[发明专利]基于变形测量与数值反求确定薄膜应力的系统与方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路和微机电系统(MEMS)制造过程中使用的测量技术，该技术用于测量薄膜材料中的薄膜应力。 

背景技术

薄膜材料被广泛用于制造集成电路和微机电系统(MEMS)。在基体表面采用化学沉积(CVD)和物理沉积(PVD)等技术形成具有特定性质和功能的薄膜材料后，采用掩模，光刻和腐蚀等微加工工艺可将薄膜材料加工成为集成电路和微结构。由于薄膜形成过程中产生的晶体缺陷和薄膜材料与基体材料热膨胀系数之间的差异，导致不可避免地在薄膜材料中出现不可忽视的应力。薄膜应力可引起薄膜材料的变形、脱层和开裂，也可使得由薄膜材料制造的器件发生力学性能的改变，甚至失效。薄膜材料应力的精确测量是设计能够对其进行有效控制的工艺过程的重要依据。 

薄膜应力测量的方法可分为直接和间接两类方法。直接方法包括像X-射线散射仪和微拉曼光谱仪等。不过这类方法成本很高，也不便于在生产过程采用。间接方法则是通过测量试样变形(位移和曲率变化等)来确定薄膜应力。比如在微机电系统领域，对环结构、金刚石结构和指针旋转结构测量其在特殊点处的平面位移，对两端固支梁列阵和悬臂梁测量其特殊点的离面位移等。这些模型的主要缺陷是难于提供足够正确的几何，边界和材料参数来保证得到高精度的薄膜应力。在半导体集成电路制造领域使用最为普遍的是基体弯曲法。该方法采用光学干涉仪或表面轮廓仪测量晶片变形前后曲率或角度的改变，然后通过如下Stoney公式计算薄膜中的应力 

σf=Ests2κ/6tf(1-vs),---(1)]]>

其中，σ_f为薄膜应力；t_s和t_f分别为基体和薄膜厚度；E_s和v_s分别为基体的弹性模量和泊松比；κ为薄膜应力引起的基体曲率变化(假设初始曲率为0)。虽然该方法简单实用也无需薄膜的材料参数，但是该方法的解析计算公式建立在圆形薄板各向同性和均匀平面薄膜应力状态的条件之上，不适合用于一般几何形状和应力状态下薄膜应力的测量。 

有限元方法是一种适合分析一般几何形状、复杂载荷条件和不同材料构成等情况下相关力学问题的数 值方法。以该方法为基础，可以建立一些直接求解薄膜应力的方法。比如，在已知薄膜和基体间非协调的温度应变和本征应变情况下，可将这些应变变换为等效的载荷用来计算薄膜应力。但是应用这种方法的主要障碍是在通常情况下难于获取这些应变的值。另外一种方法是通过测量试件的变形来直接获取有限元方法中的全部运动学变量(节点位移和转角)，由有限元方程得出节点载荷，再由节点载荷计算薄膜应力。虽然这种方法避免了使用非协调应变的问题，但是仍然存在如下的明显缺陷：(1)测量全部节点运动学变量一般是无法实现的，除边界上的节点外，内部节点是不可测的，只能靠插值获得；(2)对转角等自由度的测量难于保证获得足够的精度；(3)没有考虑基体与薄膜之间变形的协调条件；(4)计算需要利用薄膜的材料参数；和(5)没有考虑修正外力(如自重)对测量变形的影响等。 

发明内容

本发明针是对微电子和微机电系统制造过程中需要确定薄膜材料应力的要求为克服上述现有技术中的缺点而提出的一套测量系统和一种相应的测试方法。