多晶硅薄膜热扩散率在线测试结构的设计

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，MEMS器件主要是由薄膜结构组成，而薄膜材料参数和体结构的参数已经大不相同。多晶硅薄膜被广泛地应用于MEMS和集成电路系统中，多晶硅薄膜的热扩散率与器件的动态特性有紧密联系。薄膜热扩散率依赖于多种工艺参数，包括膜厚、膜及底材的温度、薄膜的沉积温度和方法、制作薄膜的工艺流程、淀积方式以及薄膜的几何尺寸等。目前一些MEMS器件在实际制作时，在同样的工艺，不同生产环境薄膜会表现出明显不同的热学参数。欲及时了解该参数，必须研究专门适用于MEMS薄膜热扩散率测试的测试结构。本文就MEMS薄膜(多晶硅薄膜)热扩散率的在线测试结构做了具体的研究和分析。 多晶硅薄膜热扩散率的在线测试结构设计的关键在于：(1)．测试结构的工艺必须与待测薄膜材料的加工工艺相兼容；(2)．测试结构必须提供与后端数据处理模块相兼容的数据输出接口；(3)．测试结构在满足一定测试精度的前提下应尽量简单、尽量占用较小面积；(4)．结构对测试环境和测试仪器的要求不应太高。虽然，目前有多种方法来测量薄膜的热扩散率，但是没有一种结构能够完全满足以上要求，因此都不能用于在线检测。 本文首先综述了国内外薄膜热扩散率测试的进展，然后对多晶硅薄膜热扩散率在线测试结构进行了研究，设计了一种热扩散率测试结构和测试方法，建立的模型综合考虑了对流散热、辐射散热，以及薄膜向衬底传热的影响。通过分析两根不同长度的多晶硅薄膜电阻条在相同加热条件下的电阻变化，代入模型计算，即可提取出热扩散率。该方法可以在自然环境下进行测试，从而实现多晶硅薄膜的热扩散率的在线测试，来监控器件制造工艺。文中利用Ansys软件模拟验证了测试结构设计的合理性和模型建立的正确性，在自然环境下，实验测得多晶硅薄膜扩散率。由红外热像仪进行验证，证明实验测得的热扩散率比较准确。说明该测试结构和方法能用于薄膜热扩散率的在线测试，具有一定的实用性。 本文还提出了用数值解法来求解多晶硅薄膜的热扩散率的理论模型，通过调试程序，该方法有希望能同时求解出多个热参数，大大方便在线测试。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 MEMS的概念和发展状况

1.2 MEMS研究应用分类

1.3表面加工多晶硅薄膜热扩散率测试的重要性

1.4本论文主要工作及纲要

第二章薄膜热扩散率测试结构的进展

2.1薄膜热扩散率理论基础

2.2薄膜热扩散率测试结构和方法

2.2.1薄膜横向热扩散率的测试结构

2.2.2薄膜纵向热扩散率的测试结构

2.2.3其他测试方法

2.3测试结构的综合比较

2.4本章小节

第三章在线测试结构及其模型的建立

3.1热传递的基本方式

3.1.1热传导

3.1.2热对流

3.1.3热辐射

3.2薄膜热扩散率在线测试结构的工作原理

3.2.1测试结构设计与测试方法

3.2.2热电分析与热扩散率模型

3.3有限元模拟分析与模型验证

3.3.1有限元模拟法理论

3.3.2解析公式的验证

3.4本章小节

第四章在线测试结构的工艺制作、实验结果和验证

4.1工艺步骤与版图设计

4.1.1测试结构的加工制作

4.1.2版图设计

4.2多晶硅薄膜热扩散率的测试结果

4.3误差分析

4.4利用Intellisuite软件进行闭环验证

4.4.1 Intellisuite软件简介

4.4.2闭环验证结果

4.5红外热像仪的实验验证

4.5.1实验验证的意义和验证思路

4.5.2红外热像仪测试的结果

4.6理论、红外热像仪实验、软件模拟数据的比较

4.7本章小节

第五章在线测试结构参数提取的数值算法理论推导

5.1有限差分法的基础理论[1][2]

5.2数值方法推导薄膜热扩散率的理论模型

5.3利用蒙特卡洛法计算非线性方程组的根[3][4]

5.4软件模拟

5.5本章小节

第六章结束语

6.1总结

6.2对后续工作的建议

参考文献

图表索引

附录

硕士期间发表论文目录

致谢