表面微加工多晶硅薄膜熱學(xué)特性及力學(xué)特性在線測試方法研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS，Micro Electro-Mechanical System)是一門研究和設(shè)計制造微米/納米級微型器件，尤其是包含可動結(jié)構(gòu)的微型器件的學(xué)科。MEMS加工工藝中，一種應(yīng)用非常廣泛的工藝是表面微加工工藝，加工對象通常是薄膜材料。由于器件尺寸的限制，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的宏觀材料特性表征技術(shù)很難直接應(yīng)用于MEMS薄膜材料，另一方面MEMS薄膜的材料參數(shù)受到加工條件等因素的影響，不同設(shè)計尺寸、不同工藝線、不同工藝過程都會對最終

2、的材料參數(shù)產(chǎn)生影響，因而無法直接利用已有的材料特性數(shù)據(jù)對薄膜材料進(jìn)行比較準(zhǔn)確合理地評估。為了在實(shí)際生產(chǎn)加工中監(jiān)控工藝線的穩(wěn)定性、同時為設(shè)計者提供用于設(shè)計和優(yōu)化器件的工藝參數(shù)，需要對MEMS表面微加工的薄膜材料參數(shù)進(jìn)行在線提取;但是現(xiàn)有的薄膜材料參數(shù)測試方案大多數(shù)無法滿足在線測試的要求，或者無法與待測材料加工工藝相兼容。因此，進(jìn)行MEMS薄膜材料的在線測試研究顯得格外重要。
　　MEMS表面微加工工藝與CMOS工藝兼容性好，而CMO

3、S MEMS工藝已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)IC與MEMS加工的集成。在表面微加工工藝中，多晶硅薄膜通常被用作機(jī)械結(jié)構(gòu)層，多晶硅薄膜也是該工藝最常見的材料之一。本文主要研究了表面微加工工藝中的多晶硅薄膜材料熱學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)的在線測試方法，并提出了四種材料參數(shù)在線測試結(jié)構(gòu)和測試方法:對于熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率，分別設(shè)計了加熱條與熱沉相結(jié)合的測試結(jié)構(gòu)，并采用瞬態(tài)熱分析法對測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析;對于楊氏模量，設(shè)計了基于雙端固支梁靜電吸合的測試結(jié)構(gòu)，并利用能量法

4、對靜電吸合中可能遇到的各類情況進(jìn)行了分析;對于殘余應(yīng)力，設(shè)計了基于電熱驅(qū)動旋轉(zhuǎn)指針的測試結(jié)構(gòu)。本文提出的測試結(jié)構(gòu)采用電激勵與電檢測的測試手段，利用模型進(jìn)行幾何參數(shù)和電學(xué)參數(shù)到熱學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。測試結(jié)構(gòu)加工工藝與待測材料工藝相同、無需額外工藝步驟，測試結(jié)構(gòu)簡單直觀、版圖面積小且具有較好的重復(fù)性。同時，測試條件簡單、測試儀器僅需常用的電流電壓激勵和測試儀器。本論文利用流片實(shí)驗(yàn)對表面微加工工藝多晶硅薄膜的熱學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了相