一種簡易新穎的薄膜熱學性能測試結構的製作方法

2023-05-04 05:50:39

本發明涉及材料的熱學性能測試
技術領域：
，特別涉及一種簡易新穎的薄膜熱學性能測試結構及其製備方法。
背景技術：
：隨著微機電系統(MEMS)的飛速發展，器件的尺寸變得越來越小，在微/納米尺度下，薄膜的熱學性能顯得越發重要，其熱性能的好壞直接決定著MEMS器件的穩定性。但是在尺寸效應的影響下，薄膜的熱物性和其體材料的表現出很大的差異性，經典的測試理論已無法適應於薄膜熱學性能的測試。而過往材料熱學性能的測試結構往往較為複雜且難以製作、成功率低。因此有必要提出一種簡單、快捷、精確的測試結構。這種結構將有利於懸臂梁器件熱學性能的精確測量。不過以往大多數薄膜熱學參數測試中，其測試結構採用的是二維甚至三維熱傳導測試結構，這一方面使得使用推導所得到的測試結構溫升表達式較為複雜，不利於提取待測參數，另一方面使得結構加工變得困難；為此，我們在之前的工作中提出了一種一維懸臂梁熱學參數測試結構。但是該結構仍然較為複雜，需進行多次光刻；此外，要獲得足夠高的信號，需要加工大長寬比的懸臂梁，經ANSYS仿真得當長寬比大於9時，懸臂梁內部的應力就會變得難以預測，極有可能在釋放犧牲層時彎曲導致懸臂梁接觸襯底。這些問題無疑會極大增加實驗失敗的概率。技術實現要素：本發明的目的在於：對於傳統薄膜熱學參數測試中，一維懸臂梁熱學參數測試結構信號差後續處理困難，滿足信號要求的懸臂梁長寬比又會使其在製備過程中由於應力接觸襯底，同時，傳統結構製備工藝複雜，熱導率計算公式較為繁瑣，提出一種簡易新穎的薄膜熱學性能測試結構。本發明採用的技術方案如下：一種簡易新穎的薄膜熱學性能測試結構，包括設置於襯底上的串聯多個相同懸臂梁，所述懸臂梁由平面圖形相同的待測薄膜和測溫加熱電阻薄膜由下至上完全重疊設置而成，所述平面圖形即單個懸臂梁的長寬比小於10。單個懸臂梁初始只有三層，包括加熱及測溫電阻層、待測薄膜層、犧牲層，所述犧牲層釋放後懸臂梁浮空。待測薄膜為氮化矽，厚度為100nm；測溫加熱電阻薄膜為鉻，厚度為50nm；所述犧牲層為聚醯亞胺，厚度為2μm。單個懸臂梁初始只有三層，包括加熱及測溫電阻層、待測薄膜層、犧牲層，所述犧牲層釋放後懸臂梁浮空。使用此結構測試時，對測溫加熱電阻薄膜通入直流電流，由一維熱傳導方程容易推導出單個待測懸臂梁產生的信號即電阻變化量的為:當串聯n個相同的懸臂梁時，其大小為：即待測薄膜熱導率為：其中n為懸臂梁串聯的數目，ρΩ為測溫加熱電阻薄膜的電阻率，w為單個懸臂梁測溫加熱電阻薄膜的寬度，α為電阻溫度係數，I為測試電流，l為單個測溫加熱電阻條長度，△R為測溫加熱電阻薄膜的電阻變化量，d1為待測薄膜厚度，d2為測溫加熱電阻薄膜厚度，k2為測溫加熱電阻薄膜熱導率。綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：1.有用信號大，採用n個懸臂梁串聯的結構，可將有用信號放大n倍，從而獲得較理想的信噪比，可有效降低對後續信號處理電路的要求。2.結構可靠，由於採用將多個具有相同寬度的短懸臂梁串聯成一個較長的懸臂梁，這省去了直接加工長懸臂梁的麻煩，避免了由於懸臂梁過長導致其與襯底接觸而失效的風險，可以極大減小工藝難度、提高製作成功率。3.製備工藝簡單，一次成型，由於待測薄膜和測溫加熱電阻薄膜平面圖形相同，所以只需要經過一次光刻，三次刻蝕，懸臂梁結構就已成形，工藝較為簡單。4.結果精確，熱學參數表達式簡單，測試手段相對簡單。附圖說明圖1是本發明二維平面效果圖。圖2是寬×長＝5μm×20μm微結構的TCR測試結果圖。圖3是寬×長＝10μm×200μm微結構的TCR測試結果圖。圖4是本發明懸臂梁串聯後微結構的TCR測試結果圖。圖5是微結構其中一個功能單元尺寸及結構示意圖6到圖9是本發明工藝流程圖。具體實施方式本說明書中公開的所有特徵，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。下面結合附圖對本發明作詳細說明。一種簡易新穎的薄膜熱學性能測試結構，包括設置於襯底上的串聯多個相同懸臂梁，所述懸臂梁由平面圖形相同的待測薄膜和測溫加熱電阻薄膜由下至上完全重疊設置而成，所述平面圖形的長寬比小於10，所述待測薄膜厚度為100nm，所述測溫加熱電阻薄膜厚度為50nm，所述待測薄膜為氮化矽，所述測溫加熱電阻薄膜為鉻。使用，此結構測試時，對測溫加熱電阻薄膜通入直流電流，由一維熱傳導方程容易推導出單個待測懸臂梁產生的信號即電阻變化量的為:當串聯n個相同的懸臂梁時，其大小為：即待測薄膜熱導率為：其中n為懸臂梁串聯的數目，ρΩ為測溫加熱電阻薄膜的電阻率，w為單個懸臂梁測溫加熱電阻薄膜的寬度，α為電阻溫度係數，I為測試電流，l為單個測溫加熱電阻條長度，△R為測溫加熱電阻薄膜的電阻變化量，d1為待測薄膜厚度，d2為測溫加熱電阻薄膜厚度，k2為測溫加熱電阻薄膜熱導率。測試時，採用以下步驟：將我們的測試系統放至在恆溫(25℃)、隔熱的環境中，當在加熱電阻中通過不同的大小的直流電流I，則加熱電阻中將產生焦耳熱，由於我們的加熱及測試電阻鉻具有正的TCR係數，隨著溫度的升高其電阻也會上升，待其溫度上升至穩態，我們測量加熱及測試電阻上的電壓，除去電流則可得出電阻，與初始狀態下的電阻相比則可得出電阻的變化量，在已知加熱及測溫電阻的熱導率的前提下，通過我們推導的公式即可得出氮化矽薄膜的熱導率，最後再測量得出懸臂梁U-I曲線利用本結構我們使用加熱及測溫電阻層進行TCR測試，根據測試結果我們可以間接的得出此種結構是否可以增加信噪比。測試儀器為keithley4200。圖2是懸臂梁寬×長＝5μm×20μm進行TCR測試的結果，折線3為升溫曲線，折線4為降溫曲線；圖3是懸臂梁寬×長＝10μm×200μm進行TCR測試的結果，折線5為升溫曲線，折線6為降溫曲線；圖4是若干結構串聯後進行TCR測試的結果，折線B為升溫曲線，折線C為降溫曲線。圖2到圖4中x軸為溫度，y軸為懸臂梁電阻的大小；由對比可得單個懸臂梁在相同的溫升下，有用信號小、噪聲大、信噪比小、測量結果誤差大。若要精確的測量其信號必定要求高精度的測試儀器，直接後果是增加測試難度和成本。但若干結構串聯後，其信噪比增大，利用現有設備也可以得出較好結果。經過計算其TCR係數非常接近我們以往的測量值，大約為千分之一。在不同測試電流下，對本微結構進行測量，並通過公式進行計算，結果如下表I/A0.010.02U/V12.6726.82R/Ω1267.71341.9ΔR/Ω24.298.4k/W·Mk-11.041.02實際氮化矽熱導率為1W·Mk-1，實際誤差不超過百分之五，可以看出本結構測量結果精確。工藝步驟如下：A.先丙酮，再酒精分別超聲10分鐘清洗矽片。B.犧牲層的製備。聚醯亞胺(PI)是一種正性光刻膠，也是綜合性質很優秀的聚合物，實驗中通常採用聚醯亞胺：乳酸乙酯(4:1)的配比溶液，詳細製備步驟如下：(1)採用旋塗法在塗膠機上塗布聚醯亞胺，機器的轉速設定為4000r/min；(2)塗完膠之後，把矽片放入120℃的烘箱中烘烤3分鐘，目的是去除聚醯亞胺裡的水汽和溶劑，並使用臺階儀測得得聚醯亞胺厚度是2.8μm左右；(3)放到大烘箱中進行亞胺化，使用分階加溫的方式，把溫度上限設為420℃，需要5個小時完成固化。最後使用臺階儀測得犧牲層厚度減小到2μm左右，滿足我們實驗的要求。C.使用PECVD技術沉積氮化矽懸臂梁待測薄膜(100nm)。D.採用磁控濺射沉積加熱測溫電阻-金屬鉻(50nm)。經過B～D三個步驟後矽片結構如圖6所示。E.光刻頂層的鉻電極層並採用溼法腐蝕工藝。實驗裡使用AZ6112型正性光刻膠，具體過程如下：(1)用膠頭滴管把AZ6112滴到矽片上，採用旋轉塗膠法塗布光刻膠，機器的轉速一般控制在3800r/min，以便獲得1μm的厚度。(2)前烘：溫度設定為120℃，時間是5分鐘，以去除光刻膠中的溶劑和水汽，以提高光刻膠的粘附性和均勻性；(3)採用深紫外掃描步進式光刻機對光刻膠進行光刻，曝光時間是3s；(4)正性光刻膠曝光的區域會發生分解反應，在室溫下，使用四甲基氫氧化銨顯影液把曝光的區域清洗掉，顯影完成後再用去離子水清洗乾淨；(5)後烘：即堅膜烘培。烘烤箱中最高溫度110℃，時間是2分鐘，目的是提高光刻膠的粘附性，同時減小駐波效應的影響。最後在金像顯微鏡下面檢查光刻膠圖形的質量是否合格。(6)使用TFN鎳鉻刻蝕液對鉻層進行溼法腐蝕，腐蝕時間一般為50–55s，為防止過腐現象的發生，一般認為腐蝕過後基底電阻大於1MΩ則表示鉻層已腐蝕乾淨，(7)採用溼法的方式去除光刻膠。先丙酮，再酒精分別超聲清洗10分鐘,最後用高純氮氣吹乾，把矽片放入烘烤箱120℃烘乾。經過以上步驟後矽片片面結構如圖7所示。G.光刻氮化矽懸臂梁，並採用FHR反應離子刻蝕機刻蝕之。氧氣(O2)和三氟甲烷(CHF3)的混合氣體在電場作用下離化出的氟基團與氮化矽發生反應，氧氣起催化的作用，刻蝕的速度是3.4nm/s，刻蝕的時間是2min，過刻時間設為1min。刻蝕完後，使用金相顯微鏡檢查懸臂梁結構的質量，如圖8所示。H.最後把矽片放入等離子去膠機中，釋放犧牲層(PI)得到完整的懸臂梁結構。將氧氣和氮氣的混合氣體通入去膠機中，離子化的氧原子和聚醯亞胺發生化學反應，充足的氮氣促進殘留物的去除和輸運。幹法去膠時的工藝參數是氮氣流量為270sccm，氧氣的氣流量為5.5sccm，去膠時間為100s.由於測溫條很窄(<100μm)，其下方的犧牲層由於各向同性刻蝕將被去除，而其他位置的犧牲層上方圖形尺寸可以設計得足夠大，因此除了最外圍犧牲層受刻蝕外大部分得以保留，保證了整個結構的可靠性。經過以上步驟後最後得到完整測試結構如圖9所示。從上述製造流程中可以看出本結構製備工藝簡單，一次成型，由於待測薄膜和測溫加熱電阻薄膜平面圖形相同，所以只需要經過一次光刻，三次刻蝕，懸臂梁結構就已成形，工藝較為簡單。本說明書中公開的所有特徵，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp