双端固支梁被静电引力突然拉到固定电极上时，半导体分析仪会停止增加电压，记录下该吸合电压； b、按照步骤a，测出两组不同长度的双端固支梁的吸合电压，并把测出的两组吸合电压值分别代入描述吸合电压、杨氏模量和残余应力关系的数学模型，可以得到一组二元方程组，通过联立求解二元方程组，计算出绝缘衬底上的硅材料顶层硅的杨氏模量和残余应力。
【文档编号】G01N27/00GK103995022SQ201410247627
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】周再发, 高适萱, 黄庆安, 李伟华 申请人:东南大学