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多晶硅薄膜热扩散率在线测试结构的设计

戚丽娜  
【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。


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