专利名称：一种用于测量薄膜导热率的测试结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种用于测试薄膜导热率的测试结构。
背景技术：
随着半导体技术和MEMS技术的飞速发展，器件的尺寸已进入到孩t/纳米尺 度。氮化硅薄膜是一种重要的薄膜材料,被广泛应用于半导体器件、MEMS器件、 光学器件中。由于氮化硅(Si3N4)薄膜具有结构致密、介电系数高的特点，并 且具有阻止水和钠离子扩散和抗氧化的能力，所以常常被用作大规才莫集成电路、 超大规模集成电路的表面钝化层、选择性局部等。由于氮化硅薄膜具有良好的 机械强度，所以可以作为红外探测器中微桥的支撑结构。其中氮化硅薄膜的性 能应用特别是导热性能目前已成为了研究热点。
热导率是表征材料热学性能的重要参数之一，它是表征物质热传导性质的 物理量，热导率数值越大，材料的导热性能越好；反之，热导率越小，材料的 导热性能越差。然而体材料的热导率与薄膜材料的热导率有着较大的差异。而 且，即使是同一种薄膜材料，经不同工艺加工以后得到的热导率也不一定相同。
在研究过程中，热导率测试技术必然要成为研究的关键，薄膜的热导率值 十分缺少,这导致薄膜热导率测试新方法的研究非常活跃。目前，大多数薄膜热 导率测试方法制造工艺和测试结构复杂，需要在真空中操作，有些需要复杂的 仪器操作，这些都对测量造成了不便。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种用于测量薄膜热导率的测试结构， 该测试结构能在空气自然对流的环境下测量，能有效减少温度误差，提高了测试 精度。
本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种用于测量薄膜热导率的 测试结构，包括衬底l,以及设置在衬底1上的绝缘层2 ,在绝缘层2设置有测试单元，其特征在于
① 所述测试单元包括一个参考单元和一个测试单元；
② 所述测试单元包括支撑悬臂梁3、加热测温器4和含有测试薄膜样品的悬 臂梁9，所述支撑悬臂梁3通过四个支撑点悬空设置在绝缘层2上，所述加热测 温器4设置在支撑悬臂梁3的表面，并设置有四条引线分别连接支撑悬臂梁3 的四个支撑点(A、 B、 C、 D)，四条引线分别由四个金属铝压焊块固定在绝缘 层2上，所述含有测试薄膜样品的悬臂梁9与支撑悬臂梁3连接，并由桥墩固 定在绝缘层2表面，所述加热测温器以及引线均为金属铂薄膜，并且加热测温器 4的形状为蛇形。
③ 所述参考单元除没有含有测试薄膜样品的悬臂梁9外其他部分与测试结 构完全一样。
按照本发明所提供的用于测量薄膜导热率的测试结构，其特征在于，支撑 悬臂梁3以及含有测试薄膜样品的悬臂梁9材料均为Si3N4薄膜。
本发明在测试时，首先对参考单元的支撑点A和D上的铝压焊块两端施加 电压，会在整个结构中形成一定的温度分布，测量支撑点B和C两端电流获得 加热总功率，得出其温度变化(利用电阻一温度变化关系)，从而得出参考结构 中总的传热系数，同理对测试单元的支撑点A和D上的铝压焊快两端施加电压， 会在整个结构中形成一定的温度分布，测量支撑点B和C两端电流获得加热总 功率，得出其温度变化(利用电阻一温度变化关系)，从而得出测试结构中总的 传热系数。此时测试结构中的传热系数包括参考单元和测试悬梁两部分，测定 测试悬梁的尺寸之后，经过计算即可得到氮化硅的热导率，在测试过程中，为 了减小温度所带来的测量误差，可将测试结构和参考结构的加热温度设为一致。 本发明的两种测试单元结构采用表面微机械制造工艺设计，其制造工艺与传统 的CMOS工艺完全兼容，并且制造工艺简单。本发明中设置了参考结构，并与 测试结构进行对比，大大减少了环境误差所带来的影响，尤其适用于空气自然 环境中测定薄膜的热导率，另外用蛇形加热测温器，使加热温度更加均匀，并 且采用Pt材料作为加热测温材料，使测试灵敏度大大升高。并且本发明所提及
4的测试结构悬臂梁末端固定在绝缘衬底上，通过精确控制衬底温度就可以达到
控制末端温度的效果。
图1是本发明的参考单元的结构俯视图2是本发明的测试单元结构俯视图3是本发明实施例中压焊块D处的结构剖一见图4是本发明实施例中Sysu桥墩E处的结构剖视图5是本发明的整体结构立体图。
其中，1、衬底，2、绝缘层，3、支撑悬臂梁，4、加热测温器，5、引线， 6、引线，7、引线，8、引线，9、含有测试样品的悬臂梁，A、支撑点铝压焊块， B、支撑点铝压焊快，C、支撑点铝压焊块，D、支撑点铝压焊块，E、 SisN4桥 墩。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述
本发明提出一种用于测量薄膜热导率的测试结构(如图5所示)，包括衬 底l，在衬底1上沉积一层绝缘层2，在绝缘层2上沉积测试结构，测试结构包 括一个测试单元(如图2所示)和一个参考单元(如图1所示)，参考单元结构 包括氮化硅(Si3N4)薄膜支撑悬梁臂3，在Si3N4薄膜支撑悬梁臂3表面上'践射 沉积蛇形金属4自(Pt)加热测温器4,蛇形加热测温器4的两端分别有2条金属 Pt薄膜制备的引线5、 6和7、 8， Pt薄膜引线5、 6和7、 8分别由金属铝(A1) 压焊块A、 B和C、 D固定在绝缘层2上(侧面结构如图3所示)，测试单元与 参考单元完全一样并且设有测试薄膜悬臂梁9，测试薄膜悬臂梁9与Si3N4薄膜 支撑悬梁臂3相连，并由Si3N4桥墩E固定在绝缘层2表面上(如图4所示)。
许高斌等公开过一种用于测量导体薄膜热导率的测试装置。与其相比，本 发明加热测温器以及引线均为金属柏薄膜，并且加热测温器(4)的形状为蛇形。 可以使加热温度更加均匀，减少温度误差，而且具有较高的测试精确度。并且 本发明所提及的测试结构悬臂梁末端固定在绝缘衬底上，通过精确控制衬底温 度就可以达到控制末端温度的效果。另外，支撑悬臂梁(3)以及含有测试薄膜样品的悬臂梁(9)材料均为Si3Ht薄膜。即本发明主要应用于测试可自支撑薄
膜的热导率。
本发明的制备通过以下步骤实现
步骤1、在衬底1上沉积绝缘层2，再沉积牺牲层并刻蚀支撑薄膜悬臂梁3 的桥墩孔；
步骤2、在牺牲层上沉积支撑薄膜悬臂梁并刻蚀悬臂梁，在薄膜悬臂梁上沉 积金属Pt薄膜并刻蚀蛇形加热器和引线电极图案；
步骤3、金属Pt薄膜引线分别由金属Al压焊块固定在绝缘层2上，并除去 牺牲层；
上述方案在具体实施时，为了完善和提高所制备的悬臂梁结构稳定性性能， 并不排斥增加特定的工艺步骤。
步骤1中所述的绝缘层2材料是SisN4或Si02,牺牲层材料是&02或聚酰 亚胺，厚度为l-3um，支撑薄膜悬臂梁3由氮化硅、多晶硅及非晶硅等可自支撑 的薄膜材料制作。步骤2中所述的蛇形加热测温器由具有TCR特性的材料制作， 可以是Pt、 VOx、 a-Si、 Ni-Ge、 Si-Ge、 Te、 Bi、 Ni-Co-Mn或GaAs等，厚度为 20-80亂
权利要求
1、一种用于测量薄膜热导率的测试结构，包括衬底(1)，以及设置在衬底(1)上的绝缘层(2)，在绝缘层(2)设置有测试单元，其特征在于①所述测试单元包括一个参考单元和一个测试单元；②所述测试单元包括支撑悬臂梁(3)、加热测温器(4)和含有测试薄膜样品的悬臂梁(9)，所述支撑悬臂梁(3)通过四个支撑点悬空设置在绝缘层(2)上，所述加热测温器(4)设置在支撑悬臂梁(3)的表面，并设置有四条引线分别连接支撑悬臂梁(3)的四个支撑点，四条引线分别由四个金属铝压焊块固定在绝缘层(2)上，所述含有测试薄膜样品的悬臂梁(9)与支撑悬臂梁(3)连接，并由桥墩固定在绝缘层(2)表面，所述加热测温器以及引线均为金属铂薄膜，并且加热测温器(4)的形状为蛇形；③所述参考单元除没有含有测试薄膜样品的悬臂梁(9)外其他部分与测试结构完全一样。
2、 根据权利要求1所述的用于测量薄膜导热率的测试结构，其特征在于， 支撑悬臂梁(3)以及含有测试薄膜样品的悬臂梁(9)材料均为Si3N4薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量薄膜热导率的测试结构，包括衬底，以及设置在衬底上的绝缘层，在绝缘层设置有测试单元，所述测试单元包括一个参考单元和一个测试单元，该结构制备工艺简单，测试方便，尤其适用于空气自然环境中测定氮化硅(Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)薄膜的热导率，采用铂(Pt)制备的蛇形加热器可以使加热温度更加均匀，减少温度误差，而且具有较高的测试精确度。
文档编号G01N25/18GK101620192SQ20091006033
公开日2010年1月6日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者吴志明, 杨利霞, 蒋亚东 申请人:电子科技大学