表面加工多晶硅薄膜特性在线测试方法研究

摘要

微电子机械系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)是在微电子技术基础上发展起来的前沿研究领域。MEMS加工工艺中应用的材料大多为薄膜材料，因受到不同工艺条件的影响，相同的薄膜材料往往呈现出不同的特性。由于受到尺寸的限制，薄膜材料的材料参数很难利用传统的宏观表征技术进行实验测量，因此，MEMS的材料特性表征是一项具有挑战性的工作。而在实际生产中，为了监测加工工艺线的稳定性、一致性和均匀性，保证产品的可靠性，并为MEMS设计者提供用于设计、优化和预测器件性能的工艺参数，建立MEMS薄膜材料特性的在线测试结构和在线测试方法具有重要的意义。已报道的MEMS薄膜材料参数测试结构比较零散，大多不适用于实际的设计和生产。我国目前正在建立MEMS加工工艺线，因此，进行MEMS薄膜材料特性的在线测试研究非常必要，这类研究对我国建立MEMS加工工艺线具有重要的支持作用。
　　MEMS表面微机械加工工艺与CMOS工艺兼容性好，是目前最为常用和商业化的加工工艺之一。多晶硅薄膜在表面工艺中作为机械结构层，是表面微机械加工中最常见的材料。本文主要针对MEMS表面微加工工艺的多晶硅薄膜，设计了在线测试结构并研究了在线测试方法。涉及的薄膜材料参数主要包括:电学参数、几何学参数、热学参数和力学参数。在线测试结构和测试方法的关键在于，设计出与被监测工艺相兼容的测试结构，并采用电激励与电检测的测试手段，对材料参数进行表征。这一方法需要利用模型进行电参数到物理参数和几何参数之间的转换，并根据待测材料参数的电学响应相关性，设计出测试结构和建立参数提取方法。
　　(1)本文发明了一种新型四探针桥测试结构，并建立了电学和几何学参数的在线提取模型和测试方法。该在线测试结构可以同步提取多晶硅层方块电阻、线宽、厚度以及牺牲层刻蚀沟槽深度和刻蚀倾角参数。和传统的薄膜厚度测试方法相比，这种方法具有非破坏性、测试快速简单、容易在工艺线应用等优点。
　　(2)本文提出了基于瞬态电热-热电分析的在线提取多晶硅薄膜热学参数的测试方法。根据传热模型的瞬态分析，发明了一种多晶硅薄膜热导率测试结构。该测试结构具有结构简单、占用芯片面积小、测量方便等优点。同时，这一测试结构和测试方法还可用于多晶硅薄膜体积热容的在线提取。
　　(3)本文基于热执行法，提出了一种新型热膨胀系数和残余应力的在线测试方法。采用两种热执行器结构，利用材料的受热膨胀量与热执行器位移之间的关系，提取出多晶硅薄膜的热膨胀系数和残余应力。该方法无需特殊的测试仪器，只需简单的I-V测量，方便简单。
　　(4)本文应用静电执行法建立了在线提取力学参数的测试方法。多晶硅薄膜的杨氏模量是重要的力学参数。结合梁的弯曲理论，本文提出了一种测试结构用于在线提取多晶硅薄膜的杨氏模量。通过有限元仿真和实验测试，优化设计了测试结构的几何尺寸。这种测试结构巧妙地避开了吸合(Pull-in)这一临界现象，保证了测试的可靠性和可重复性。
　　本文提出的几种测试方法和测试结构，具有测试方法简单，测试仪器和测试环境要求低等特点，符合在线测试要求。经过仿真、实验和工艺线测试的验证，证实这些方法能够在实际工艺线上应用，实现监控表面加工工艺并提供设计所需的工艺参数。为我国建立MEMS加工工艺线提供了一定的帮助。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 MEMS概述

1．2 课题背景及意义

1．3 材料参数测试的研究和发展现状

1．3．1 电学参数的测试

1．3．2 几何学参数的测试

1．3．3 热学参数的测试

1．3．4 力学参数的测试

1．4 论文的主要工作

第二章 四探针电阻法在线提取薄膜电学和几何学参数

2．1 理论基础

2．1．1 牺牲层刻蚀及多晶硅台阶覆盖形貌

2．1．2 台阶电阻计算模型

2．2 测试结构与测试方法

2．2．1 测试结构设计与测试原理

2．2．2 测试方法与步骤

2．3 实验结果与误差分析

2．3．1 MEMSCAP表面牺牲层加工工艺

2．3．2 版图设计

2．3．3 测试及误差分析

2．4 小结

第三章 瞬态电热-热电分析法在线提取薄膜热学参数

3．1 理论基础

3．1．1 电热模型

3．1．2 热敏电阻

3．2 测试结构与测试方法

3．2．1 测试结构设计与测试原理

3．2．2 测试方法与步骤

3．3 有限元模拟分析与验证

3．4 尺寸设计与版图设计

3．4．1 尺寸设计

3．4．2 版图设计

3．5 小结

第四章 热执行法在线提取薄膜热学和力学参数

4．1 理论基础

4．1．1 双执行粱微旋转结构热执行器

4．1．2 单执行梁微旋转结构热执行器

4．2 测试结构与测试方法

4．2．1 热执行法在线提取热膨胀系数

4．2．2 热执行法在线提取残余应力

4．3 有限元模拟分析与验证

4．4 实验结果与误差分析

4．4．1 尺寸设计

4．4．2 版图设计

4．4．3 测试及误差分析

4．4．4 改进的测试结构

4．5 小结

第五章 静电执行法在线提取薄膜力学参数

5．1 理论基础

5．1．1 静电执行原理

5．1．2 梁的弯曲

5．2 测试结构与测试方法

5．2．1 测试结构设计与测试原理

5．2．2 测试方法与步骤

5．3 有限元模拟分析与验证

5．4 实验结果与误差分析

5．4．1 版图设计

5．4．2 测试及误差分析

5．4．3 改进的测试结构

5．5 小结

第六章 总结和展望

参考文献

在学期间发表的论文与申请的专利

致谢