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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