表面加工多晶硅薄膜热导率的在线测试研究

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1、东南人学博士学位论文琶。791652表面加工多晶硅薄膜热导率的在线测试研究国家“八六三”计划MEMS重大专项“MEMS设计加工与封装建模、模拟与IP库”(2003AA404010)资助课题研究生姓名：盗高斌导师姓名：黄废室夔援学科专业名称：徽皇王堂与固体垒壬堂中围南京东南大学MEMS教育部重点实验室2004年10爿摘要多晶硅被广泛地应用于微电子机械系统雌Ms讦口集成电路系统(1cs)中。许多微机械器件、Ic电路和大功率晶体管的运j衍口可靠性，都依赖于多晶硅薄膜的热传导。薄膜热导率强烈依赖于多种参数，包括膜厚、膜及底材的温度、薄膜的沉积温度和方法等，制作薄膜的工艺流程、淀积方式以及薄膜的几何尺寸

2、等，均会影响薄膜热导率的大小，其中所涉及的不确定性是很难准确估计的。目前一些MEMS器件在实际制作时，产品的—致性往往无法保障。同样的上艺，在不同生产环境薄膜会表现出明显不同的热学参数，如热扩散系数、热导率、热容、电阻温度系数等，如果以上热学参数己知的话，则传感器、执行器部分的一些静态或瞬态热电响应，就可以由己测得的热电参数估计出来。所以，在线监测薄膜结构的热学参数对于MBMs别牛具有非常重要的意义。从在线监测本身的意更E来说，应有—个所谓的“测试单元”，其结构要能反映出热学性能的变化，在经历与^伍Ms器件同样的工艺后，获得与器件本身同样的热电性能；从而可以不需要测量MEMS器件本身，直接测“

3、测试单元”即可。迄今发展的稳态和瞬态法i其}试多晶硅薄膜热导率的方法，在测试条件方面，需要真空测试设备和其它专门的测量仪器。在建立热学模型时，需要忽略对流散热和向衬底传热散热的影响，有的测试方法在建立热学模型时还需要忽略辐射散热的影响。这些批嗡嗡构及其钡牺枋法是不能用于表面加工多晶硅薄膜热导率的在线测试。在衡曲i亍器、微传感器等MEMs器件中。多晶硅薄膜电阻温度效应决定着能否有效分析这些器件的热电性能。对薄膜材料热学参数如热导率、热膨胀系数、热扩散系数等的测量中，电加热及热敏电阻澳§盛法被广泛应用，但温度是不能直接测量的，因而如何根据多晶硅薄膜电阻温度效应来获取对应阻值的温度，就寅接影响到对这

4、些参数的提取。以往提取电阻温度系数的方法是把测试结构置放在硅油或真空环境中，通过在不同温度F测出对应的电阻值，i茁j蛾性拟合分析来确定电阻温度系数，显然这些澳4温方法也不适用于多晶硅薄膜热导率在线测试中对电阻温度系数的需求。本文对多晶硅薄膜热导率在线测试结构进行了研究，设计了两种不同的热导率测试结构和测试方法，模型中综合考虑了对流散热、辐射散热，以及薄膜向衬底传热的影响。前一种测试结构是通过不同尺寸悬臂梁等效散热热路的相互抵消来解决其他未知参数如空气自然对流系数、辐射发射率、以及空气层、氮化硅层和二氧化硅层的厚度和热导率等；后一种测试结构是通过间接测量的办法来得到这个未知的等效散热系数，两种方

5、法都可以解决散热的边缘效应问题，都可以在自然环境下进行测试，从而实现多晶硅薄膜的热导率的在线测试和监控器件制造工艺。在热导翠测试时，是利用直流加热和热敏电阻测温法．为此，本文设计分析了—种在线提取多晶硅电阻非线性温度系数的瞬态方法，通过分析多晶硅梁的静态电压一电流特l生及其瞬态冷却特性，来提取得到多晶硅电阻的线性温度系数项和二次温度系数项。文中利用挪软件模拟验证了测试结构设计的合理性私模型建立的正确性，并在自然环境下，实验测得多晶硅电阻非线性温度系数和多晶硅薄膜的热导率。本文对多晶硅薄膜热扩散系数的在线测试进行了研究，提出了—种通过分析两个嫩不同但宽腰与厚度相同的双端固支梁的瞬态冷却特性来提取

6、热扩散系数的方法，模型中综合考虑了对流散热、辐射散热以及薄膜向衬底传热的影响。Amys软件模拟分析和实验表明，该方法简单可靠，能够实现表面加工多晶硅薄膜热扩散系数的在线测试。本文设计的测试结构可随表面微机械器件制作工艺加工制作，无需附加__【=艺。“测试单元”在经历与MEMS器件同样的工艺后，具有与表面微机械器件本身同样的热电性能。Ansys软件模拟分析和实验表明，本文设计的测试结构及其澳0试方法能用于薄膜热学参数的在线测试，监控器件伟嶂盘工岂，并能用于实际工艺线。关键词：多晶硅薄膜，表面加工技术，电阻温度系数，热导率，热扩散系数，在线测试，，ME^4sABSTRACTPolysilicont

7、hinfilmsarewidelyusedin^4EMSdevicesandlCs,whichamimportantconstituentsofsuchmicromechanicalelements．Thethermalparametersofthepolysiliconthinfilms,suchasthermalconductivity,thermaldiffusivity,andtemper