СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЭМС-СТРУКТУРАХ
METHOD FOR MEASURING MECHANICAL STRESSES IN MEMS-BASED STRUCTURES

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кристаллов интегральных схем (ИС) и дискретных полупроводниковых приборов. Остаточные напряжения в материалах микроэлектромеханических систем (МЭМС) существенно влияют на процент выхода годных кристаллов и на надежность ИС. В связи с этим необходимо постоянное совершенствование способов контроля механических напряжений.
Известен способ определения механических напряжений в тонких пленках путем вытравливания в подложке окон и измерения геометрических размеров деформированной пленки, по которым судят о величине механических напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерений, после травления подложку скрайбируют по лицевой стороне через выбранные для исследования структуры так, чтобы излом прошел параллельно свободно висящему краю пленки, отламывают часть пластины и вновь скрайбируют ее параллельно полученному ранее излому с шагом, обеспечивающим прохождение излома через исследуемые структуры, вновь отламывают часть структуры подложки и располагают ее под углом α к оси электронного микроскопа [1].
Недостатком данного способа является операция скрайбирования, которая вносит механические напряжения в исследуемую структуру. Кроме этого, необходимость излома образца не позволяет проводить измерения на рабочих пластинах.
Наиболее близким по сути к изобретению является способ контроля величины остаточных напряжений в структуре пленка-подложка, включающий формирование между пленкой и подложкой промежуточного слоя заданной толщины, вскрытие в пленке методом фотолитографии окон в виде круга, отделение полоски пленки по краю окон на ширину 5-100 мкм путем селективного травления промежуточного слоя, определение относительного удлинения пленки по интерференционной картине в зазоре пленка-подложка и расчет остаточных напряжений σ по формуле
,
o
ƒ
ƒ
где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, L - длина исходной балки, μ - коэффициент Пуассона покрытия, Е - модуль Юнга покрытия [2].
Длину свободного конца балки L определяют по формуле
,
1
i
i-1
где L - расстояние от точки отсчета до первой линии интерференции; i - номер линии; n - количество линий интерференции; (L-L) - расстояние между двумя линиями интерференции с номерами i и (i-1); λ - длина волны света, в котором наблюдалась интерференционная картина (для зеленого λ=0,54 (мкм)) [3].
o
1
2
Учитывая, что каждое измерение размера переменной вносит некоторую погрешность в расчет механических напряжений, необходимо минимизировать число измерений. Кроме того, с уменьшением рассматриваемой области увеличивается точность измерений. Как известно, изображение, анализируемое исследователем, представляет собой матрицу 1000×1000 (пкс). Погрешность оператора составляет 1 (пкс). Количество измерений не менее трех: измерение Lдлины исходной балки, измерение L расстояния от точки отсчета до первой линии интерференции, измерение L расстояния от точки отсчета до второй линии интерференции. Количество линий интерференции более двух.
1
2
2
1
Проведем оценку величины L и L. Например, для L 70 (мкм) в случае минимального количества измерений, то есть две линии интерференции: значение L будет составлять около 70 (мкм), а значением L можно пренебречь. Погрешность будет составлять 1 (пкс), то есть около 70 (нм).
В процессе расчета механических напряжений количество переменных можно описать зависимостью (n+1). Минимальное количество переменных - 3 (при n=2, то есть две линии интерференции). Очевидно, что с увеличением количества линий интерференции (n=3; 4; 5…) количество переменных будет возрастать, а значит погрешность увеличится.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет измерения зазора с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) между краем балки и периферией пленки-покрытия до и после травления промежуточного слоя.
Поставленная задача решается тем, что измеряют механические напряжения в МЭМС структурах, включающих формирование между пленкой-покрытием и основой промежуточного слоя, промежуточный слой может иметь произвольную толщину, измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия посредством РЭМ и рассчитывают механические напряжения σ на рабочих пластинах по формуле
,
0
ƒ
ƒ
где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, d - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя, d - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия после травления промежуточного слоя, E - модуль Юнга покрытия, μ - коэффициент Пуассона покрытия.
0
Количество измерений переменных в заявляемом способе не меняется и составляет три, а именно измерение L длины свободной балки, измерение d зазора между краем балки и областью периферии пленки-покрытия после травления промежуточного слоя, измерение d зазора между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя. Следовательно, точность измерения в заявляемом способе возрастет по сравнению с прототипом за исключением случая, когда анализируемая картина будет иметь две линии интерференции.
Кроме того, можно сформировать зазор между краем исследуемой структуры и периферией пленки-покрытия, в m раз меньший по величине, чем длина исследуемой структуры, значит точность измерений увеличится в m раз.
Контроль относительного удлинения пленки по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия осуществляется посредством РЭМ на рабочих пластинах. Не требуется изготовление шаблонов. Промежуточный слой может иметь произвольную толщину. Измеряемый материал покрытия и промежуточный слой не ограничиваются оксидом кремния.
0
0
На фиг. 1 и на фиг. 2 представлен макет балочной структуры с контролируемыми параметрами, где L - длина исходной балки, d - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя, 1 - пленка-покрытие, 2 - промежуточный слой, 3 - балка, 4 - основа.
2
3
4
Пример конкретного применения. С помощью заявляемого способа проведены исследования и определены величины остаточных напряжений в МЭМС структурах на примере Si (основа) - SiO (промежуточный слой) - SiN (пленка-покрытие, исследуемый материал). При величине зазора между краем балки и периферией 5 (мкм), погрешность ΔL составит 5 (нм). Так как величина балки составляет 70 (мкм), то по сравнению с прототипом повышается точность измерений в 12 раз. Истинное значение σ рассчитано по формуле (3) с учетом деформации балки на величину 0.6 (мкм) и составляет 1.641 (ГПа).
Таким образом, заявляемый способ контроля механических напряжений в МЭМС по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения механических напряжений.
Источники информации
1. Патент СССР 1442012.
2. Патент РФ 2345337 – прототип.
2
3. В.А. Зеленин. Контроль остаточных напряжений в структурах Si-Si0. Доклады БГУИР, №8 (70), 2012.