表面微加工多晶硅薄膜热学特性及力学特性在线测试方法研究

摘要

微电子机械系统(MEMS，Micro Electro-Mechanical System)是一门研究和设计制造微米/纳米级微型器件，尤其是包含可动结构的微型器件的学科。MEMS加工工艺中，一种应用非常广泛的工艺是表面微加工工艺，加工对象通常是薄膜材料。由于器件尺寸的限制，一方面传统的宏观材料特性表征技术很难直接应用于MEMS薄膜材料，另一方面MEMS薄膜的材料参数受到加工条件等因素的影响，不同设计尺寸、不同工艺线、不同工艺过程都会对最终的材料参数产生影响，因而无法直接利用已有的材料特性数据对薄膜材料进行比较准确合理地评估。为了在实际生产加工中监控工艺线的稳定性、同时为设计者提供用于设计和优化器件的工艺参数，需要对MEMS表面微加工的薄膜材料参数进行在线提取;但是现有的薄膜材料参数测试方案大多数无法满足在线测试的要求，或者无法与待测材料加工工艺相兼容。因此，进行MEMS薄膜材料的在线测试研究显得格外重要。
　　MEMS表面微加工工艺与CMOS工艺兼容性好，而CMOS MEMS工艺已经可以实现IC与MEMS加工的集成。在表面微加工工艺中，多晶硅薄膜通常被用作机械结构层，多晶硅薄膜也是该工艺最常见的材料之一。本文主要研究了表面微加工工艺中的多晶硅薄膜材料热学参数、力学参数的在线测试方法，并提出了四种材料参数在线测试结构和测试方法:对于热扩散系数和热导率，分别设计了加热条与热沉相结合的测试结构，并采用瞬态热分析法对测试结构进行建模分析;对于杨氏模量，设计了基于双端固支梁静电吸合的测试结构，并利用能量法对静电吸合中可能遇到的各类情况进行了分析;对于残余应力，设计了基于电热驱动旋转指针的测试结构。本文提出的测试结构采用电激励与电检测的测试手段，利用模型进行几何参数和电学参数到热学参数、力学参数之间的转换。测试结构加工工艺与待测材料工艺相同、无需额外工艺步骤，测试结构简单直观、版图面积小且具有较好的重复性。同时，测试条件简单、测试仪器仅需常用的电流电压激励和测试仪器。本论文利用流片实验对表面微加工工艺多晶硅薄膜的热学参数、力学参数进行了相应测试，证明了所提出的测试方法的可行性和合理性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 MEMS概述

1．2 表面微加工工艺

1．3 课题背景与意义

1．4 论文的主要工作

第二章 MEMS材料参数测试方法研究

2．1 热学参数的测试方法研究

2．1．1 直流激励法

2．1．2 交流激励法

2．1．3 激光激励法

2．2 力学参数的测试方法研究

2．2．1 接触测量法

2．2．2 拉伸测量法

2．2．3 被动测量法

2．2．4 静电吸合法

2．2．5 谐振测量法

2．3 本章小结

第三章 多晶硅薄膜热学参数的在线提取

3．1 热传递理论基础

3．2 热扩散系数在线测试结构

3．2．1 测试结构设计

3．2．2 测试原理

3．3 热导率在线测试结构

3．3．1 测试结构设计

3．3．2 测试原理

3．4 本章小结

第四章 多晶硅薄膜力学参数的在线提取

4．1 杨氏模量在线测试结构

4．1．1 测试结构设计

4．1．2 测试原理

4．2 残余应力在线测试结构

4．2．1 测试结构设计

4．2．2 测试原理

4．3 本章小结

第五章 实验及结果分析

5．1 表面微加工工艺流程

5．2 热扩散系数测试实验

5．2．1 版图设计与测试步骤

5．2．2 实验结果

5．2．3 实验结果分析

5．3 热导率测试实验

5．3．1 版图设计与测试步骤

5．3．2 实验结果

5．3．3 实验结果分析

5．4 杨氏模量测试实验

5．4．1 版图设计与测试步骤

5．4．2 实验结果

5．4．3 实验结果分析

5．5 残余应力测试实验

5．5．1 版图设计与测试步骤

5．5．2 实验结果分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

作者简介