[发明专利]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

说明书

技术领域：

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：

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。

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-in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V_PI。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硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力。

发明内容：

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。

本发明采用如下技术方案：

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结构，包括：SOI硅片，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硅，在底层硅材料有刻蚀中间二氧化硅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。

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：

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；

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。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

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-in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。

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l，而变为l+l₁+l₂，其中l₁和l₂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l，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。

附图说明：