一種測量矽片上多層膜應力的方法
2024-03-23 14:27:05 1
專利名稱：一種測量矽片上多層膜應力的方法
技術領域：
本發明是一種能夠在線測量矽片上多層膜應力的方法，屬於微電子機械系統(MEMS)材料參數測量技術領域。
背景技術：
基片曲率測試法是一種常用的在線測量薄膜應力的方法。對於微電子機械系統(MEMS)加工中所常用的材料(二氧化矽、氮化矽、多晶矽、金屬等)，由於在工藝線薄膜的生長過程中，通常是矽片的正反兩面同時生長出薄膜，由於傳統的「Stoney」公式1R=6(1-s)Esds2(u1du1+u2du2++undun)]]>其中Es是矽片材料的楊氏模量，υs是矽片材料的泊松比，ds是矽片材料的厚度，du1，…，dun分別是矽片上面n層薄膜的厚度，σu1，…，σun分別是矽片上面n層薄膜的應力，R是複合結構的曲率半徑。
此公式適用於矽片一面有薄膜的情況，所以對多層薄膜而言，常見的提取過程是首先腐蝕掉矽片背面的所有薄膜層，再從上而下依次腐蝕掉矽片正面的薄膜層，通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀，依次測出所對應的由矽片和正面薄膜層所構成複合結構撓曲的曲率半徑，用傳統的「Stoney」公式即可得到各層薄膜中的應力。可見，由傳統的「Stoney」公式提取薄膜應力，需要很多的腐蝕工序，並且在完成參數提取後，矽片上的薄膜層已被腐蝕掉，需要重新生長薄膜，才能繼續後續加工。
發明內容
技術問題本發明的目的在於提供一種測量矽片上多層膜應力的方法，該測量方法無需腐蝕矽片正面的薄膜層，只需要依次腐蝕掉矽片背面的各層薄膜，測出對應複合結構的曲率半徑，就可以提取各層薄膜的應力。
技術方案該測量方法為依次腐蝕掉矽片背面的各層薄膜，通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀測出由矽片和正面薄膜層及剩餘背面薄膜層所構成複合結構撓曲的曲率半徑，再由應力關係式1R=6(1-s)Esds2i=k+1nuidui]]>得到各層薄膜的應力，使之滿足矽片正反兩面都有薄膜的情況，其中Es是矽片材料的楊氏模量，υs是矽片材料的泊松比，ds是矽片材料的厚度，k是矽片背面的薄膜的層數，n是矽片正面的薄膜的層數，並且k≤n，σui是矽片上面第i層薄膜的應力，R是複合結構的曲率半徑，dui是矽片上面第i層薄膜的厚度，並且滿足ds＞＞du1+du2+…+dun+dd1+dd2…ddn，即多層薄膜的厚度之和遠小於矽片厚度，具體包括如下步驟a、、腐蝕矽片背面第n層，即最外層，則k＝n-1，應力關係式變為1R1=6(1-s)Esds2undun]]>通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀測出此時的曲率半徑R1，由上式可解得第n層薄膜中的應力σun；b、再腐蝕背面第n-1層，即次外層，即k＝n-2，應力關係式變為1R2=6(1-s)Esds2(undun+u(n-1)du(n-1))]]>通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀測出此時的曲率半徑R2，由上式可解得第n-1層薄膜中的應力σu(n-1)；c、依次腐蝕掉背面的所有薄膜層，由應力關係式即可依次解得各層薄膜中的應力。
①當k＝0時，退化成傳統的「Stoney」公式
1R=6(1-s)Esds2(u1du1+u2du2++undun)]]>②當k＝n時，表示複合結構兩面薄膜的生長情況相同，複合結構不會發生撓曲，③當0＜k＜n時，表示複合結構兩面薄膜的情況不同，即背面已經腐蝕掉了一部分薄膜層，此時複合結構會發生彎曲，有益效果本發明的優點(1)本發明的測量方法只需腐蝕矽片單面的膜，相對與傳統的需腐蝕兩面的膜的方法簡單，減少了n次腐蝕工序；(2)本發明保留了矽片正面的薄膜層，對有用層沒有破壞性；(3)測試所用的矽片可以繼續投入後道工藝的加工。
圖1是本發明的實施例中複合結構在薄膜應力作用下撓曲的截面圖。其中有矽片101，二氧化矽薄膜102，氮化矽薄膜103，二氧化矽薄膜104，多晶矽薄膜105。
圖2是本發明的實施例中腐蝕背面多晶矽薄膜後複合結構彎曲的面形分布圖。
圖3是用傳統的「Stoney」公式提取薄膜應力流程圖。
圖4是用本發明推廣的「Stoney」公式提取薄膜應力流程圖。
具體實施方案以下結合附圖對本發明的實施例的具體結構做進一步描述圖1是腐蝕背面多晶矽後複合結構在薄膜應力作用下撓曲的截面圖。矽片101，厚度是365微米，楊氏模量是165GPa，泊松比是0.22；二氧化矽薄膜102的厚度是0.233微米；氮化矽薄膜103的厚度是0.09微米；二氧化矽薄膜104的厚度是0.52微米；多晶矽薄膜105厚度是0.62微米。
依次腐蝕掉矽片背面的各層薄膜，通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀，測出由矽片和正面薄膜層及剩餘背面薄膜層所構成複合結構撓曲的曲率半徑，再由應力關係式1R=6(1-s)Esds2i=k+1nuidui]]>就可以得到各層薄膜的應力；圖2是用薄膜曲率測試儀測得的腐蝕背面的多晶矽薄膜後複合結構彎曲的面形分布圖，根據面形分布數據求出曲率半徑，再根據應力關係式1R=6(1-s)Esds2i=k+1nuidui]]>可求得二氧化矽薄膜102，氮化矽薄膜103，二氧化矽薄膜104，多晶矽薄膜105中的應力分別176MPa、-699MPa、35MPa、481MPa(其中拉應力為正，壓應力為負)。
權利要求
1.一種測量矽片上多層膜應力的方法，其特徵在於該測量方法為依次腐蝕掉矽片背面的各層薄膜，通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀測出由矽片和正面薄膜層及剩餘背面薄膜層所構成複合結構撓曲的曲率半徑，再由應力關係式1R=6(1-s)Esds2i=k+1nuidui]]>得到各層薄膜的應力，使之滿足矽片正反兩面都有薄膜的情況，其中Es是矽片材料的楊氏模量，υs是矽片材料的泊松比，ds是矽片材料的厚度，k是矽片背面的薄膜的層數，n是矽片正面的薄膜的層數，並且k≤n，σui是矽片上面第i層薄膜的應力，R是複合結構的曲率半徑，dui是矽片上面第i層薄膜的厚度，並且滿足ds＞＞du1+du2+…+dun+dd1+dd2…ddn，即多層薄膜的厚度之和遠小於矽片厚度，具體包括如下步驟a、腐蝕矽片背面第n層，即量外層，則k＝n-1，應力關係式變為1R1=6(1-s)Esds2undun]]>通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀測出此時的複合結構的曲率半徑R1，由上式可解得第n層薄膜中的應力σun；b、再腐蝕背面第n-1層，即次外層，即k＝n-2，應力關係式變為1R2=6(1-s)Esds2(undun+u(n-1)du(n-1))]]>通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀測出此時的複合結構的曲率半徑R2，由上式可解得第n-1層薄膜中的應力σn(n-1)；c、依次腐蝕掉背面的所有薄膜層，由應力關係式即可依次解得各層薄膜中的應力。
全文摘要
一種測量矽片上多層膜應力的方法，該測量方法為依次腐蝕掉矽片背面的各層薄膜，通過雷射幹涉儀或者表面輪廓儀測出由矽片和正面薄膜層及剩餘背面薄膜層所構成複合結構撓曲的曲率半徑，再由應力關係式(見上式)得到各層薄膜的應力，使之滿足矽片正反兩面都有薄膜的情況，基於背面腐蝕的多層膜應力測試方法，可以簡化測量過程，減少腐蝕工序，僅需要依次腐蝕矽片背面的各層薄膜，用雷射全場測量法測出相應的曲率半徑，無須腐蝕基片正面有用層，就可以提取各層薄膜的應力。該方法解決了傳統的測量矽片上多層膜應力的方法中需要很多腐蝕工序，並且在完成參數提取後，片上的薄膜層已被腐蝕掉，需要重新生長薄膜。
文檔編號G01N21/45GK1605851SQ200410065789
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月19日 優先權日2004年11月19日
發明者聶萌, 黃慶安 申請人:東南大學