[发明专利]微机械残余应力的测试结构及其测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机械残余应力的测试结构及其测试方法，属于微电子机械系统（MEMS）技术。

背景技术

MEMS器件中的悬空的微机械薄膜结构，譬如悬臂梁、固支梁和鼓膜，这些结构中有的是使用体加工技术制造，但是为了和现有的通用CMOS工艺线兼容，更多的是用表面微机械加工的方法制造。一般而言，体硅加工的结构是通过腐蚀得到，没有经过高温处理，因而结构中的残余应力比较小。例如在GaAs（砷化镓）工艺中，表面微机械加工制造的结构因为使用了淀积薄膜，腐蚀牺牲层工序。而薄膜的淀积温度一般在600℃以上，在温度降到室温时的温差变化会使结构层薄膜内存在热残余应力。热残余应力加上与工艺条件密切相关的本征残余应力，两者综合作用形成薄膜中的残余应力。残余应力对MEMS器件的性能影响很大。水平方向上的残余应力使薄膜结构在其下层的牺牲层释放之后发生水平变形，垂直方向上残余应力的分布不均会造成薄膜结构的翘曲。所以残余应力的大小严重影响MEMS器件的性能，也影响到薄膜的粘附、断裂等重要特性，因而给制作性能优良的MEMS器件带来了很多问题。对微机械薄膜的力学性能的准确测定，能够为正确估计设备的性能有重大作用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微机械残余应力的测试结构及其测试方法，能易于测量出器件加工后的残余应力大小，并且该测量结构具有较高精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

微机械残余应力的测试结构，包括四组结构尺寸参数完全相同的微机械梁测试结构；所述微机械梁测试结构包括一个指针梁和两个结构尺寸参数完全相同的测试梁，所述两个测试梁位置平行且与指针梁相互垂直，所述指针梁和测试梁之间的交点记为旋转点；所述四组微机械梁测试结构的所有指针梁和测试梁均位于同一竖直平面内；记四组微机械梁测试结构的指针梁分别记为1号指针梁、2号指针梁、3号指针梁和4号指针梁；所述1号指针梁、2号指针梁、3号指针梁和4号指针梁位于同一竖直平面内，且在残余应力释放前，1号指针梁和3号指针梁位于同一竖直线上，2号指针梁和4号指针梁位于同一水平线上。

上述结构中，对四组微机械梁测试结构的排列组合位置进行了限定；对于每组微机械梁测试结构而言，当下层的衬底被腐蚀之后，原来薄膜所受的下层应力作用也将消失，结果是薄膜将会产生变形；由于四组微机械梁测试结构的结构尺寸参数完全相同，可认为四组微机械梁测试结构的变形程度也是相同的，在微机械梁测试结构收缩过程中所形成的力矩使中间的指针梁发生旋转，最后使指针梁的端点产生一端的弯弧位移。

基于上述微机械残余应力的测试结构的测试方法，是通过测试两两间的夹角差来测量的，这一方法也利于当今主流测试设备的操作，具体为：在残余应力释放后，对1号指针梁和2号指针梁之间的夹角α进行测量，对3号指针梁和4号指针梁之间的夹角β进行测量，通过下式计算有效残余应力σ：

σ=Ee(β-α)R8(1-v)(Lt+Wr/2)(Lr+D/2)]]>