專利名稱：多晶硅斷裂強度的在線測試結構及其測試方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電系統材料參數在線測試技術，尤其涉及的是一種多晶硅斷裂強度的在線測試結構及其測試方法。
背景技術：
微機電器件MEMS的性能與材料物理參數有密切的關系，而制造微機電器件的材料物理參數又與制造工藝過程有關，即存在制造工藝過程不同，材料物理參數也會有不同的情況。多晶硅是制造微機電器件結構的重要的和基本的材料，通常通過化學氣相沉積 (CVD)方法制造得到。多晶硅斷裂強度是該材料的重要物理參數，多晶硅斷裂強度可以通過制作測試樣品由專門的儀器進行離線測試，但也因此失去了實時性。微機電產品的制造廠商希望能夠在工藝線內通過通用的測量儀器進行在線測試，及時地反映工藝控制水平，因此，在線測試成為工藝監控的必要手段。在線測試結構和材料物理參數的計算提取方法是實現在線測試的基本要素，測試完全采用電學激勵和電學測量的方法，通過電學量數值以及針對性的計算方法，可以得到材料的物理參數。通過熱膨脹所產生的拉力拉伸材料使之斷裂是進行多晶硅斷裂強度測試的一種常用方法。但是，定量計算材料的熱膨脹量需要知道材料的熱膨脹系數，而熱膨脹系數的具體數值也和制造工藝過程有關，因此，首先需要在線測試材料的熱膨脹系數，但目前存在的大多數熱膨脹系數在線測量方法存在精度低和穩定性差的問題。

發明內容
發明目的本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種多晶硅斷裂強度的在線測試結構及其測試方法，對測試結構進行簡單的電流激勵并測量相關電阻，將測量得到的相關電阻值代入計算公式，利用多個計算方程消去熱膨脹系數，最終得到多晶硅的斷裂強度。技術方案本發明是通過以下技術方案實現的，本發明的測試結構包括第一測試單元、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置在絕緣襯底上；所述第一測試單兀包括第一對固定錨區、第一獨立錨區、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和第一獨立錨區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立錨區上，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、第二獨立錨區、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和第二獨立錨區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立錨區上，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、第三獨立錨區、多晶硅驅動梁和多晶硅斷裂條；其中第三對固定錨區和第三獨立錨區分別固定在絕緣襯底上，多晶硅驅動梁的兩端分別固定在第三對固定錨區上，多晶硅斷裂條的一端固定在多晶硅驅動梁的中間，另一端固定在第三獨立錨區多晶硅驅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。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。所述多晶硅驅動梁的兩端為驅動臂，驅動臂分別與第三對固定錨區相連。一種多晶硅斷裂強度的在線測試方法，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動梁兩端驅動臂的總電阻值Rb，測量室溫下第一對固定錨區之間的電阻值 Rc，測量室溫下第三對固定錨區之間的電阻值Re，(2)對第一測試單元在第一對固定錨區之間施加電流，當左側的固定錨區和第一獨立錨區之間的電阻由無窮大變為有限值，記錄此時第一對固定錨區之間的電阻值rct，同理，測量第二對固定錨區之間的電阻值Rdt ；(3)對第三測試單元在第三對固定錨區之間施加電流，當其中任意一個固定錨區和第三獨立錨區之間的電阻由有限值變為無窮大時，記錄此時第三對固定錨區之間的電阻值Ret ；(4)計算多晶硅的斷裂應變e E，
權利要求
1.一種多晶硅斷裂強度的在線測試結構，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置在絕緣襯底上；所述第一測試單元包括第一對固定錨區(C-C)、第一獨立錨區(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(C-C)和第一獨立錨區(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(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立錨區(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(E-E)、第二獨立錨區(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(E-E)和第二獨立錨區(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(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立錨區(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(G-G)、第三獨立錨區(H)、多晶硅驅動梁(301)和多晶硅斷裂條(302);其中第三對固定錨區(G-G)和第三獨立錨區(H)分別固定在絕緣襯底上，多晶硅驅動梁(301)的兩端分別固定在第三對固定錨區(G-G)上，多晶硅斷裂條 (302)的一端固定在多晶硅驅動梁(301)的中間，另一端固定在第三獨立錨區(H)，多晶硅驅動梁(301)和多晶硅斷裂條(302)分別懸空。
2.根據權利要求I所述的多晶硅斷裂強度的在線測試結構，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(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。
3.根據權利要求I所述的多晶硅斷裂強度的在線測試結構，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(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。
4.根據權利要求2所述的多晶硅斷裂強度的在線測試結構，其特征在于所述多晶硅驅動梁(301)的兩端為驅動臂(303)，驅動臂(303)分別與第三對固定錨區(G-G)相連。
5.根據權利要求4所述的一種多晶硅斷裂強度的在線測試方法，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動梁(301)兩端驅動臂(303)的總電阻值Rb，測量室溫下第一對固定錨區(C-C)之間的電阻值R。，測量室溫下第三對固定錨區(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(C-C)之間施加電流，當左側的固定錨區和第一獨立錨區(D)之間的電阻由無窮大變為有限值，記錄此時第一對固定錨區(C-C)之間的電阻值Rct,同理，測量第二對固定錨區(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(G-G)之間施加電流，當其中任意一個固定錨區和第三獨立錨區(H)之間的電阻由有限值變為無窮大時，記錄此時第三對固定錨區 (G-G)之間的電阻值Ret ；(4)計算多晶硅的斷裂應變εΕ，_ - βχ + ^]β2X2 +4fi2ykESe= Wy其中χ，y根據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)的旋轉中心點(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)計算多晶硅的斷裂強度oBS:^BSBS — j^BS c E是多晶硅發生斷裂時的楊氏模量。
全文摘要
本發明公開了一種多晶硅斷裂強度的在線測試結構及其測試方法，對測試結構進行簡單的電流激勵并測量相關電阻，將測量得到的相關電阻值代入計算公式，利用多個計算方程消去熱膨脹系數，最終得到多晶硅的斷裂強度。本發明的測試方法簡單，測試設備要求低，測試結構的加工過程與微機電器件MEMS同步，沒有特殊加工要求，符合在線測試的要求，計算方法僅限于簡單數學方程，測試與計算過程穩定，輸出結果可靠。
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 優先權日2012年1月11日
發明者劉海韻, 周再發, 張衛青, 李偉華, 蔣明霞 申請人:東南大學