[发明专利]基于微悬臂梁结构的介电伸缩系数测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微悬臂梁结构测量微电子薄膜材料介电伸缩系数的方法，尤其适用于测量氧化硅、氮化硅等微电子薄膜材料的介电伸缩系数。

背景技术

介电伸缩系数是表征介质介电常数随机械应力(或应变)变化的物理量。介电伸缩是电致伸缩效益的逆效应。作为一种电机械耦合效应，介电伸缩可以作为一种敏感机制。2002年Torrey R.Flianc-Bown(人名)等人基于介电伸缩效应提出了一种新型的触觉传感器，2005年周闵新(人名)等人提出了一种气压传感器也与这种效应有关。另一方面，随着集成电路的不断按比例缩小，应力对器件性能的影响越来越重要，因此有必要测量不同介质材料的介电伸缩系数。2003年Rattikorn Yimnirun(人名)等人提出了一种基于动态压缩计测量块状材料介电伸缩系数的方法，但是这种方法不适用于薄膜材料的测量，同时，为了实现较大的应力加载需要复杂的装置。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种利用微悬臂梁结构测量介质介电伸缩系数的方法。这种方法可以用于测量微电子薄膜材料的介电伸缩系数。通过微悬臂梁弯曲可以实现较大的应力加载，测量方法简单可靠，同时，由于样品制作采用了微电子工艺，因此具有较高的精度。

技术方案：本发明提出的基于微悬臂梁结构的介电伸缩系数测量方法，利用微电子工艺制作测试结构，测试结构为悬臂梁结构，检测电容位于悬臂梁的固执端附近，集中力加载点位于梁的自由端，探针施加的集中力使得悬臂梁弯曲，由此在介质中实现应力加载，为了精确控制加载位置，加载点处通过微加工方法制作了定位标记。通过对样品不同的加载方式，可以对悬臂梁施加不同方向的机械载荷，由此在介质薄膜中分别实现压应力和拉应力。

采用微加工工艺制作的悬臂梁样品进行测量，具体包括：

第一步：将测试样品固定在PCB板上，探针从正面或背面对悬臂梁自由端加载集中力，背面加载时，PCB板由支架支撑，探针通过PCB板上的通孔加载，

第二步：在悬臂梁固支端由金属、待测介质薄膜以及N+硅膜组成的检测电容处，通过栅线投影相关法测量检测电容的形变，进而确定介质中的应力载荷，

第三步：由LCR测试仪测量检测电容在不同应力下的电容变化情况，

第四步：由电容变化量提取介质的介电常数变化量，

第五步：得出介电常数随应力变化的材料系数，即介电伸缩系数。

在悬臂梁自由端进行集中力加载，使得悬臂梁弯曲，由此实现对检测电容中介质进行应力加载。检测电容位于悬臂梁固支端，悬臂梁固支端结构为金属/介质/低阻硅形成的三明治结构。在悬臂梁自由端制作加载点定位标记，便于精确加载位置。

有益效果：传统的压缩计测量方法不适用于对薄膜材料进行测量。本发明利用微机械工艺制作测试结构，可以测量各种微电子薄膜材料的介电伸缩系数，测试方法简单，易于在介质中实现较大的应力，同时，由于样品制作采用了微电子工艺，因此具有较高的精度。

附图说明

图1为加载方式的示意图，(a)为正向加载，(b)为反向加载，图中有；测试样品1，PCB板2，微探针3，支架4，通孔5。

图2为测试结构的示意图，(a)为侧视图，(b)为俯视图，图中有：金属6，待测介质7，N+硅梁8，检测电容9，加载点定位标记10。

具体实施方式

本发明是一种基于微悬臂梁结构测量微电子薄膜材料介电伸缩系数的方法。利用悬臂梁弯曲的方法在介质中实现应力加载，通过观察检测电容在应力下的变化测量介电伸缩系数。测试样品1固定在PCB板2上，通过微探针3对悬臂梁加载使得悬臂梁弯曲。探针既可以在样品正面加载，也可在样品背面加载，背面加载时，PCB板2由支架4支撑，探针通过通孔5进行加载。测试样品

由微加工工艺制作。由金属6、待测介质薄膜7以及N+硅膜8组成的检测电容9位于悬臂梁的固支端附近，加载点定位标记10位于悬臂梁的自由端。由于N+硅膜8较金属6和待测介质薄膜7要厚得多，介质层偏离梁的中性面。因此将受到应力作用。正面加载，悬臂梁向下弯曲，介质受到拉应力作用，背面加载，悬臂梁反向弯曲，介质受到压应力作用。通过栅线投影相关法测量悬臂梁形变，LCR测量仪测量检测电容变化。最后通过形变表征的机械物理量和电容表征的介电物理量提取出介质的介电伸缩系数。

样品制备工艺步骤为：

a)以P型(100)硅片为衬底，浓磷掺杂形成N+扩散层作为检测电容的下电极。

b)生长介质薄膜(可采用氧化，CVD，溶胶-凝胶等)。

c)光刻，刻蚀接触孔以使下电极引出。