CN101620192A - 一种用于测量薄膜导热率的测试结构 - Google Patents

一种用于测量薄膜导热率的测试结构 Download PDF

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蒋亚东
吴志明
杨利霞
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Abstract

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(Si3N4)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。

Description

一种用于测量薄膜导热率的测试结构
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微/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模集成电路、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(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-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-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。
附图说明
图1是本发明的参考单元的结构俯视图；
图2是本发明的测试单元结构俯视图；
图3是本发明实施例中压焊块D处的结构剖视图；
图4是本发明实施例中Si3N4桥墩E处的结构剖视图；
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、Si3N4桥墩。
具体实施方式
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1，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表面上溅射沉积蛇形金属铂(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(Al)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铂薄膜，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Si3N4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Si3N4或SiO2，牺牲层材料是SiO2或聚酰亚胺，厚度为1-3um，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20-80nm。

Claims (2)

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。
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