微机电系统（MEMS）技术 MEMS膜残余应力的晶圆曲率和悬臂梁挠度试验方法.pdf

微机电系统（MEMS）技术MEMS膜残余应力的晶圆曲

率和悬臂梁挠度试验方法

1范围

本文件规定了测量厚度范围为0.01μm至10μm的MEMS膜残余应力的方法，包含晶圆曲率法和

悬臂梁挠度法。

本文件适用于沉积在已知杨氏模量和泊松比等力学性质衬底上的膜。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条件。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适

用于本文件。

IEC62047-21半导体器件.微电机器件.第21部分:薄膜MEMS材料泊松比试验方法

（Semiconductordevices-Micro-electromechanicaldevices-Part21:TestmethodforPoisson’sratioofthin

filmMEMSmaterials）

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

残余应力residualstress

外部载荷（力、热）去除后仍然存在的应力。

3.2

曲率curvature

几何物体（晶圆）偏离平面的量。

1=1/

注：对于圆，，其中为半径。

2

注：在膜与衬底组成的双层结构中，曲率中心与膜同侧则曲率为正，曲率中心与膜异侧则曲率为负。

3.3

挠度deflection

梁在变形时其自由端端点在该点处轴线法平面内的位移量。

1

注：在膜与衬底组成的双层结构中，梁的挠曲方向与膜同侧则挠度为正，梁的挠曲方向与膜异侧则挠度为负。

4试验方法

4.1概述

当微机电结构中沉积的膜存在残余应力时，会引起膜和衬底组成的双层结构一起发生弯曲，其弯

曲程度与膜的残余应力大小直接相关。残余应力为张应力时，衬底变凹；残余应力为压应力时，衬底

变凸。

测量残余应力的方法包括晶圆曲率法和悬臂梁挠度法等。

4.2晶圆曲率法

4.2.1概述

晶圆曲率法宜用于晶圆级加工。所用晶圆宜是双轴对称和无应力的。

斯托尼（Stoney）使用了一种双层结构，该结构由相对较厚的衬底和沉积在上面的膜组成，衬底

和膜厚度均匀。斯托尼推导出的公式（1）将图1所示的曲率与膜的残余应力关联在一起。

2

ℎ

ss

=f…………………（1）

61−ℎ

sf

式中：

——膜的残余应力；

——衬底的杨氏模量；

s

ℎ——衬底厚度；

s

——曲率；

——衬底的泊松比（见IEC62047-21）；

s

ℎf——膜厚度。

该公式被广泛用于通过测量双层结构曲率变化来推断膜的应力变化。

a)膜沉积前的衬底b)膜沉积后的衬底

图1衬底上沉积膜后残余压应力引起曲率变化示意图