薄膜残余应力测量结构及其制作和测试方法.pdf

本发明公开了一种薄膜残余应力测量结构及其制作和测试方法，将任意形状的测试平板1通过任意形状和位置的支撑锚点2悬置于基底3上，牺牲层4填充在测试平板1和基底3之间，测试平板1的厚度、支撑锚点2的高度均与待测应力的器件一致。测试时，将待测应力的器件和薄膜残余应力测量结构6置于腐蚀液7内，当测试平板1的自由端悬置长度δ达到某一临界值时，其悬置部分将出现瞬间的屈曲变形，记录下该时刻的δ值以及屈曲变形模态，以此分析计算得到测试平板1中的残余应力大小及其状态。本发明极大地节省了器件版图空间，提高了版图空间的利用率，并且利用一个薄膜残余应力测量结构6就能同时满足大量程的残余压应力或拉应力的测量要求。

权利要求书
1、  薄膜残余应力测量结构，包括一个测试平板1、一个支撑锚点2和牺牲层4，其特征在于：测试平板1通过支撑锚点2悬置于基底3上，牺牲层4填充在测试平板1和基底3之间；支撑锚点2的位置和形状任意，测试平板1的形状任意，测试平板1的厚度与待测应力器件的薄膜厚度一致，支撑锚点2的高度与待测应力器件的锚点高度一致。

2、  薄膜残余应力测量结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)在基底3的表面淀积牺牲层4，并在牺牲层4上刻蚀出支撑锚点2的淀积孔；
(b)淀积残余应力待测的结构薄膜层和支撑锚点2，并在结构薄膜层上刻蚀出测试平板1。

3、  薄膜残余应力测量结构的测试方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)搭建测量装置，将包含待测应力的器件和薄膜残余应力测量结构6的样品置于释放槽5内，释放槽5内充满腐蚀液7，用透明盖板8将释放槽5盖住；利用显微镜9、CCD摄像仪10和电脑显示屏12对释放过程进行在线监控，并将录制的视频数据保存在电脑主机11上；
(b)腐蚀液7腐蚀牺牲层4使测试平板1得到释放，用显微镜9实时观察牺牲层4的腐蚀前端13，记录下测试平板1在发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ；
(c)在已知测试平板1的几何尺寸、发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ以及待测薄膜的基本材料属性的情况下，利用有限元仿真方法，对结构进行屈曲分析，求得的临界屈曲应力载荷即为测试平板1中存在的残余应力大小，并通过测试平板1的屈曲变形模态判断是压应力还是拉应力。

4、  根据权利要求3的薄膜残余应力测量结构的测试方法，其特征在于：所述的步骤(b)把由一组尺寸均匀变化的测试平板1组成的薄膜残余应力测量结构6置于释放槽5内，经过足够长的时间，腐蚀液7完全腐蚀掉牺牲层4，使各个测试平板1都得到彻底释放，此时由显微镜9观察得到的发生屈曲变形的最小尺寸测试平板1的半径或边长值的1/2即为自由端悬置长度δ。

说明书薄膜残余应力测量结构及其制作和测试方法
技术领域
本发明属于测量领域，涉及薄膜残余应力的测量。
背景技术
近十年来，表面硅微加工技术在微机电系统(MEMS)领域得到了广泛应用，大量的微传感器、微致动器等MEMS器件都在该技术的基础上研制成功。然而，由于表面工艺通常情况都是在高温条件下进行的，因此工艺结束以后、在冷却至室温的过程中，结构薄膜的内部将产生很大的热应力。同时，在薄膜的淀积过程中也会出现较大的内应力。这两部分应力是薄膜残余应力的主要来源，最终表现为压应力和拉应力两种状态。过大的残余应力将极大影响MEMS结构或器件的使用性能和工作可靠性，甚至导致结构失效。因此，有效监控结构薄膜内部的应力状况(包括应力状态和大小)对改进和优化工艺参数、改善器件工作性能、提高器件成品率、降低研制成本等具有积极的促进意义。
临界屈曲法是较早出现，并且获得广泛应用的一种薄膜残余应力测量技术。它的基本工作原理是：通过观察结构在薄膜残余应力作用下的临界屈曲点，经推导求出结构内部的薄膜残余应力大小及其状态。H.Guckel等人于1985年最先利用这种方法提出了一种测量薄膜残余应力的结构，其制作和测试方法如下：
采用表面硅微加工技术，在MEMS器件版图上设计一组宽度相同、长度均匀增加的两端固支微梁阵列，见附图1(a)。该微梁阵列经历与器件完全相同的工艺流程，因此可以认为其结构内部的残余应力状况与器件中的一致。当牺牲层释放以后，微梁结构变为自由体，其内部的残余应力也随之释放。此时，当微梁的长度超过某一临界值时，微梁将发生屈曲变形，而该长度以下的微梁仍保持平直。利用光学显微镜或扫描电镜(SEM)观察发生屈曲变形的最短微梁，根据其几何尺寸以及结构薄膜的基本材料属性可以推出结构内部的残余应力大小。
利用上述的观察微梁阵列屈曲变形的方法只能测压应力，对于拉应力情况不能适用。1988年，H.Guckel等人又提出了另一种利用临界屈曲法工作的薄膜残余应力测量结构——Guckel环，见附图1(b)。当环内的拉应力达到某一量值时，圆形的环将变成椭圆形，并进一步引起环中心处的直梁发生屈曲变形。因此，设计一组不同半径的Guckel环，由发生屈曲变形的最小圆环几何尺寸和结构薄膜的基本材料属性可以推出结构内部的拉应力大小。然而，这种结构只能用于测拉应力。
H. Guckel等人利用临界屈曲法设计的薄膜残余应力测量结构具有设计简单、测量方便等优点，因此至今仍然被广泛使用着。然而，为了测得残余应力的大小，必须设计一组尺寸逐渐变化的结构阵列，这将占用较大的并且十分宝贵的器件版图空间，尤其是Guckel环，这个问题更加严重。同时，不管是微梁阵列还是Guckel环阵列，都只能用于单一状态的残余应力测量，如果预先不知道结构薄膜内部的残余应力状态，则需要同时使用这两组结构阵列，这势必造成版图空间的进一步浪费。
发明内容
为了克服现有技术中薄膜残余应力测量结构占用器件版图空间大、单一结构阵列不能同时测量残余压应力和拉应力的缺陷，本发明提出了一种利用临界屈曲法测量薄膜残余应力的新结构及其制作和测试方法，使测试结构占用极小的器件版图空间，并且使用一个测试结构就能同时测得结构薄膜内部的残余压应力或拉应力大小。
本发明提出的薄膜残余应力测量结构6包括一个测试平板1、一个支撑锚点2和牺牲层4，测试平板1通过支撑锚点2悬置于基底3上，牺牲层4填充在测试平板1和基底3之间。支撑锚点2的位置和形状可以任意。测试平板1可以为圆形、方形等任意形状。测试平板1的厚度与待测应力器件的薄膜厚度一致，支撑锚点2的高度与待测应力器件的锚点高度一致。由于工艺原因，测试平板1在支撑锚点2处有凹陷，凹陷形状与锚点形状一致。
薄膜残余应力测量结构6采用表面硅微加工技术制作，如图7所示，其加工工艺流程包括以下步骤：
(a)在基底3的表面淀积牺牲层4，并在牺牲层4上刻蚀出支撑锚点2的淀积孔；
(b)淀积残余应力待测的结构薄膜层和支撑锚点2，并在结构薄膜层上刻蚀出测试平板1。
利用上述的薄膜残余应力测量结构6测量薄膜残余应力，其基本步骤如下：
第一步：搭建测量装置。如图8所示，将包含待测应力的器件和薄膜残余应力测量结构6的样品置于释放槽5内，释放槽5内充满了腐蚀液7，用透明盖板8将释放槽5盖住；利用显微镜9、CCD摄像仪10和电脑显示屏12对整个释放过程进行在线监控，并将录制的视频数据保存在电脑主机11上。
第二步：获取薄膜残余应力测量结构6在应力作用下发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ。腐蚀液7腐蚀牺牲层4使测试平板1得到释放，在这个过程中，测试平板1的自由端悬置长度δ越来越大，而结构在z轴方向上的刚度却变得越来越小。对于一定的应力载荷，当自由端悬置长度δ达到某一临界值时，测试平板1的悬置部分将出现瞬间的屈曲变形，记录下该时刻的δ值。对于测试平板1在显微镜9的灯光下是透明的情况，用显微镜9可以实时观察到牺牲层4的腐蚀前端13，因此很容易得到测试平板1在发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ。对于测试平板1在显微镜9的灯光下是不透明的情况，可以把由一组尺寸均匀变化的测试平板1组成的薄膜残余应力测量结构6置于释放槽5内，经过足够长的时间，腐蚀液7完全腐蚀掉牺牲层4，使各个测试平板1都得到彻底释放，此时由显微镜9观察得到的发生屈曲变形的最小尺寸测试平板1的半径或边长值的1/2即为自由端悬置长度δ。
第三步：分析计算得到测试平板1中的残余应力。在已知测试平板1的几何尺寸、发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ以及待测薄膜的基本材料属性的情况下，利用有限元仿真方法，对结构进行屈曲分析，求得的临界屈曲应力载荷即为测试平板1中存在的残余应力大小，是否压应力还是拉应力由测试平板1的屈曲变形模态判断。
与现有技术相比，本发明只需要一个测试结构就能同时测得结构薄膜内部的残余压应力或拉应力大小，因此极大地节省了器件版图空间，提高了版图空间的利用率。同时，一个测试结构就能满足大量程(几MPa～几十GPa)的应力测试需要。
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
附图说明
图1是现有的利用临界屈曲法工作的薄膜残余应力测量结构示意图
图2是本发明提出的实施例1中的薄膜残余应力测量结构6示意图
图3是图2中的A-A向剖视图
图4是本发明提出的实施例2中的薄膜残余应力测量结构6示意图
图5是图4中的B-B向剖视图
图6是本发明提出的实施例3中的薄膜残余应力测量结构6示意图
图7是本发明提出的薄膜残余应力测量结构6所采用的微加工工艺流程图
图8是利用本发明提出的薄膜残余应力测量结构6进行薄膜残余应力测量的实验装置图
图9是本发明实施例1中的薄膜残余应力测量结构6在释放过程中的某一时刻示意图
图10是本发明实施例2中的薄膜残余应力测量结构6在释放过程中的某一时刻示意图
图11是实施例1中提出的薄膜残余应力测量结构6的测试平板1在发生屈曲变形时的两种典型模态图
图12是实施例2中提出的薄膜残余应力测量结构6的测试平板1在发生屈曲变形时的两种典型模态图
图中，1-测试平板；2-支撑锚点；3-基底；4-牺牲层；5-释放槽；6-薄膜残余应力测量结构；7-腐蚀液；8-透明盖板；9-显微镜；10-CCD摄像仪；11-电脑主机；12-电脑显示屏；13-腐蚀前端。
具体实施方式
实施例1：
参照图2，图3，薄膜残余应力测量结构6包括一个测试平板1、一个支撑锚点2和牺牲层4，测试平板1通过支撑锚点2悬置于基底3上，牺牲层4填充在测试平板1和基底3之间。测试平板1为圆形，且在显微镜9的灯光下是透明的。支撑锚点2也为圆形，且位于测试平板1的中心。测试平板1的厚度和支撑锚点2的高度与待测应力的器件一致。由于工艺原因，测试平板1在支撑锚点2处有凹陷，凹陷形状为与锚点形状一致的圆形。
薄膜残余应力测量结构6采用表面硅微加工技术制作，如图7所示，其加工工艺流程包括以下步骤：
(a)在基底3的表面淀积牺牲层4，并在牺牲层4上刻蚀出支撑锚点2的淀积孔。
(b)淀积残余应力待测的结构薄膜层和支撑锚点2，并在结构薄膜层上刻蚀出测试平板1。
利用上述的薄膜残余应力测量结构6测量薄膜残余应力，其基本步骤如下：
第一步：搭建测量装置。如图8所示。将包含待测应力的器件和薄膜残余应力测量结构6的样品置于释放槽5内，释放槽5内充满了腐蚀液7，用透明盖板8将释放槽5盖住；利用显微镜9、CCD摄像仪10和电脑显示屏12对整个释放过程进行在线监控，并将录制的视频数据保存在电脑主机11上。
第二步：获取薄膜残余应力测量结构6在应力作用下发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ。腐蚀液7腐蚀牺牲层4使测试平板1得到释放，在这个过程中，测试平板1的自由端悬置长度δ越来越大，而结构在z轴方向上的刚度却变得越来越小。对于一定的应力载荷，当自由端悬置长度δ达到某一临界值时，测试平板1的悬置部分将出现瞬间的屈曲变形。由于测试平板1在显微镜9的灯光下是透明的，用显微镜9可以实时观察到牺牲层4的腐蚀前端13，因此直接记录下测试平板1在发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ。
第三步：分析计算得到测试平板1中的残余应力。在已知测试平板1的几何尺寸(如半径R、厚度t)、发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ以及待测薄膜的基本材料属性的情况下，利用有限元仿真软件，对结构进行屈曲分析，求得的临界屈曲应力载荷即为测试平板1中存在的残余应力大小。当在显微镜9下观察到测试平板1的悬置部分具有如图11(a)所示的周边波纹状屈曲变形模态时，则测试平板1中为压应力；当观察到测试平板1的悬置部分具有如图11(b)所示的碗状屈曲变形模态时，则测试平板1中为拉应力。
实施例2：
参照图4、图5，薄膜残余应力测量结构6包括一个测试平板1、一个支撑锚点2和牺牲层4，测试平板1通过支撑锚点2悬置于基底3上，牺牲层4填充在测试平板1和基底3之间。测试平板1为正方形，中间开正方形的孔，且在显微镜9的灯光下是透明的。支撑锚点2为位于测试平板1外周边的正方形环。测试平板1的厚度和支撑锚点2的高度与待测应力的器件一致。由于工艺原因，测试平板1在支撑锚点2处有凹陷，凹陷形状为与锚点形状一致的正方形环。
薄膜残余应力测量结构6采用表面硅微加工技术制作，如图7所示，其加工工艺流程包括以下步骤：
(a)在基底3的表面淀积牺牲层4，并在牺牲层4上刻蚀出支撑锚点2的淀积孔；
(b)淀积残余应力待测的结构薄膜层和支撑锚点2，并在结构薄膜层上刻蚀出测试平板1。
利用上述的薄膜残余应力测量结构6测量薄膜残余应力，其基本步骤如下：
第一步：搭建测量装置。如图8所示。将包含待测应力的器件和薄膜残余应力测量结构6的样品置于释放槽5内，释放槽5内充满了腐蚀液7，用透明盖板8将释放槽5盖住；利用显微镜9、CCD摄像仪10和电脑显示屏12对整个释放过程进行在线监控，并将录制的视频数据保存在电脑主机11上。
第二步：获取薄膜残余应力测量结构6在应力作用下发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ。腐蚀液7腐蚀牺牲层4使测试平板1得到释放，在这个过程中，测试平板1的自由端悬置长度δ越来越大，而结构在z轴方向上的刚度却变得越来越小。对于一定的应力载荷，当自由端悬置长度δ达到某一临界值时，测试平板1的悬置部分将出现瞬间的屈曲变形。由于测试平板1在显微镜9的灯光下是透明的，用显微镜9可以实时观察到牺牲层4的腐蚀前端13，因此直接记录下测试平板1在发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ。
第三步：分析计算得到测试平板1中的残余应力。在已知测试平板1的几何尺寸(如边长L、厚度t)、发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ以及待测薄膜的基本材料属性的情况下，利用有限元仿真软件，对结构进行屈曲分析，求得的临界屈曲应力载荷即为测试平板1中存在的残余应力大小。当在显微镜9下观察到测试平板1的悬置部分具有如图12(a)所示的内边波纹状屈曲变形模态时，则测试平板1中为压应力；当观察到测试平板1的悬置部分具有如图12(b)所示的倒扣碗状屈曲变形模态时，则测试平板1中为拉应力。
实施例3：
参照图6，薄膜残余应力测量结构6由一系列半径均匀增加的测试平板1阵列组成，每一个测试平板1通过一个支撑锚点2悬置于基底3上，牺牲层4填充在测试平板1和基底3之间。所有的测试平板1均为圆形，且在显微镜9的灯光下是不透明的。所有的支撑锚点2也为圆形，且位于对应的测试平板1的中心。每一个测试平板1的厚度和支撑锚点2的高度与待测应力的器件一致。由于工艺原因，测试平板1在支撑锚点2处有凹陷，凹陷形状为与锚点形状一致的圆形。
薄膜残余应力测量结构6采用表面硅微加工技术制作，如图7所示，其加工工艺流程包括以下步骤：
(a)在基底3的表面淀积牺牲层4，并在牺牲层4上刻蚀出支撑锚点2的淀积孔。
(b)淀积残余应力待测的结构薄膜层和支撑锚点2，并在结构薄膜层上刻蚀出测试平板1。
利用上述的薄膜残余应力测量结构6测量薄膜残余应力，其基本步骤如下：
第一步：搭建测量装置。如图8所示。将包含待测应力的器件和一组尺寸均匀变化的薄膜残余应力测量结构6的样品置于释放槽5内，释放槽5内充满了腐蚀液7，用透明盖板8将释放槽5盖住；利用显微镜9、CCD摄像仪10和电脑显示屏12对整个释放过程进行在线监控，并将录制的视频数据保存在电脑主机11上。
第二步：获取薄膜残余应力测量结构6在应力作用下发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ。腐蚀液7腐蚀牺牲层4使测试平板1得到释放，在这个过程中，测试平板1的自由端悬置长度δ越来越大，而结构在z轴方向上的刚度却变得越来越小。对于一定的应力载荷，当自由端悬置长度δ达到某一临界值时，测试平板1的悬置部分将出现瞬间的屈曲变形。经过足够长的时间，腐蚀液7将完全腐蚀掉牺牲层4，使各个测试平板1都得到彻底释放，此时由显微镜9观察得到的发生屈曲变形的最小尺寸测试平板1的半径即为自由端悬置长度δ。
第三步：分析计算得到测试平板1中的残余应力。在已知测试平板1的几何尺寸(如半径R、厚度t)、发生临界屈曲时的自由端悬置长度δ以及待测薄膜的基本材料属性的情况下，利用有限元仿真软件，对结构进行屈曲分析，求得的临界屈曲应力载荷即为测试平板1中存在的残余应力大小。当在显微镜9下观察到发生临界屈曲时的最小尺寸测试平板1具有类似图11(a)所示的周边波纹状屈曲变形模态时，则测试平板1中为压应力；当观察到测试平板1具有类似图11(b)所示的碗状屈曲变形模态时，则测试平板1中为拉应力。