表面微加工多晶硅薄膜熱學特性及力學特性在線測試方法研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS，Micro Electro-Mechanical System)是一門研究和設計制造微米/納米級微型器件，尤其是包含可動結構的微型器件的學科。MEMS加工工藝中，一種應用非常廣泛的工藝是表面微加工工藝，加工對象通常是薄膜材料。由于器件尺寸的限制，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的宏觀材料特性表征技術很難直接應用于MEMS薄膜材料，另一方面MEMS薄膜的材料參數(shù)受到加工條件等因素的影響，不同設計尺寸、不同工藝線、不同工藝過程都會對最終

2、的材料參數(shù)產生影響，因而無法直接利用已有的材料特性數(shù)據(jù)對薄膜材料進行比較準確合理地評估。為了在實際生產加工中監(jiān)控工藝線的穩(wěn)定性、同時為設計者提供用于設計和優(yōu)化器件的工藝參數(shù)，需要對MEMS表面微加工的薄膜材料參數(shù)進行在線提取;但是現(xiàn)有的薄膜材料參數(shù)測試方案大多數(shù)無法滿足在線測試的要求，或者無法與待測材料加工工藝相兼容。因此，進行MEMS薄膜材料的在線測試研究顯得格外重要。
　　MEMS表面微加工工藝與CMOS工藝兼容性好，而CMO

3、S MEMS工藝已經可以實現(xiàn)IC與MEMS加工的集成。在表面微加工工藝中，多晶硅薄膜通常被用作機械結構層，多晶硅薄膜也是該工藝最常見的材料之一。本文主要研究了表面微加工工藝中的多晶硅薄膜材料熱學參數(shù)、力學參數(shù)的在線測試方法，并提出了四種材料參數(shù)在線測試結構和測試方法:對于熱擴散系數(shù)和熱導率，分別設計了加熱條與熱沉相結合的測試結構，并采用瞬態(tài)熱分析法對測試結構進行建模分析;對于楊氏模量，設計了基于雙端固支梁靜電吸合的測試結構，并利用能量法

4、對靜電吸合中可能遇到的各類情況進行了分析;對于殘余應力，設計了基于電熱驅動旋轉指針的測試結構。本文提出的測試結構采用電激勵與電檢測的測試手段，利用模型進行幾何參數(shù)和電學參數(shù)到熱學參數(shù)、力學參數(shù)之間的轉換。測試結構加工工藝與待測材料工藝相同、無需額外工藝步驟，測試結構簡單直觀、版圖面積小且具有較好的重復性。同時，測試條件簡單、測試儀器僅需常用的電流電壓激勵和測試儀器。本論文利用流片實驗對表面微加工工藝多晶硅薄膜的熱學參數(shù)、力學參數(shù)進行了相