СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЭМС СТРУКТУРАХ
METHOD FOR MEASURING MECHANICAL STRESSES IN MEMS 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.
Известен 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, E - 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, то 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.
Наиболее близким по сути к изобретению, является способ измерения механических напряжений в МЭМС структурах, включающий формирование между пленкой-покрытием и основой промежуточного слоя, причем промежуточный слой может иметь произвольную толщину, измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия посредством растрового электронного микроскопа и рассчитывают механические напряжения на рабочих пластинах по формуле:
o
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 [4].
К недостаткам прототипа можно отнести формирование промежуточного слоя между пленкой-покрытием и основой. Это вносит дополнительную операцию в технологический маршрут. Также, сужает диапазон применения способа, так как некоторые структуры (готовые изделия или в процессе формирования) состоят только из основы и пленки-покрытия.
Кроме того, в процессе освобождения напряжений в исследуемом фрагменте пленки-покрытия возникает подтрав в области периферии. Вследствие этого сдвигается граница периферийной области, что увеличивает погрешность измерений.
Также возможно проводить измерения с использованием различных типов микроскопов (не только растрового электронного микроскопа). Микроскоп применяют с целью измерения расстояния. Не обязательно использовать физический принцип, на котором работает растровый электронный микроскоп.
Можно проводить измерения не только на рабочих, но и на тестовых пластинах.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности контрольных измерений, обеспечение возможности работы с тестовыми и рабочими пластинами.
Поставленная задача решается тем, что измеряют механические напряжения в МЭМС структурах, включающие формирование пленки-покрытия на основе, причем измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краями балок пленки-покрытия посредством микроскопа и рассчитывают механические напряжения на пластинах по формуле:
o
ƒ
f
где L - длина свободного конца балки после травления фрагмента основы, b - зазор между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы, b - зазор между краями балок пленки-покрытия после травления фрагмента основы, E - модуль Юнга покрытия, μ - коэффициент Пуассона покрытия.
Возможность измерения без использования промежуточного слоя расширяет диапазон применения способа. В процессе формирования МЭМС структур часто используется набор материалов из нескольких пленок. Таким образом, исследуя каждую пленку в отдельности, можно получить более точные значения механических свойств используемых материалов.
0
o
o
Количество измерений переменных в заявляемом способе по сравнению с прототипом не меняется и составляет три, а именно: измерение L длины тестируемой балки после травления фрагмента основы, измерение b зазора между краями балок пленки-покрытия после травления фрагмента основы, измерение b зазора между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы. Однако, формируя одновременно две балки разной длины можно проверить результаты измерения механических напряжений, не проводя дополнительных технологических операций по формированию второй (контрольной) балки из пленки-покрытия. Для контрольной балки значения переменных b и b совпадают со значениями этих переменных для первой (тестируемой) балки. Таким образом, для измерений механических напряжений в двух структурах из пленки-покрытия, будет использоваться четыре переменные (b, b, L, L** - длина контрольной балки после травления фрагмента основы) вместо шести. В результате, сокращается количество измерений переменных на 2⋅m, где m - количество контрольных балок, значит, повышается точность контрольных измерений.
На примере растрового электронного микроскопа можно оценить погрешность, вносимую дополнительным измерением переменных. На мониторе изображение состоит из 1000 пкс. Погрешность, вносимая оператором, то есть за счет человеческого фактора, составляет не менее 1 пкс. Следовательно, погрешность контрольного измерения можно выразить как , где j - общее количество переменных, k - длина измеряемой j-структуры.
Если размер образцов находится в миллиметровом и более диапазоне, то возникают сложности с получением изображения исследуемой области структуры целиком в растровом электронном микроскопе. Поэтому, в некоторых случаях микроскопы с меньшим увеличением (по сравнению с растровым электронным) лучше подойдут для измерения механических напряжений.
0
0
На фиг. 1 и на фиг. 2 представлен макет балочной структуры с контролируемыми параметрами, где: L - длина тестируемой балки до травления фрагмента основы, L* - длина контрольной балки до травления фрагмента основы, b - зазор между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы, 1 - пленка-покрытие, 2 - тестируемая балка, 3 - основа, 4 - контрольная балка.
2
o
ƒ
ƒ
Пример конкретного применения. С помощью заявляемого способа проведены исследования и определены величины остаточных напряжений σ в МЭМС структурах на примере Si (основа) - плазмохимический SiO (пленка-покрытие, исследуемый материал). С использованием микроскопа было определено, что величина зазора b между краями балок пленки-покрытия до травления фрагмента основы 10.4 мкм, значение b зазора между краями балок пленки-покрытия после травления фрагмента основы 10.1 мкм, L длина свободного конца балки после травления фрагмента основы 75 мкм. С учетом значения упругих постоянных пленки-покрытия из оксида кремния (E/(1-μ)) 87.5 ГПа, значение механических напряжений σ составляет -350 (МПа).
o
Проведение контрольных измерений посредством отдельного формирования контрольной балки вносит следующую погрешность. Изображение на мониторе оператора растрового электронного микроскопа состоит из 1000 пкс. Погрешность, вносимая оператором, не менее 1 пкс. Значит, при измерении величины зазора bпогрешность составит 10.4 нм, при измерении величины зазора b погрешность составит 10.1 нм. Таким образом, при отдельном формирования контрольной балки длиной 75 мкм, абсолютная погрешность контрольного измерения составит 23.9 (МПа), относительная погрешность контрольного измерения 6.8%.
Таким образом, заявляемый способ контроля механических напряжений в МЭМС по сравнению с прототипом позволяет повысить точность контрольных измерений, расширение диапазона применения способа, в результате обеспечивается возможность работы с тестовыми и рабочими пластинами, расширить перечень инструментов для измерения.
Источники информации:
1. Патент СССР 1442012.
2. Патент РФ 2345337.
2
3. В.А. Зеленин. Контроль остаточных напряжений в структурах Si-SiO. Доклады БГУИР, №8(70), 2012.
4. Патент РФ 2624611 - прототип.