[发明专利]双层薄膜残余应力测试结构

说明书

技术领域

本发明提供了一种双层薄膜材料残余应力测试结构。属于微机电系统（MEMS）材料参数测试技术领域。 

背景技术

微机电器件的性能与材料参数有密切的关系，由于加工过程的影响，一些材料参数将产生变化，这些由加工工艺所导致的不确定因素，将使得器件设计与性能预测出现不确定和不稳定的情况。材料参数测试目的就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件材料参数，对工艺的稳定性进行监控，并将参数反馈给设计者，以便对设计进行修正。因此，不离开加工环境并采用通用设备进行的测试成为工艺监控的必要手段。 

在制造微机电器件结构中广泛地使用薄膜材料，尤其是在表面微机械结构中，薄膜材料是结构材料的主体材料，通常采用化学气相沉积（CVD）方法或物理气相沉积（PVD）制造得到，例如氮化硅、多晶硅、二氧化硅、金属层等。这些薄膜材料在加工过程中将产生内应力即存在残余应力。残余应力分为压应力和张应力。当微机电结构被释放后，残余应力将导致结构出现初始变形或者产生对其他材料参数的影响，导致实际性能对设计性能的偏离。 

对于薄膜材料残余应力的测试有多种方法，大部分方法对测试设备具有较高的要求。例如，基片曲率测试法是一种常见的薄膜残余应力测试方法，但需要专门的电子/光学设备，如薄膜应力分布测试仪。 

本发明提出了一种双层薄膜材料残余应力的测试结构。利用简单双层薄膜圆盘结构并配合投影游标，可以获得MEMS常用薄膜材料的残余应力，并且可以推广到更多层薄膜材料情况下的各层薄膜残余应力测试，测量方法和参数提取的计算方法极其简单。 

发明内容

本发明提出了一种双层薄膜材料残余应力的测试结构。测量单元为圆柱支撑的第一层薄膜圆盘，并且在第一层薄膜圆盘平面上覆盖有另一层薄膜材料形成双层薄膜圆盘结构，在第一层薄膜圆盘边缘直径方向上延伸出一个直梁，直梁末端有一投影游标。由于残余应力作用，将使圆盘产生翘曲变形，形成曲面形状，直梁则指向曲面切线方向，与衬底平面形成夹角，投影游标发生相对位移，通过简单的几何尺寸计算即可得到圆盘变形的曲率半径，最后利用Stoney公式计算薄膜的残余应力。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 

本发明提供了   一种测量双层薄膜残余应力的测试结构，该测试结构由圆盘、投影游标尺以及连接圆盘和投影游标尺的直梁三部分组成，其特征在于：

所述圆盘包括圆柱、第一层薄膜材料和第二层薄膜材料这三个同心圆形结构，所述第一层和第二层材料薄膜均呈圆形，第二层薄膜材料覆盖在第一层薄膜材料之上，第二层薄膜直径略小于第一层薄膜，上述圆形薄膜形成双层薄膜圆盘，支撑双层薄膜圆盘的圆柱的上端面和第一层薄膜材料连接，下端面固定在衬底材料之上；

所述投影游标尺由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形结构和与其垂直的竖直矩形结构构成，各个“T”型结构的水平矩形结构与一根直梁垂直连接，“T” 型结构的竖直矩形结构的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T”型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

所述投影游标尺的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区和垂直连接到锚区的若干齿构成，在齿上与“T” 型结构相邻的一边设计有“凸”型结构，所述“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[（“凸”型个数×2-1）×△]，其中△为游标的最小分辨单位；

所述双层薄膜残余应力测试结构的圆盘和投影游标尺通过一根直梁连接，所述直梁一端沿圆盘直径方向连接第一层薄膜圆盘，另一端与投影游标尺左半部分的直梁垂直连接；

整个结构除固定在衬底上的圆柱和投影游标尺右半部分的锚区外全部悬浮于衬底之上。

根据本发明的一方面，投影游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区与左半部分的直梁平行，右半部分的齿与左半部分“T”型结构的底部所对应的水平矩形结构平行。 

根据本发明的一方面，B基线与最上边的“凸”型结构的C2对准基线对齐，A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3间距大1△。 

根据本发明的一方面，任何两个上下相邻的“凸”型结构，设置在下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△。