一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构的制作方法

本发明涉及材料的热学性能测试
技术领域：
，特别涉及一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构及其制备方法。
背景技术：
：随着微机电系统(MEMS)的飞速发展，器件的尺寸变得越来越小，在微/纳米尺度下，薄膜的热学性能显得越发重要，其热性能的好坏直接决定着MEMS器件的稳定性。但是在尺寸效应的影响下，薄膜的热物性和其体材料的表现出很大的差异性，经典的测试理论已无法适应于薄膜热学性能的测试。而过往材料热学性能的测试结构往往较为复杂且难以制作、成功率低。因此有必要提出一种简单、快捷、精确的测试结构。这种结构将有利于悬臂梁器件热学性能的精确测量。不过以往大多数薄膜热学参数测试中，其测试结构采用的是二维甚至三维热传导测试结构，这一方面使得使用推导所得到的测试结构温升表达式较为复杂，不利于提取待测参数，另一方面使得结构加工变得困难；为此，我们在之前的工作中提出了一种一维悬臂梁热学参数测试结构。但是该结构仍然较为复杂，需进行多次光刻；此外，要获得足够高的信号，需要加工大长宽比的悬臂梁，经ANSYS仿真得当长宽比大于9时，悬臂梁内部的应力就会变得难以预测，极有可能在释放牺牲层时弯曲导致悬臂梁接触衬底。这些问题无疑会极大增加实验失败的概率。技术实现要素：本发明的目的在于：对于传统薄膜热学参数测试中，一维悬臂梁热学参数测试结构信号差后续处理困难，满足信号要求的悬臂梁长宽比又会使其在制备过程中由于应力接触衬底，同时，传统结构制备工艺复杂，热导率计算公式较为繁琐，提出一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构。本发明采用的技术方案如下：一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构，包括设置于衬底上的串联多个相同悬臂梁，所述悬臂梁由平面图形相同的待测薄膜和测温加热电阻薄膜由下至上完全重叠设置而成，所述平面图形即单个悬臂梁的长宽比小于10。单个悬臂梁初始只有三层，包括加热及测温电阻层、待测薄膜层、牺牲层，所述牺牲层释放后悬臂梁浮空。待测薄膜为氮化硅，厚度为100nm；测温加热电阻薄膜为铬，厚度为50nm；所述牺牲层为聚酰亚胺，厚度为2μm。单个悬臂梁初始只有三层，包括加热及测温电阻层、待测薄膜层、牺牲层，所述牺牲层释放后悬臂梁浮空。使用此结构测试时，对测温加热电阻薄膜通入直流电流，由一维热传导方程容易推导出单个待测悬臂梁产生的信号即电阻变化量的为:当串联n个相同的悬臂梁时，其大小为：即待测薄膜热导率为：其中n为悬臂梁串联的数目，ρΩ为测温加热电阻薄膜的电阻率，w为单个悬臂梁测温加热电阻薄膜的宽度，α为电阻温度系数，I为测试电流，l为单个测温加热电阻条长度，△R为测温加热电阻薄膜的电阻变化量，d1为待测薄膜厚度，d2为测温加热电阻薄膜厚度，k2为测温加热电阻薄膜热导率。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：1.有用信号大，采用n个悬臂梁串联的结构，可将有用信号放大n倍，从而获得较理想的信噪比，可有效降低对后续信号处理电路的要求。2.结构可靠，由于采用将多个具有相同宽度的短悬臂梁串联成一个较长的悬臂梁，这省去了直接加工长悬臂梁的麻烦，避免了由于悬臂梁过长导致其与衬底接触而失效的风险，可以极大减小工艺难度、提高制作成功率。3.制备工艺简单，一次成型，由于待测薄膜和测温加热电阻薄膜平面图形相同，所以只需要经过一次光刻，三次刻蚀，悬臂梁结构就已成形，工艺较为简单。4.结果精确，热学参数表达式简单，测试手段相对简单。附图说明图1是本发明二维平面效果图。图2是宽×长＝5μm×20μm微结构的TCR测试结果图。图3是宽×长＝10μm×200μm微结构的TCR测试结果图。图4是本发明悬臂梁串联后微结构的TCR测试结果图。图5是微结构其中一个功能单元尺寸及结构示意图6到图9是本发明工艺流程图。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。下面结合附图对本发明作详细说明。一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构，包括设置于衬底上的串联多个相同悬臂梁，所述悬臂梁由平面图形相同的待测薄膜和测温加热电阻薄膜由下至上完全重叠设置而成，所述平面图形的长宽比小于10，所述待测薄膜厚度为100nm，所述测温加热电阻薄膜厚度为50nm，所述待测薄膜为氮化硅，所述测温加热电阻薄膜为铬。使用，此结构测试时，对测温加热电阻薄膜通入直流电流，由一维热传导方程容易推导出单个待测悬臂梁产生的信号即电阻变化量的为:当串联n个相同的悬臂梁时，其大小为：即待测薄膜热导率为：其中n为悬臂梁串联的数目，ρΩ为测温加热电阻薄膜的电阻率，w为单个悬臂梁测温加热电阻薄膜的宽度，α为电阻温度系数，I为测试电流，l为单个测温加热电阻条长度，△R为测温加热电阻薄膜的电阻变化量，d1为待测薄膜厚度，d2为测温加热电阻薄膜厚度，k2为测温加热电阻薄膜热导率。测试时，采用以下步骤：将我们的测试系统放至在恒温(25℃)、隔热的环境中，当在加热电阻中通过不同的大小的直流电流I，则加热电阻中将产生焦耳热，由于我们的加热及测试电阻铬具有正的TCR系数，随着温度的升高其电阻也会上升，待其温度上升至稳态，我们测量加热及测试电阻上的电压，除去电流则可得出电阻，与初始状态下的电阻相比则可得出电阻的变化量，在已知加热及测温电阻的热导率的前提下，通过我们推导的公式即可得出氮化硅薄膜的热导率，最后再测量得出悬臂梁U-I曲线利用本结构我们使用加热及测温电阻层进行TCR测试，根据测试结果我们可以间接的得出此种结构是否可以增加信噪比。测试仪器为keithley4200。图2是悬臂梁宽×长＝5μm×20μm进行TCR测试的结果，折线3为升温曲线，折线4为降温曲线；图3是悬臂梁宽×长＝10μm×200μm进行TCR测试的结果，折线5为升温曲线，折线6为降温曲线；图4是若干结构串联后进行TCR测试的结果，折线B为升温曲线，折线C为降温曲线。图2到图4中x轴为温度，y轴为悬臂梁电阻的大小；由对比可得单个悬臂梁在相同的温升下，有用信号小、噪声大、信噪比小、测量结果误差大。若要精确的测量其信号必定要求高精度的测试仪器，直接后果是增加测试难度和成本。但若干结构串联后，其信噪比增大，利用现有设备也可以得出较好结果。经过计算其TCR系数非常接近我们以往的测量值，大约为千分之一。在不同测试电流下，对本微结构进行测量，并通过公式进行计算，结果如下表I/A0.010.02U/V12.6726.82R/Ω1267.71341.9ΔR/Ω24.298.4k/W·Mk-11.041.02实际氮化硅热导率为1W·Mk-1，实际误差不超过百分之五，可以看出本结构测量结果精确。工艺步骤如下：A.先丙酮，再酒精分别超声10分钟清洗硅片。B.牺牲层的制备。聚酰亚胺(PI)是一种正性光刻胶，也是综合性质很优秀的聚合物，实验中通常采用聚酰亚胺：乳酸乙酯(4:1)的配比溶液，详细制备步骤如下：(1)采用旋涂法在涂胶机上涂布聚酰亚胺，机器的转速设定为4000r/min；(2)涂完胶之后，把硅片放入120℃的烘箱中烘烤3分钟，目的是去除聚酰亚胺里的水汽和溶剂，并使用台阶仪测得得聚酰亚胺厚度是2.8μm左右；(3)放到大烘箱中进行亚胺化，使用分阶加温的方式，把温度上限设为420℃，需要5个小时完成固化。最后使用台阶仪测得牺牲层厚度减小到2μm左右，满足我们实验的要求。C.使用PECVD技术沉积氮化硅悬臂梁待测薄膜(100nm)。D.采用磁控溅射沉积加热测温电阻-金属铬(50nm)。经过B～D三个步骤后硅片结构如图6所示。E.光刻顶层的铬电极层并采用湿法腐蚀工艺。实验里使用AZ6112型正性光刻胶，具体过程如下：(1)用胶头滴管把AZ6112滴到硅片上，采用旋转涂胶法涂布光刻胶，机器的转速一般控制在3800r/min，以便获得1μm的厚度。(2)前烘：温度设定为120℃，时间是5分钟，以去除光刻胶中的溶剂和水汽，以提高光刻胶的粘附性和均匀性；(3)采用深紫外扫描步进式光刻机对光刻胶进行光刻，曝光时间是3s；(4)正性光刻胶曝光的区域会发生分解反应，在室温下，使用四甲基氢氧化铵显影液把曝光的区域清洗掉，显影完成后再用去离子水清洗干净；(5)后烘：即坚膜烘培。烘烤箱中最高温度110℃，时间是2分钟，目的是提高光刻胶的粘附性，同时减小驻波效应的影响。最后在金像显微镜下面检查光刻胶图形的质量是否合格。(6)使用TFN镍铬刻蚀液对铬层进行湿法腐蚀，腐蚀时间一般为50–55s，为防止过腐现象的发生，一般认为腐蚀过后基底电阻大于1MΩ则表示铬层已腐蚀干净，(7)采用湿法的方式去除光刻胶。先丙酮，再酒精分别超声清洗10分钟,最后用高纯氮气吹干，把硅片放入烘烤箱120℃烘干。经过以上步骤后硅片片面结构如图7所示。G.光刻氮化硅悬臂梁，并采用FHR反应离子刻蚀机刻蚀之。氧气(O2)和三氟甲烷(CHF3)的混合气体在电场作用下离化出的氟基团与氮化硅发生反应，氧气起催化的作用，刻蚀的速度是3.4nm/s，刻蚀的时间是2min，过刻时间设为1min。刻蚀完后，使用金相显微镜检查悬臂梁结构的质量，如图8所示。H.最后把硅片放入等离子去胶机中，释放牺牲层(PI)得到完整的悬臂梁结构。将氧气和氮气的混合气体通入去胶机中，离子化的氧原子和聚酰亚胺发生化学反应，充足的氮气促进残留物的去除和输运。干法去胶时的工艺参数是氮气流量为270sccm，氧气的气流量为5.5sccm，去胶时间为100s.由于测温条很窄(<100μm)，其下方的牺牲层由于各向同性刻蚀将被去除，而其他位置的牺牲层上方图形尺寸可以设计得足够大，因此除了最外围牺牲层受刻蚀外大部分得以保留，保证了整个结构的可靠性。经过以上步骤后最后得到完整测试结构如图9所示。从上述制造流程中可以看出本结构制备工艺简单，一次成型，由于待测薄膜和测温加热电阻薄膜平面图形相同，所以只需要经过一次光刻，三次刻蚀，悬臂梁结构就已成形，工艺较为简单。本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。当前第1页1 2 3