專利名稱：測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明是基于表面加工工藝的多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的在線檢測結構，屬于MEMS(微電子機械系統(tǒng))工藝參數(shù)測試的技術領域。
背景技術：
薄膜熱膨脹系數(shù)對于MEMS器件的設計是一個非常重要的參數(shù)。一方面，薄膜材料的熱膨脹對器件性能有較大影響，例如，薄膜和襯底熱膨脹系數(shù)的失配會產(chǎn)生熱應力，引起結構變形或損壞；另一方面，熱膨脹是微熱執(zhí)行器的動力來源。許多文獻給出了體材料的熱膨脹系數(shù)，但是體材料的熱膨脹系數(shù)與薄膜材料的熱膨脹系數(shù)并不完全相同，因此不可相互替代。而且，即使同一種薄膜材料經(jīng)不同工藝，熱膨脹系數(shù)也可能不同。因此，提出能夠精確測量微機械薄膜熱膨脹系數(shù)的MEMS結構具有重要意義。
在本發(fā)明之前已經(jīng)有了幾種基于MEMS技術的多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測試結構。然而這些測試結構總是或多或少的存在以下的一些問題，使得它們不能實現(xiàn)在線檢測。例如，有些結構需要在真空或者密封腔中進行檢測；有些需要較為復雜的測試儀器；有些依賴太多的其它材料參數(shù)；有些測試結構的運動軌跡是曲線而不是直線，給測試帶來不便；有些結構的被測物理量難以準確測量；很多測試方案采用傳統(tǒng)的光學探測法，而不是用電學量來測量，因此，難以進行后道封裝以及一些其它的擴展運用。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明的目的在于提供一種測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構及其測量方法，該結構和測量方法能在自然環(huán)境下測試表面加工多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控器件制造工藝所需工藝參數(shù)的目的。
技術方案本發(fā)明的測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構在組成上，該測量結構由一個多晶硅雙直梁結構以及兩個多晶硅彎梁結構構成；其中，在多晶硅雙直梁結構中，多晶硅直梁的兩端分別固定在兩邊的錨區(qū)上，在直梁的中間部分鍍有鋁膜，在直梁的中間部分鍍有鋁膜；多晶硅彎梁結構由兩個相同的彎梁組成，彎梁的兩端分別固定在錨區(qū)上，彎梁的兩端分別固定在兩個錨區(qū)上，在彎梁中間的頂端設有尖端，其尖端對著鋁膜；在彎梁中間的頂端設有尖端，其尖端對著鋁膜；錨區(qū)位于同一塊硅襯底層的平面上。
兩彎梁的頂端到直梁的初始距離即尖端的頂端到鋁膜的距離為2μm～8μm，兩個彎梁的頂端離分別距兩根直梁的初始距離不相等；多晶硅梁的寬度為2μm～8μm，厚度都為1.5μm～3μm；雙多晶硅直梁結構中兩根直梁的總寬度等于多晶硅彎梁結構中每根彎梁的寬度。
多晶硅直梁的長為300μm～600μm，彎梁長為300μm～600μm，所有彎梁與直梁夾角為0.01～0.05rad；且多晶硅彎梁的長度與多晶硅直梁的長度不相同。
測量的方法為分別測量兩彎梁結構中的電流值與位移值，再通過計算便可求出熱膨脹系數(shù)。
1.首先通過熱學關系式計算出每根彎梁的平均溫度增量ΔT=J2ρ0kpm2[mL2-tanh(mL2)mL2]-------------(1)]]>m=ηkph-J2ρ0ξkp---------(2)]]>ΔT是平均溫度增量，m是中間參量，κp是多晶硅的熱導率，η是彎曲梁下表面與襯底的等效換熱系數(shù)，J是通過彎曲梁的電流密度，ρ0是室溫時多晶硅的電阻率，ξ是多晶硅電阻的溫度系數(shù)，L是彎曲梁的總長度。
2.然后通過位移--平均溫度增量關系式計算出熱膨脹系數(shù)δ=αΔTL2cos(θ)(L24-w2)L24tan2(θ)+w2------------(3)]]>其中w是彎梁的寬度，θ是彎梁和水平的夾角，α是熱膨脹系數(shù)，δ是彎梁頂端的位移量。
多晶硅雙直梁結構以及兩個多晶硅彎梁結構使用表面加工工藝，其制備過程為；制備硅襯底，在硅襯底上淀積一層二氧化硅層，在二氧化硅層上淀積一層氮化硅層，再氮化硅層上淀積一層硼硅玻璃(PSG)犧牲層，在PSG上面淀積多晶硅，光刻出多晶硅梁，在多晶硅層上淀積一層鋁，光刻出錨區(qū)上的鋁層以及直梁上的鋁膜，釋放犧牲層。
該測量方法具體為a、制備測量梁結構，即制備一個雙直梁結構和兩個多晶硅彎梁結構，這兩個彎梁的幾何結構完全相同，但頂端離直梁的初始距離不同；b、在室溫時對直梁結構中的直梁通入一微小電流I0，測量其兩端的電壓V0，根據(jù)關系式V0I0=ρ0L1wh]]>得出在室溫時長度為L1的多晶硅直梁的電阻率ρ0，再對直梁中通入另一微小電流I1，測量其兩端電壓V1，根據(jù)關系式V1I=ρ1L1wh]]>測量出在通入電流為I1時，長度為L1的多晶硅梁的電阻率ρ1，c、選擇兩彎梁結構組中的任一個彎梁，總長為L2，對其通入電流I2，測量其兩端的電壓V2，并根據(jù)關系式V2I=ρ2L2wh]]>測量出通入電流為I2時，長度為L2的多晶硅彎梁的電阻率ρ2，d、根據(jù)電阻率—平均溫度增量的關系式ρ1ρ0-1ρ2ρ0-1=ΔT1ΔT2[mL12-tan(mL12)mL12/mL22-tan(mL22)mL22]]]>得出m，m是中間參量；e、過關系式m=ηkph-J2ρ0ξkp]]>得出η、ρ0、ξ；η是多晶硅梁下表面的等效
f、換熱系數(shù)，ρ0是多晶硅梁在室溫下的電阻率，ξ是多晶硅梁在室溫下的溫度系數(shù)，h是梁的厚度，κp是多晶硅的熱導率，J是梁中的電流密度；g、對彎梁的兩端分別通入緩慢增加的電流，觀察連接彎梁與直梁錨區(qū)的歐姆表的讀數(shù)是否有一個從無窮大到有限值的跳變；如無，則說明兩個梁還未發(fā)生接觸，繼續(xù)增大電流值；如有跳變，則說明兩個梁已經(jīng)發(fā)生了接觸，記錄下此刻通過電流值的大小，根據(jù)關系式J=Iwh]]>計算出電流密度J1，彎梁的移動距離是δ1+Δδ，其中，δ1是彎梁的實際移動距離，Δδ是誤差項；h、對彎梁重復以上步驟f，再記錄另一組電流密度J2和移動距離δ2+Δδ，將以上參數(shù)代入關系式ΔT=J2ρ0kpm2[mL2-tanh(mL2)mL2],]]>并將兩式相減，即(δ1+Δδ)-(δ2+Δδ)=α(ΔT1-ΔT2)L2cos(θ)(L24-w2)L24tan2(θ)+w2]]>再根據(jù)上式，就可以得出熱膨脹系數(shù)α。
技術效果本發(fā)明的優(yōu)點如下(1)本結構使用表面加工工藝，且測試結構是基于普通的直梁和彎梁結構的組合，因此工藝和結構都較為簡單；(2)本結構沒有涉及到某些特殊的測量手段，因此測試方法簡單易行；(3)本結構考慮了工藝誤差對測量的影響，因此精度較高；(4)由于測量所依賴的其它未知材料參數(shù)較少，因此測量的獨立性較好；(5)由于考慮到在自然環(huán)境中各種形式的熱量流失，因此它不需要在真空或者密封艙室等特殊環(huán)境下測量，且對測量設備的要求較低；(6)測試的結果可以用電學量表示，因此可實現(xiàn)在線檢測。


圖1是本發(fā)明熱膨脹系數(shù)測試結構的平面示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例中熱膨脹系數(shù)測試結構的立體示意圖。
以上的圖中有錨區(qū)11、12、13、14、15、16，直梁31、32，彎梁21、22，尖端211、221，鋁膜311、321；鋁引線層41、多晶硅層42、氮化硅層43、二氧化硅層44、硅襯底層45。
具體實施例方式
該測量結構由一個多晶硅雙直梁結構以及兩個多晶硅彎梁結構構成；其中，在多晶硅雙直梁結構中，多晶硅直梁31、32的兩端分別固定在兩邊的錨區(qū)13、16)上，在直梁31的中間部分鍍有鋁膜311，在直梁32的中間部分鍍有鋁膜321；多晶硅彎梁結構由兩個相同的彎梁21、22組成，彎梁21的兩端分別固定在錨區(qū)11、12上，彎梁22的兩端分別固定在兩個錨區(qū)14、15上，在彎梁21中間的頂端設有尖端211，其尖端211對著鋁膜311；在彎梁22中間的頂端設有尖端221，其尖端221對著鋁膜321；錨區(qū)11、12、13、14、15、16位于同一塊硅襯底層的平面上。兩彎梁的頂端到直梁的初始距離即尖端211的頂端到鋁膜311的距離為2μm～8μm，兩個彎梁的頂端離分別距兩根直梁的初始距離不相等；多晶硅梁的寬度為2μm～8μm，厚度都為1.5μm～3μm；雙多晶硅直梁結構中兩根直梁31、32的總寬度等于多晶硅彎梁結構中每根彎梁21、22的寬度。多晶硅直梁31、32的長為300μm～600μm，彎梁21、22長為300μm～600μm，所有彎梁與直梁夾角為0.01～0.05rad；且多晶硅彎梁的長度與多晶硅直梁的長度不相同。
在組成上，它由多晶硅雙直梁結構以及兩個多晶硅彎梁結構組構成。在位置關系上，兩個彎梁結構在雙直梁結構的兩端，兩個彎梁的頂端都朝向雙直梁結構。在幾何尺寸上，兩個彎梁完全相同，只是它們各自的頂端離兩根直梁的初始距離不相同；所有多晶硅梁的厚度都相同；直梁的寬度是彎梁寬度的1/2；所有彎梁的長度都相同，所有直梁的長度也相同；彎梁的長度和直梁的長度不相同；所有彎梁與水平的夾角都相同。本發(fā)明是一種基于表面加工工藝的多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的在線檢測結構，如圖2所示，它的工藝結構層由硅襯底層、二氧化硅層、氮化硅層、多晶硅層、鋁引線層組成。彎梁和雙直梁的制作工藝步驟如下制備硅襯底，淀積一層二氧化硅層，淀積一層氮化硅層，
淀積一層PSG作為犧牲層，淀積多晶硅，光刻出多晶硅梁，淀積一層鋁，光刻鋁，釋放犧牲層。
具體測試步驟如下(1)中間參量m的提取①在室溫時對直梁通入一微小電流I0(0.1mA～0.5mA，保證彎梁的溫度幾乎沒有變化)，測量其兩端的電壓V0，根據(jù)關系式V0I0=ρ0L1wh]]>可以得出在室溫時的多晶硅的電阻率ρ0，其中h是雙直梁的厚度，w是雙直梁的總寬度，L1是雙直梁的長度，②對以上的雙直梁再通入另一微小電流I1(此時電阻率已經(jīng)隨著梁溫度的升高發(fā)生了變化)，測量其兩端電壓V1，并根據(jù)關系式V1I=ρ1L1wh]]>就可以測量出在通入電流為I1時，長度為L1的多晶硅梁的電阻率ρ1，③選擇兩彎梁結構組中的任一個彎梁(總長為L2)，對其通入電流I2，測量其兩端的電壓V2，并根據(jù)關系式V2I=ρ2L2wh]]>就可以測量出通入電流為I2時，長度為L2的雙多晶硅梁的電阻率ρ2，④根據(jù)電阻率—平均溫度增量的關系式ρ1ρ0-1ρ2ρ0-1=ΔT1ΔT2=[mL12-tan(mL12)mL12/mL22-tan(mL22)mL22]]]>就可以求出m，通過關系式m=ηkph-J2ρ0ξkp]]>就可以得出η、ρ0、ξ；η是多晶硅梁下表面的等效換熱系數(shù)，ρ0、ξ分別是多晶硅梁在室溫下的電阻率以及其的溫度系數(shù)。
(2)熱膨脹系數(shù)α的測量①對彎梁A的兩端通入緩慢增加的電流，電流產(chǎn)生的熱效應會使梁發(fā)生熱膨脹并推動梁的頂端向前運動。
②觀察連接彎梁與直梁錨區(qū)的歐姆表的讀數(shù)是否有一個從無窮大到有限值的跳變；如無，則說明兩個梁還未發(fā)生接觸，繼續(xù)增大電流值；如有跳變，則說明兩個梁已經(jīng)發(fā)生了接觸，記錄下此刻通過電流值的大小，根據(jù)關系式J=Iwh]]>計算出電流密度J1，彎梁的移動距離是δ1+Δδ，其中，δ1是彎梁的實際移動距離，Δδ是誤差項。
③對彎梁組B重復步驟1、2。記錄下J2，δ2+Δδ。
④將以上參數(shù)代入關系式Δ&Tgr;=J2ρ0kpm2[mL2-tanh(mL2)mL2]]]>并將兩式相減，(δ1+Δδ)-(δ2+δΔ)=α(ΔT1-ΔT2)L2cos(θ)(L24-w2)L24tan2(θ)+w2,]]>其中w是彎梁的寬度，θ是彎梁和水平的夾角，α是熱膨脹系數(shù)，δ是彎梁頂端的位移量。
根據(jù)上式，就可以得出熱膨脹系數(shù)α。
具體例子圖1、2中兩彎梁頂端離直梁的初始頂端距離分別為3.5μm、4μm。多晶硅直梁的寬度都為2μm，多晶硅彎梁的寬度為4um；所有梁的厚度都為2μm；直梁的總長為450μm，彎梁的總長500μm；所有彎梁與水平的夾角為0.05rad。
首先對表面加工雙多晶硅直梁以及任一多晶硅彎梁通入相同大小的電流。分別測量其兩端的電壓就能計算出多晶硅在室溫下的電阻率、電阻率的溫度系數(shù)以及梁與襯底的等效換熱系數(shù)，利用這些數(shù)據(jù)再根據(jù)梁的熱學模型就能夠求取多晶硅梁在某一施加電流下對應的平均溫度增量。
然后對兩彎梁通入相同的、逐漸遞增的電流(不宜過大，保證梁的最高溫度點不超過800K)，觀察連接彎梁與直梁錨區(qū)的歐姆表的讀數(shù)有無跳變。如果沒有，則繼續(xù)增大電流；如果有，則說明此時兩個梁已經(jīng)發(fā)生接觸，記錄下此時刻彎梁的電流值。利用前面所敘述的熱學模型，便可計算出此電流對應的彎梁的平均溫度增量，再通過結構力學模型就可以得到多晶硅的熱膨脹系數(shù)。在具體的處理過程中，對彎梁結構采用了誤差補償?shù)姆椒?，以消去由于殘余應力、工藝誤差等對測試產(chǎn)生的影響。經(jīng)過測量和計算可以得出表面加工多晶硅薄膜的熱膨脹系數(shù)大約為2.585·10-6，測量的誤差大約在5.6％左右。
權利要求
1.一種測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構，其特征在于在結構的組成上，該測量結構由一個多晶硅雙直梁結構以及兩個多晶硅彎梁結構構成；其中，在多晶硅雙直梁結構中，多晶硅直梁(31、32)的兩端分別固定在兩邊的錨區(qū)(13、16)上，在直梁(31)的中間部分鍍有鋁膜(311)，在直梁(32)的中間部分鍍有鋁膜(321)；多晶硅彎梁結構由兩個相同的彎梁(21、22)組成，彎梁(21)的兩端分別固定在錨區(qū)(11、12)上，彎梁(22)的兩端分別固定在兩個錨區(qū)(14、15)上，在彎梁(21)中間的頂端設有尖端(211)，其尖端(211)對著鋁膜(311)；在彎梁(22)中間的頂端設有尖端(221)，其尖端(221)對著鋁膜(321)；錨區(qū)(11、12、13、14、15、16)位于同一塊硅襯底層的平面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構，其特征在于兩彎梁的頂端到直梁的初始距離即尖端(211)的頂端到鋁膜(311)的距離為2μm～8μm，兩個彎梁的頂端離分別距兩根直梁的初始距離不相等；多晶硅梁的寬度為2μm～8μm，厚度都為1.5μm～3μm；雙多晶硅直梁結構中兩根直梁(31、32)的總寬度等于多晶硅彎梁結構中每根彎梁(21、22)的寬度。
3.根據(jù)權利要求1所述的測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構，其特征在于多晶硅直梁(31、32)的長為300μm～600μm，彎梁(21、22)長為300μm～600μm，所有彎梁與直梁夾角為0.01～0.05rad；且多晶硅彎梁的長度與多晶硅直梁的長度不相同。
4.一種用于權利要求1所述的測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構的測量方法，其特征在于該測量方法為a、制備測量梁結構，即制備一個雙直梁結構和兩個多晶硅彎梁結構，這兩個彎梁的幾何結構完全相同，但頂端離直梁的初始距離不同；b、在室溫時對直梁結構中的直梁(31、32)通入一微小電流I0，測量其兩端的電壓V0，根據(jù)關系式V0I0=ρ0L1wh]]>得出在室溫時長度為L1的多晶硅直梁的電阻率ρ0，再對直梁(31、32)中通入另一微小電流I1，測量其兩端電壓V1，根據(jù)關系式V1I=ρ1L1wh]]>測量出在通入電流為I1時，長度為L1的多晶硅梁的電阻率ρ1，c、選擇兩彎梁結構組中的任一個彎梁，總長為L2，對其通入電流I2，測量其兩端的電壓V2，并根據(jù)關系式V2I=ρ2L2wh]]>測量出通入電流為I2時，長度為L2的多晶硅彎梁的電阻率ρ2，d、根據(jù)電阻率—平均溫度增量的關系式ρ1ρ0-1ρ2ρ0-1=ΔT1ΔT2=[mL12-tan(mL12)mL12/mL22-tan(mL22)mL22]]]>得出m，m是中間參量。e、通過關系式m=ηkph-J2ρ0ξkp]]>得出η、ρ0、ξ；η是多晶硅梁下表面的等效換熱系數(shù)，ρ0是多晶硅梁在室溫下的電阻率，ξ是多晶硅梁在室溫下的溫度系數(shù)，h是梁的厚度，kp是多晶硅的熱導率，J是梁中的電流密度；f、對彎梁(21)的兩端分別通入緩慢增加的電流，觀察連接彎梁與直梁錨區(qū)的歐姆表的讀數(shù)是否有一個從無窮大到有限值的跳變；如無，則說明兩個梁還未發(fā)生接觸，繼續(xù)增大電流值；如有跳變，則說明兩個梁已經(jīng)發(fā)生了接觸，記錄下此刻通過電流值的大小，根據(jù)關系式J=Iwh]]>計算出電流密度J1，彎梁的移動距離是δ1+Δδ，其中，δ1是彎梁的實際移動距離，Δδ是誤差項；g、對彎梁(22)重復以上步驟f，再記錄另一組電流密度J2和移動距離δ2+Δδ，將以上參數(shù)代入關系式ΔT=J2ρ0kpm2[mL2-tanh(mL2)mL2],]]>并將兩式相減，即(δ1+Δδ)-(δ2+Δδ)=α(ΔT1-ΔT2)L2cos(θ)(L24-w2)L24tan2(θ)+w2]]>再根據(jù)上式，就可以得出熱膨脹系數(shù)α。
5.根據(jù)權利要求4所述的測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構的測量方法，其特征在于測量梁結構的制備方法為a、制備硅襯底，b、在硅襯底上淀積一層二氧化硅層，c、在二氧化硅層上淀積一層氮化硅層，d、再氮化硅層上淀積一層硼硅玻璃犧牲層，e、在硼硅玻璃犧牲層上面淀積多晶硅，f、光刻出多晶硅梁，g、在多晶硅層上淀積一層鋁h、光刻出錨區(qū)上的鋁層以及直梁上的鋁膜，i、釋放犧牲層。
全文摘要
測量多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的測量結構及其測量方法是基于表面加工工藝的多晶硅薄膜熱膨脹系數(shù)的在線檢測結構，該結構由一個多晶硅雙直梁結構以及兩個多晶硅彎梁結構構成，在直梁的中間部分鍍有鋁膜，多晶硅彎梁結構由兩個相同的彎梁組成，彎梁中間的頂端設有尖端，其尖端對著鋁膜；測量方法為制備測量梁結構；在室溫時對直梁分別通入一微小電流I
文檔編號G01N25/00GK1621821SQ20041006584
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權日2004年12月22日
發(fā)明者黃慶安, 張宇星, 李偉華 申請人:東南大學