專利名稱：多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)材料參數(shù)在線測試技術(shù)，尤其涉及的是一種多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)及其測試方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電器件MEMS的性能與材料物理參數(shù)有密切的關(guān)系，而制造微機(jī)電器件的材料物理參數(shù)又與制造工藝過程有關(guān)，即存在制造工藝過程不同，材料物理參數(shù)也會有不同的情況。多晶硅是制造微機(jī)電器件結(jié)構(gòu)的重要的和基本的材料，通常通過化學(xué)氣相沉積 (CVD)方法制造得到。多晶硅斷裂強(qiáng)度是該材料的重要物理參數(shù)，多晶硅斷裂強(qiáng)度可以通過制作測試樣品由專門的儀器進(jìn)行離線測試，但也因此失去了實(shí)時(shí)性。微機(jī)電產(chǎn)品的制造廠商希望能夠在工藝線內(nèi)通過通用的測量儀器進(jìn)行在線測試，及時(shí)地反映工藝控制水平，因此，在線測試成為工藝監(jiān)控的必要手段。在線測試結(jié)構(gòu)和材料物理參數(shù)的計(jì)算提取方法是實(shí)現(xiàn)在線測試的基本要素，測試完全采用電學(xué)激勵和電學(xué)測量的方法，通過電學(xué)量數(shù)值以及針對性的計(jì)算方法，可以得到材料的物理參數(shù)。通過熱膨脹所產(chǎn)生的拉力拉伸材料使之?dāng)嗔咽沁M(jìn)行多晶硅斷裂強(qiáng)度測試的一種常用方法。但是，定量計(jì)算材料的熱膨脹量需要知道材料的熱膨脹系數(shù)，而熱膨脹系數(shù)的具體數(shù)值也和制造工藝過程有關(guān)，因此，首先需要在線測試材料的熱膨脹系數(shù)，但目前存在的大多數(shù)熱膨脹系數(shù)在線測量方法存在精度低和穩(wěn)定性差的問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)及其測試方法，對測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的電流激勵并測量相關(guān)電阻，將測量得到的相關(guān)電阻值代入計(jì)算公式，利用多個計(jì)算方程消去熱膨脹系數(shù)，最終得到多晶硅的斷裂強(qiáng)度。技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明的測試結(jié)構(gòu)包括第一測試單元、第二測試單元、第三測試單元和絕緣襯底，所述第一測試單元、第二測試單元和第三測試單元設(shè)置在絕緣襯底上；所述第一測試單兀包括第一對固定錨區(qū)、第一獨(dú)立錨區(qū)、第一多晶娃接觸塊、第一多晶硅指針和第一多晶硅膨脹條，其中第一對固定錨區(qū)和第一獨(dú)立錨區(qū)分別固定在絕緣襯底上，第一多晶硅膨脹條的兩端分別固定在第一對固定錨區(qū)上，第一多晶硅指針的一端固定在第一多晶硅膨脹條中間，另一端懸空，第一多晶硅接觸塊位于第一多晶硅指針的懸空端且固定在第一獨(dú)立錨區(qū)上，第一多晶硅接觸塊、第一多晶硅指針和第一多晶硅膨脹條分別懸空；第二測試單元包括第二對固定錨區(qū)、第二獨(dú)立錨區(qū)、第二多晶硅接觸塊、第二多晶硅指針和第二多晶硅膨脹條，其中第二對固定錨區(qū)和第二獨(dú)立錨區(qū)分別固定在絕緣襯底上，第二多晶硅膨脹條的兩端分別固定在第二對固定錨區(qū)上，第二多晶硅指針的一端固定在第二多晶硅膨脹條中間，另一端懸空，第二多晶硅接觸塊位于第二多晶硅指針的懸空端且固定在第二獨(dú)立錨區(qū)上，第二多晶硅接觸塊、第二多晶硅指針和第二多晶硅膨脹條分別懸空，第一多晶硅指針比第二多晶硅指針短；第三測試單元包括第三對固定錨區(qū)、第三獨(dú)立錨區(qū)、多晶硅驅(qū)動梁和多晶硅斷裂條；其中第三對固定錨區(qū)和第三獨(dú)立錨區(qū)分別固定在絕緣襯底上，多晶硅驅(qū)動梁的兩端分別固定在第三對固定錨區(qū)上，多晶硅斷裂條的一端固定在多晶硅驅(qū)動梁的中間，另一端固定在第三獨(dú)立錨區(qū)多晶硅驅(qū)動梁和多晶硅斷裂條分別懸空。所述第一多晶娃膨脹條包括第一左支條和第一右支條,第一左支條和第一右支條的一端分別固定在第一對固定錨區(qū)上，另一端相互搭接，第一右支條位于第一左支條之上， 第一左支條和第一右支條上分別設(shè)有第一狹長部位，第一多晶硅指針固定在第一左支條和第一右支條搭接處，第一多晶硅接觸塊位于第一多晶硅指針的左側(cè)。所述第二多晶硅膨脹條包括第二左支條和第二右支條，第二左支條和第二右支條的一端分別固定在第二對固定錨區(qū)上，另一端相互搭接，第二右支條位于第二左支條之上， 第二左支條和第二右支條上分別設(shè)有第二狹長部位，第二多晶硅指針固定在第二左支條和第二右支條搭接處，第二多晶硅接觸塊位于第二多晶硅指針的左側(cè)。所述多晶硅驅(qū)動梁的兩端為驅(qū)動臂，驅(qū)動臂分別與第三對固定錨區(qū)相連。一種多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試方法，包括以下步驟(I)測量室溫下第一左支條和第一右支條上第一狹長部位的總電阻值Ra，測量室溫下多晶硅驅(qū)動梁兩端驅(qū)動臂的總電阻值Rb，測量室溫下第一對固定錨區(qū)之間的電阻值 Rc，測量室溫下第三對固定錨區(qū)之間的電阻值Re，(2)對第一測試單元在第一對固定錨區(qū)之間施加電流，當(dāng)左側(cè)的固定錨區(qū)和第一獨(dú)立錨區(qū)之間的電阻由無窮大變?yōu)橛邢拗?，記錄此時(shí)第一對固定錨區(qū)之間的電阻值rct，同理，測量第二對固定錨區(qū)之間的電阻值Rdt ；(3)對第三測試單元在第三對固定錨區(qū)之間施加電流，當(dāng)其中任意一個固定錨區(qū)和第三獨(dú)立錨區(qū)之間的電阻由有限值變?yōu)闊o窮大時(shí)，記錄此時(shí)第三對固定錨區(qū)之間的電阻值Ret ；(4)計(jì)算多晶硅的斷裂應(yīng)變e E，
權(quán)利要求
1.一種多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一測試單元、第二測試單元、第三測試單元和絕緣襯底，所述第一測試單元、第二測試單元和第三測試單元設(shè)置在絕緣襯底上；所述第一測試單元包括第一對固定錨區(qū)(C-C)、第一獨(dú)立錨區(qū)(D)、第一多晶硅接觸塊 (101)、第一多晶硅指針(102)和第一多晶硅膨脹條(103)，其中第一對固定錨區(qū)(C-C)和第一獨(dú)立錨區(qū)(D)分別固定在絕緣襯底上，第一多晶硅膨脹條(103)的兩端分別固定在第一對固定錨區(qū)(C-C)上，第一多晶硅指針(102)的一端固定在第一多晶硅膨脹條(103)中間，另一端懸空，第一多晶硅接觸塊(101)位于第一多晶硅指針(102)的懸空端且固定在第一獨(dú)立錨區(qū)(D)上，第一多晶硅接觸塊(101)、第一多晶硅指針(102)和第一多晶硅膨脹條 (103)分別懸空；第二測試單元包括第二對固定錨區(qū)(E-E)、第二獨(dú)立錨區(qū)(F)、第二多晶硅接觸塊 (201)、第二多晶硅指針(202)和第二多晶硅膨脹條(203)，其中第二對固定錨區(qū)(E-E)和第二獨(dú)立錨區(qū)(F)分別固定在絕緣襯底上，第二多晶硅膨脹條(203)的兩端分別固定在第二對固定錨區(qū)(E-E)上，第二多晶硅指針(202)的一端固定在第二多晶硅膨脹條(203)中間，另一端懸空，第二多晶硅接觸塊(201)位于第二多晶硅指針(202)的懸空端且固定在第二獨(dú)立錨區(qū)(F)上，第二多晶硅接觸塊(201)、第二多晶硅指針(202)和第二多晶硅膨脹條 (203)分別懸空，第一多晶硅指針(102)比第二多晶硅指針(202)短；第三測試單元包括第三對固定錨區(qū)(G-G)、第三獨(dú)立錨區(qū)(H)、多晶硅驅(qū)動梁(301)和多晶硅斷裂條(302);其中第三對固定錨區(qū)(G-G)和第三獨(dú)立錨區(qū)(H)分別固定在絕緣襯底上，多晶硅驅(qū)動梁(301)的兩端分別固定在第三對固定錨區(qū)(G-G)上，多晶硅斷裂條 (302)的一端固定在多晶硅驅(qū)動梁(301)的中間，另一端固定在第三獨(dú)立錨區(qū)(H)，多晶硅驅(qū)動梁(301)和多晶硅斷裂條(302)分別懸空。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一多晶娃膨脹條(103)包括第一左支條(104)和第一右支條(105),第一左支條(104)和第一右支條(105)的一端分別固定在第一對固定錨區(qū)(C-C)上，另一端相互搭接，第一右支條 (105)位于第一左支條(104)之上,第一左支條(104)和第一右支條(105)上分別設(shè)有第一狹長部位(106)，第一多晶硅指針(102)固定在第一左支條(104)和第一右支條(105)搭接處，第一多晶硅接觸塊(101)位于第一多晶硅指針(102)的左側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第二多晶硅膨脹條(203)包括第二左支條(204)和第二右支條(205)，第二左支條(204)和第二右支條(205)的一端分別固定在第二對固定錨區(qū)(E-E)上，另一端相互搭接，第二右支條 (205)位于第二左支條(204)之上，第二左支條(204)和第二右支條(205)上分別設(shè)有第二狹長部位(206)，第二多晶硅指針(202)固定在第二左支條(204)和第二右支條(205)搭接處，第二多晶硅接觸塊(201)位于第二多晶硅指針(202)的左側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)，其特征在于所述多晶硅驅(qū)動梁(301)的兩端為驅(qū)動臂(303)，驅(qū)動臂(303)分別與第三對固定錨區(qū)(G-G)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試方法，其特征在于，包括以下步驟(I)測量室溫下第一左支條(104)和第一右支條(105)上第一狹長部位(106)的總電阻值Ra，測量室溫下多晶硅驅(qū)動梁(301)兩端驅(qū)動臂(303)的總電阻值Rb，測量室溫下第一對固定錨區(qū)(C-C)之間的電阻值R。，測量室溫下第三對固定錨區(qū)(G-G)之間的電阻值Re，(2)對第一測試單元在第一對固定錨區(qū)(C-C)之間施加電流，當(dāng)左側(cè)的固定錨區(qū)和第一獨(dú)立錨區(qū)(D)之間的電阻由無窮大變?yōu)橛邢拗?，記錄此時(shí)第一對固定錨區(qū)(C-C)之間的電阻值Rct,同理，測量第二對固定錨區(qū)(E-E)之間的電阻值Rdt;(3)對第三測試單元在第三對固定錨區(qū)(G-G)之間施加電流，當(dāng)其中任意一個固定錨區(qū)和第三獨(dú)立錨區(qū)(H)之間的電阻由有限值變?yōu)闊o窮大時(shí)，記錄此時(shí)第三對固定錨區(qū) (G-G)之間的電阻值Ret ；(4)計(jì)算多晶硅的斷裂應(yīng)變εΕ，_ - βχ + ^]β2X2 +4fi2ykESe= Wy其中χ，y根據(jù)下面的公式求解得到， χ+y = kcλ X+ λ 2y = kDL2 L3 ■ L2 j _ Rct _ Re i _ Rdt _ Re Ir _ ^etA =——φ - - ,kC - n ,KD - n ,KE ~ D，LI L4-L5RaRaRbLI是第二多晶硅指針(202)的長度，L2是第一多晶硅指針(102)的長度，L3是第一左支條(104)上第一狹長部位(106)的長度，L4是第一多晶硅指針(102)和第一多晶硅接觸塊(101)的水平距離，L5是第一多晶硅指針(102)的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)(107)和第一右支條(105) 上第一狹長部位(106)的水平中心線之間的垂直距離；(5)計(jì)算多晶硅的斷裂強(qiáng)度oBS:^BSBS — j^BS c E是多晶硅發(fā)生斷裂時(shí)的楊氏模量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶硅斷裂強(qiáng)度的在線測試結(jié)構(gòu)及其測試方法，對測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的電流激勵并測量相關(guān)電阻，將測量得到的相關(guān)電阻值代入計(jì)算公式，利用多個計(jì)算方程消去熱膨脹系數(shù)，最終得到多晶硅的斷裂強(qiáng)度。本發(fā)明的測試方法簡單，測試設(shè)備要求低，測試結(jié)構(gòu)的加工過程與微機(jī)電器件MEMS同步，沒有特殊加工要求，符合在線測試的要求，計(jì)算方法僅限于簡單數(shù)學(xué)方程，測試與計(jì)算過程穩(wěn)定，輸出結(jié)果可靠。
文檔編號G01N27/04GK102590282SQ20121000736
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者劉海韻, 周再發(fā), 張衛(wèi)青, 李偉華, 蔣明霞 申請人:東南大學(xué)