表面加工多晶硅薄膜材料参数的在线测试系统研究

摘要

MEMS(微电子机械系统)器件的尺寸一般在几微米到几百微米之间,现有的研究表明微尺寸下的材料参数已经和宏观状态下有所不同。而现代主流微加工技术为表面牺牲层工艺,由该工艺制作的MEMS器件主要由薄膜所构成,薄膜的材料参数和体结构的又不相同,并且薄膜的材料参数会随工艺加工条件的不同而变化。为了保证良好的成品率和给MEMS设计者提供有效的工艺参数,每条微加工工艺线都必须对薄膜的材料参数进行精确测量。目前的MEMS测试是对不同的材料参数采用不同的测试方法,其中包括电信号测试、激光干涉成像处理、压痕仪和轮廓仪测试等。如此众多而又互不兼容的测试手段造成MEMS测试领域至今仍没有建立测试标准。在此背景下,我们对多晶硅薄膜材料参数的在线测试进行了广泛而深入的研究,设计了多晶硅薄膜材料参数在线测试系统。 薄膜残余应变是一个很重要的机械材料参数,所有通过表面加工工艺制造的微结构的性能都会受残余应变的影响。如果仅需要对薄膜残余应变进行测试,使用无源在线测试结构是最简单、有效的方法。本论文首先对薄膜残余应变无源在线测试结构的设计进行研究。论文用有限元模拟软件对常刚的无源式薄膜残余应变测试结构进行了详细的性能分析,并为弯梁测试结构建立了有效的力学模型。在综合分析多种测试结构的基础之上,作者提出了新式薄膜残余应变微旋转式在线测试结构。论文不仅为新微旋转在线测试结构建立了解析测试模型,还通过全面的有限元模拟分析对其进行了优化设计。为了验证新测试结构的工业应用可行性,我们用新结构测试出北大微加工工艺线上多晶硅薄膜的残余应变为3.3±0.5×10-4,实验结果表明新结构符合预期的设计目标,完全具备工业测试的应用前景。 除了残余应变,多晶硅薄膜的材料参数还包括其它的电学、机械与热学参数。随着IC工业的发展,已经具有非常成熟的薄膜电学参数测试设备及测试方案,而薄膜机械与热学参数的测试方法仍在开发之中。为了更好地利用现有的IC测试设备,本文所设计的在线测试系统通过电信号来完成测试过程。论文首先对多晶硅薄膜材料参数电学式在线测试系统的设计进行了需求分析,其中包括测试对象分析、测试量程与精度需求分析,然后提出了在线测试系统的整体设计方案。本文所设计的在线测试系统按功能可分成两大部分：测试设备与微测试结构。测试设备负责生成测试信号,并将测试信号输入到微测试结构,然后将微测试结构的反馈信号采集送入计算机进行分析计算。微测试结构是一种专门用于测试MEMS薄膜材料参数的微机械结构,它的设计要求是制造测试结构不能需要额外的工艺步骤,能嵌入到由表面牺牲层加工工艺制造的其它MEMS功能器件版图中。论文综合本实验室电阻温度系数、热膨胀系数、热导率、热扩散系数、杨氏模量与残余应力测试结构的工作模型,并同时进行了测试结构的版图、测试方法和测试步骤的设计。为了使微机械结构具有更好的固支边界条件,论文还设计了一种新式的微机械锚区,新的锚区通过将牺牲层埋在锚区内部而增加了锚区的厚度与刚度。通过对微测试结构施加测试驱动信号,测量其反馈信号,将反馈信号带入测试模型进行计算即可获得该工艺条件下的所要测量的薄膜的某项材料参数。通过不同的微测试结构可以测量出多晶硅薄膜的不同材料参数。 为了验证本文所设计的多晶硅薄膜材料参数在线测试系统的可行性,我们在北京大学微电子所制作了测试芯片,并用在线测试系统进行了测试实验。实验结果表明本文所设计的测试系统具有建造成本低廉、测试迅速、测试环境要求低、测试精度高等优点,可应用于工业测试。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章 绪 论

1.1微电子机械系统

1.1.1 MEMS发展趋势

1.1.2发展面临的问题

1.2表面牺牲层加工技术

1.2.1重要的微制造工艺

1.2.2表面加工技术特征

1.3薄膜材料参数测试

1.3.1材料参数测试重要性

1.3.2薄膜测试的发展状况

1.3.3在线测试系统

1.4本论文的主要工作

第2章无源式残余应变测试结构

2.1薄膜残余应力/应变的研究背景

2.1.1应力/应变的产生机理

2.1.2 MEMS薄膜中的残余应力

2.2残余应变的测试原理

2.2.1常用应力/应变测试技术

2.2.2无源式在线测试原理

2.3常用测试结构的分析与比较

2.3.1微旋转测试结构

2.3.2弯梁测试结构

2.3.3长短梁测试结构

2.3.4常用微结构的比较

2.4新型微旋转结构

2.4.1工作原理与解析模型

2.4.2有限元性能模拟分析

2.4.3测试实验与结果分析

2.5本章小结

第3章在线测试系统总体设计

3.1薄膜材料参数的理论基础

3.1.1力学基础

3.1.2传热学基础

3.2在线测试系统的设计要求

3.2.1测试方式

3.2.2测试对象

3.2.3量程与精度

3.3在线测试系统的研制

3.3.1总体设计

3.3.2硬件构架设计

3.3.3测试软件设计

3.4本章小结

第4章测试结构与测试方法设计

4.1电阻温度系数的在线测试

4.1.1测试结构版图设计

4.1.2测试方法步骤

4.2热扩散系数的在线测试

4.2.1测试结构设计

4.2.2测试方法

4.3热导率系数的在线测试

4.3.1测试结构设计

4.3.2测试方法与步骤

4.4热膨胀系数在线测试

4.4.1测试结构设计

4.4.2测试步骤

4.5杨氏模景与残余应力的在线测试

4.5.1微测试测试结构设计

4.5.2测试方法及测试步骤

4.6新式微机械锚区设计

4.7本章小结

第5章测试实验与结果分析

5.1测试过程设计

5.2测试结构的加工测试

5.2.1版图设计

5.2.2加工制作

5.2.3测试结果

5.3误差分析

5.3.1 电阻温度系数与热扩散的误差分析

5.3.2热导率的测量误差分析

5.3.3热膨胀系数测试误差分析

5.3.4杨氏模量与残余应力测试误差分析

5.4本章小结

第6章 结束语

6.1本论文的工作的主要内容

6.2对下一步研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

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