测量多晶硅薄膜热膨胀系数的测量结构及其测量方法技术

测量多晶硅薄膜热膨胀系数的测量结构及其测量方法是基于表面加工工艺的多晶硅薄膜热膨胀系数的在线检测结构，该结构由一个多晶硅双直梁结构以及两个多晶硅弯梁结构构成，在直梁的中间部分镀有铝膜，多晶硅弯梁结构由两个相同的弯梁组成，弯梁中间的顶端设有尖端，其尖端对着铝膜；测量方法为：制备测量梁结构；在室温时对直梁分别通入一微小电流Ｉ↓［１］和Ｉ↓［０］，测量其两端的电压Ｖ↓［１］和Ｖ↓［０］，得出电阻率ρ↓［１］和ρ↓［０］；选择两弯梁结构组中的任一个弯梁，总长为Ｌ↓［２］，对其通入电流Ｉ↓［２］，测量其两端的电压Ｖ↓［２］，测量出电阻率ρ↓［２］，对弯梁的两端分别通入缓慢增加的电流，观察连接弯梁与直梁锚区的欧姆表的读数是否有一个从无穷大到有限值的跳变；就可以得出热膨胀系数α。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是基于表面加工工艺的多晶硅薄膜热膨胀系数的在线检测结构，属于MEMS(微电子机械系统)工艺参数测试的

技术介绍
薄膜热膨胀系数对于MEMS器件的设计是一个非常重要的参数。一方面，薄膜材料的热膨胀对器件性能有较大影响，例如，薄膜和衬底热膨胀系数的失配会产生热应力，引起结构变形或损坏；另一方面，热膨胀是微热执行器的动力来源。许多文献给出了体材料的热膨胀系数，但是体材料的热膨胀系数与薄膜材料的热膨胀系数并不完全相同，因此不可相互替代。而且，即使同一种薄膜材料经不同工艺，热膨胀系数也可能不同。因此，提出能够精确测量微机械薄膜热膨胀系数的MEMS结构具有重要意义。在本专利技术之前已经有了几种基于MEMS技术的多晶硅薄膜热膨胀系数的测试结构。然而这些测试结构总是或多或少的存在以下的一些问题，使得它们不能实现在线检测。例如，有些结构需要在真空或者密封腔中进行检测；有些需要较为复杂的测试仪器；有些依赖太多的其它材料参数；有些测试结构的运动轨迹是曲线而不是直线，给测试带来不便；有些结构的被测物理量难以准确测量；很多测试方案采用传统的光学探测法，而不是用电学量来测量，因此，难以进行后道封装以及一些其它的扩展运用。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的在于提供一种，该结构和测量方法能在自然环境下测试表面加工多晶硅薄膜热膨胀系数，能够实现监控器件制造工艺所需工艺参数的目的。技术方案本专利技术的测量多晶硅薄膜热膨胀系数的测量结构在组成上，该测量结构由一个多晶硅双直梁结构以及两个多晶硅弯梁结构构成；其中，在多晶硅双直梁结构中，多晶硅直梁的两端分别固定在两边的锚区上，在直梁的中间部分镀有铝膜，在直梁的中间部分镀有铝膜；多晶硅弯梁结构由两个相同的弯梁组成，弯梁的两端分别固定在锚区上，弯梁的两端分别固定在两个锚区上，在弯梁中间的顶端设有尖端，其尖端对着铝膜；在弯梁中间的顶端设有尖端，其尖端对着铝膜；锚区位于同一块硅衬底层的平面上。两弯梁的顶端到直梁的初始距离即尖端的顶端到铝膜的距离为2μm～8μm，两个弯梁的顶端离分别距两根直梁的初始距离不相等；多晶硅梁的宽度为2μm～8μm，厚度都为1.5μm～3μm；双多晶硅直梁结构中两根直梁的总宽度等于多晶硅弯梁结构中每根弯梁的宽度。多晶硅直梁的长为300μm～600μm，弯梁长为300μm～600μm，所有弯梁与直梁夹角为0.01～0.05rad；且多晶硅弯梁的长度与多晶硅直梁的长度不相同。测量的方法为分别测量两弯梁结构中的电流值与位移值，再通过计算便可求出热膨胀系数。1.首先通过热学关系式计算出每根弯梁的平均温度增量ΔT=J2ρ0kpm2-------------(1)]]>m=ηkph-J2ρ0ξkp---------(2)]]>ΔT是平均温度增量，m是中间参量，κp是多晶硅的热导率，η是弯曲梁下表面与衬底的等效换热系数，J是通过弯曲梁的电流密度，ρ0是室温时多晶硅的电阻率，ξ是多晶硅电阻的温度系数，L是弯曲梁的总长度。2.然后通过位移--平均温度增量关系式计算出热膨胀系数δ=αΔTL2cos(θ)(L24-w2)L24tan2(θ)+w2------------(3)]]>其中w是弯梁的宽度，θ是弯梁和水平的夹角，α是热膨胀系数，δ是弯梁顶端的位移量。多晶硅双直梁结构以及两个多晶硅弯梁结构使用表面加工工艺，其制备过程为；制备硅衬底，在硅衬底上淀积一层二氧化硅层，在二氧化硅层上淀积一层氮化硅层，再氮化硅层上淀积一层硼硅玻璃(PSG)牺牲层，在PSG上面淀积多晶硅，光刻出多晶硅梁，在多晶硅层上淀积一层铝，光刻出锚区上的铝层以及直梁上的铝膜，释放牺牲层。该测量方法具体为a、制备测量梁结构，即制备一个双直梁结构和两个多晶硅弯梁结构，这两个弯梁的几何结构完全相同，但顶端离直梁的初始距离不同；b、在室温时对直梁结构中的直梁通入一微小电流I0，测量其两端的电压V0，根据关系式V0I0=ρ0L1wh]]>得出在室温时长度为L1的多晶硅直梁的电阻率ρ0，再对直梁中通入另一微小电流I1，测量其两端电压V1，根据关系式V1I=ρ1L1wh]]>测量出在通入电流为I1时，长度为L1的多晶硅梁的电阻率ρ1，c、选择两弯梁结构组中的任一个弯梁，总长为L2，对其通入电流I2，测量其两端的电压V2，并根据关系式V2I=ρ2L2wh]]>测量出通入电流为I2时，长度为L2的多晶硅弯梁的电阻率ρ2，d、根据电阻率—平均温度增量的关系式ρ1ρ0-1ρ2ρ0-1=ΔT1ΔT2]]>得出m，m是中间参量；e、过关系式m=ηkph-J2ρ0ξkp]]>得出η、ρ0、ξ；η是多晶硅梁下表面的等效 f、换热系数，ρ0是多晶硅梁在室温下的电阻率，ξ是多晶硅梁在室温下的温度系数，h是梁的厚度，κp是多晶硅的热导率，J是梁中的电流密度；g、对弯梁的两端分别通入缓慢增加的电流，观察连接弯梁与直梁锚区的欧姆表的读数是否有一个从无穷大到有限值的跳变；如无，则说明两个梁还未发生接触，继续增大电流值；如有跳变，则说明两个梁已经发生了接触，记录下此刻通过电流值的大小，根据关系式J=Iwh]]>计算出电流密度J1，弯梁的移动距离是δ1+Δδ，其中，δ1是弯梁的实际移动距离，Δδ是误差项；h、对弯梁重复以上步骤f，再记录另一组电流密度J2和移动距离δ2+Δδ，将以上参数代入关系式ΔT=J2ρ0kpm2,]]>并将两式相减，即(δ1+Δδ)-(δ2+Δδ)=α(ΔT1-ΔT2)L2cos(θ)(L24-w2)L24tan2(θ)+w2]]>再根据上式，就可以得出热膨胀系数α。技术效果本专利技术的优点如下(1)本结构使用表面加工工艺，且测试结构是基于普通的直梁和弯梁结构的组合，因此工艺和结构都较为简单；(2)本结构没有涉及到某些特殊的测量手段，因此测试方法简单易行；(3)本结构考虑了工艺误差对测量的影响，因此精度较高；(4)由于测量所依赖的其它未知材料参数较少，因此测量的独立性较好；(5)由于考虑到在自然环境中各种形式的热量流失，因此它不需要在真空或者密封舱室等特殊环境下测量，且对测量设备的要求较低；(6)测试的结果可以用电学量表示，因此可实现在线检测。附图说明图1是本专利技术热膨胀系数测试结构的平面示意图。图2是本专利技术实施例中热膨胀系数测试结构的立体示意图。以上的图中有锚区11、12、13、14、15、16，直梁31、32，弯梁21、22，尖端211、221本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量多晶硅薄膜热膨胀系数的测量结构，其特征在于在结构的组成上，该测量结构由一个多晶硅双直梁结构以及两个多晶硅弯梁结构构成；其中，在多晶硅双直梁结构中，多晶硅直梁（３１、３２）的两端分别固定在两边的锚区（１３、１６）上，在直梁（３１）的中间部分镀有铝膜（３１１），在直梁（３２）的中间部分镀有铝膜（３２１）；多晶硅弯梁结构由两个相同的弯梁（２１、２２）组成，弯梁（２１）的两端分别固定在锚区（１１、１２）上，弯梁（２２）的两端分别固定在两个锚区（１４、１５）上，在弯梁（２１）中间的顶端设有尖端（２１１），其尖端（２１１）对着铝膜（３１１）；在弯梁（２２）中间的顶端设有尖端（２２１），其尖端（２２１）对着铝膜（３２１）；锚区（１１、１２、１３、１４、１５、１６）位于同一块硅衬底层的平面上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄庆安，张宇星，李伟华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]