表面加工多晶硅薄膜特性在線測試方法研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的前沿研究領域。MEMS加工工藝中應用的材料大多為薄膜材料，因受到不同工藝條件的影響，相同的薄膜材料往往呈現(xiàn)出不同的特性。由于受到尺寸的限制，薄膜材料的材料參數很難利用傳統(tǒng)的宏觀表征技術進行實驗測量，因此，MEMS的材料特性表征是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。而在實際生產中，為了監(jiān)測加工工藝線的穩(wěn)定性、一致性和均勻性，保證產品的可

2、靠性，并為MEMS設計者提供用于設計、優(yōu)化和預測器件性能的工藝參數，建立MEMS薄膜材料特性的在線測試結構和在線測試方法具有重要的意義。已報道的MEMS薄膜材料參數測試結構比較零散，大多不適用于實際的設計和生產。我國目前正在建立MEMS加工工藝線，因此，進行MEMS薄膜材料特性的在線測試研究非常必要，這類研究對我國建立MEMS加工工藝線具有重要的支持作用。
　　MEMS表面微機械加工工藝與CMOS工藝兼容性好，是目前最為常用和商業(yè)

3、化的加工工藝之一。多晶硅薄膜在表面工藝中作為機械結構層，是表面微機械加工中最常見的材料。本文主要針對MEMS表面微加工工藝的多晶硅薄膜，設計了在線測試結構并研究了在線測試方法。涉及的薄膜材料參數主要包括:電學參數、幾何學參數、熱學參數和力學參數。在線測試結構和測試方法的關鍵在于，設計出與被監(jiān)測工藝相兼容的測試結構，并采用電激勵與電檢測的測試手段，對材料參數進行表征。這一方法需要利用模型進行電參數到物理參數和幾何參數之間的轉換，并根據待測

4、材料參數的電學響應相關性，設計出測試結構和建立參數提取方法。
　　(1)本文發(fā)明了一種新型四探針橋測試結構，并建立了電學和幾何學參數的在線提取模型和測試方法。該在線測試結構可以同步提取多晶硅層方塊電阻、線寬、厚度以及犧牲層刻蝕溝槽深度和刻蝕傾角參數。和傳統(tǒng)的薄膜厚度測試方法相比，這種方法具有非破壞性、測試快速簡單、容易在工藝線應用等優(yōu)點。
　　(2)本文提出了基于瞬態(tài)電熱-熱電分析的在線提取多晶硅薄膜熱學參數的測試方法。根據

5、傳熱模型的瞬態(tài)分析，發(fā)明了一種多晶硅薄膜熱導率測試結構。該測試結構具有結構簡單、占用芯片面積小、測量方便等優(yōu)點。同時，這一測試結構和測試方法還可用于多晶硅薄膜體積熱容的在線提取。
　　(3)本文基于熱執(zhí)行法，提出了一種新型熱膨脹系數和殘余應力的在線測試方法。采用兩種熱執(zhí)行器結構，利用材料的受熱膨脹量與熱執(zhí)行器位移之間的關系，提取出多晶硅薄膜的熱膨脹系數和殘余應力。該方法無需特殊的測試儀器，只需簡單的I-V測量，方便簡單。
　

6、　(4)本文應用靜電執(zhí)行法建立了在線提取力學參數的測試方法。多晶硅薄膜的楊氏模量是重要的力學參數。結合梁的彎曲理論，本文提出了一種測試結構用于在線提取多晶硅薄膜的楊氏模量。通過有限元仿真和實驗測試，優(yōu)化設計了測試結構的幾何尺寸。這種測試結構巧妙地避開了吸合(Pull-in)這一臨界現(xiàn)象，保證了測試的可靠性和可重復性。
　　本文提出的幾種測試方法和測試結構，具有測試方法簡單，測試儀器和測試環(huán)境要求低等特點，符合在線測試要求。經過仿真