CN112881469A - 硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种通过测量金属波导直流电阻低频噪声的方式检验硅基太赫兹金属波导工艺可靠性的测试装置和测试方法。所述测试装置采用四线法直流电阻测量原理，其电路主要由直流电源，限流电阻，硅基太赫兹金属波导，前置放大器，模拟数字变换器(ADC)组成。本发明通过制备分别包含溅射、刻蚀和共晶键合工艺步骤的硅基金属波导结构模板，并对测得的低频噪声进行功率谱密度归一化和噪声参数的曲线拟合。实现了对硅基太赫兹波导结构的低频背景噪声，薄膜溅射工艺低频噪声，深硅刻蚀工艺低频噪声，共晶键合工艺低频噪声进行定量分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅基太赫兹金属波导性能测试装置和测试方法，尤其涉及一种通过测量金属波导直流电阻低频噪声的方式检验硅基太赫兹金属波导工艺可靠性的测试装置和测试方法。
背景技术
太赫兹(THz)电磁波的频率在0.1～10THz、波长为0.03～3mm，介于微波与远红外光之间。太赫兹波处于电磁波谱的特殊位置，因此它具有自己的独特优势：穿透性强、通信传输容量大、方向性好、适用于卫星间星际通信以及短距离的大气通信。由于具有很低的传输损耗，金属波导是太赫兹系统必不可少的器件之一。传统上太赫兹波导采用机械加工的方法，具体包括计算机数控(CNC)加工和电铸加工等。这些加工方法的精度较高，但对于结构复杂的波导部件如波纹喇叭天线等采用以上方法则存在加工困难、成本高，并且难以直接与其他部件进行集成的缺点。此外，为了保证加工精度，传统机械加工通常采用逐个进行加工的方法。当需要加工阵列天线时，这种方式的效率就十分低下。硅刻蚀是半导体工业中一项重要技术，随着硅刻蚀工艺的发展，硅衬底加工已经不再限制于表面，而是向着三维立体加工方向发展，可以实现高深宽比的深硅刻蚀技术更是广泛的应用于各类微机电系统(MEMS)制备过程中。这种工艺很容易实现优于1微米的加工精度。因而，如果采用深硅刻蚀技术对硅基片进行孔洞、通道、腔体等复杂结构加工，并将其像三明治一样多层堆叠起来构成一个整体，就可以实现满足1.2THz以上工作频率的应用需求的硅基金属波导。这种堆叠金属波导结构的实现方法在一定程度上克服了直接机械加工高频阵列天线的很多缺点，同时可以方便的和波导结构或者单片微波集成电路(MMIC)进行集成。近十年来，已有基于深硅刻蚀堆叠结构的太赫兹阵列天线被成功设计和制备，并应用于宇宙微波背景(CMB)极化测量观测中。
硅基太赫兹金属波导需要的工艺流程基本步骤包括：1)在体硅片表面涂上光刻胶；2)通过紫外线照射，将掩膜板的图形转移至体硅片的光刻胶层；3)转移的图形处光刻胶已溶解，将其洗去；4)将上一步处理好的体硅片根据实际要求进行氢氧化钾(KOH)溶液或深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀，形成喇叭、波纹、波导、盲文标记、划片槽以及定位槽等功能结构；5)将刻蚀完毕的体硅片进行清洗，并对表面溅金；6)将对应的体硅片进行键合；7)按照划片槽将键合好的体硅片划开；8)对划片侧壁进行金属化。
采用半导体深硅刻蚀工艺制造实现硅基太赫兹金属波导在具有较好的太赫兹性能的同时也有一些缺点：就是其工艺和装配的可靠性上目前还远比不上传统金属波导。在半导体深硅刻蚀的各个加工步骤，如果使用的晶圆或者选用的刻蚀溶液品质不佳，就容易导致各种缺陷现象出现。缺陷的主要种类有毛刺、针孔、小岛以及钻蚀等,这些缺陷都会对金属波导的质量产生影响。在硅片堆叠完成后，不管采用哪一种键合工艺，也都会对硅片器件的可靠性产生一定的影响。此外，内部的应力积累等也会导致出现金属薄膜剥落，晶圆断裂破碎等现象。传统上要对这些工艺缺陷现象进行直观观测，采用方法是将可能存在缺陷部分的界面结构进行物理解离，然后放在电子显微镜或光学显微镜下进行扫描测量。但这类方法都是有损和破坏性测量方法，器件在进行解离后基本上就无法恢复成原来的形态。因而这种测量方法一般只能在对失效器件进行事后分析时采用。而且这类方法，也只能对缺陷现象的存在做出定性判断，无法更进一步的对其工艺可靠性进行对比分析。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：对采用半导体深硅刻蚀工艺制造实现硅基太赫兹金属波导工艺缺陷进行观测的方法都是有损和破坏性测量方法，并且只能对缺陷现象的存在做出定性判断，无法更进一步的对其工艺可靠性进行对比分析。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，两个端口分别用于接入硅基太赫兹金属波导的两端，其特征在于，采用四线法直流电阻测量原理，包括直流电压源、限流电阻、前置放大器、模拟数字变换器，其中：
直流电压源的两个输出端分别通过一个限流电阻连接在硅基太赫兹金属波导的两端，限流电阻的阻值远大于硅基太赫兹金属波导直流电阻以及将直流电压源与限流电阻相连及将限流电阻与硅基太赫兹金属波导相连的电路连接线的电阻，通过限流电阻将直流电压源变换成等效恒流源；
模拟数字变换器通过前置放大器连接在硅基太赫兹金属波导的两端，由前置放大器对硅基太赫兹金属波导两端的电压数据进行预放大，控制单元通过模拟数字变换器采集并存储一定时间段内的预放大后的电压数据，并用电压数据的均值对其进行归一化处理，随后使用谱估计方法计算所有归一化数据的噪声功率谱。
优选地，所述等效恒流源电流大小由下式计算：
上式中，Is为等效恒流源的输出电流，Vs为直流电压源的输出电压，Ri为限流电阻大小，Rw为硅基太赫兹金属波导的直流电阻。
优选地，所述硅基太赫兹金属波导的直流电阻Rw由下式计算：
上式中，Vm为硅基太赫兹金属波导两端的电压。
优选地，所述控制单元利用下式对噪声功率谱进行曲线拟合：
上式中，A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，f为偏移频率，C为G-R噪声的幅度，f0和α分别为G-R噪声转折频率和指数因子。
优选地，所述前置放大器的输入级采用零漂移高阻抗低噪声运算放大器，其电压放大倍数超过100倍；
所述模拟数字变换器采用18bit以上的高精度、高动态的数据采集板卡，以实现高信噪比的数字信号。
本发明的另一个技术方案是提供了一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试方法，采用上述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，适合于采用深硅刻蚀工艺和金属化工艺制作的任意结构形式的硅基太赫兹金属波导，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备包含溅射工艺步骤的硅基金属薄膜，作为硅基太赫兹金属波导一；制备包含溅射工艺步骤、刻蚀工艺步骤的硅基金属薄膜，作为硅基太赫兹金属波导二；制备包含溅射工艺步骤、刻蚀工艺步骤和共晶键合工艺步骤的硅基金属薄膜，作为硅基太赫兹金属波导三；
(2)采用上述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，使其接入硅基太赫兹金属波导的两个端口处于开路状态，记录此时模拟数字变换器采集的电压数据，并用其均值进行归一化处理，随后使用谱估计方法计算该归一化数据的噪声功率谱，并分别进行曲线拟合，所得结果为硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置的系统背景噪声；
(3)采用上述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置与硅基太赫兹金属波导一相连，测量计算硅基太赫兹金属波导一的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱，随后进行曲线拟合，拟合得到的曲线视为系统背景噪声和薄膜溅射工艺低频噪声的集合；将本步骤得到的曲线参数与步骤(2)得到的曲线参数进行对应核减，得到单独的硅基金属薄膜溅射工艺低频噪声曲线参数；
(4)采用上述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置与硅基太赫兹金属波导二相连，测量计算硅基太赫兹金属波导二的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱，随后进行曲线拟合，拟合得到的曲线视为系统背景噪声、薄膜溅射工艺低频噪声和深硅刻蚀工艺低频噪声的集合；将本步骤得到的曲线参数与步骤(3)得到的曲线参数进行对应核减，得到单独的深硅刻蚀工艺低频噪声；
(5)采用上述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置与硅基太赫兹金属波导三相连，测量计算硅基太赫兹金属波导二的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱，随后进行曲线拟合，拟合得到的曲线视为系统背景噪声、薄膜溅射工艺低频噪声、深硅刻蚀工艺低频噪声和共晶键合工艺低频噪声的集合；将本步骤得到的曲线参数与步骤(4)得到的曲线参数进行对应核减得到单独的共晶键合工艺低频噪声。
优选地，步骤(1)中，提供分别包含溅射工艺步骤、刻蚀工艺步骤和共晶键合工艺步骤的硅基金属薄膜的模板结构，基于模板结构获得硅基太赫兹金属波导。
优选地，步骤(1)中，在规整晶圆上直接溅射宽度为2(a+b)、厚度为t、长度为L的金薄膜，作为所述硅基太赫兹金属波导一；
在规整晶圆上刻蚀宽度为2b、高度为a、长度为L的矩形凹槽，并在凹槽内溅射厚度为t的金薄膜，作为所述硅基太赫兹金属波导二；
在规整晶圆上刻蚀N个宽度为b、高度为a的矩形通孔，并在通孔侧壁溅射厚度为t的金薄膜，在晶圆两面也溅射金薄膜，并将其切割，堆叠并进行共晶键合，形成一个长度为L的矩形硅基金属波导，作为所述硅基太赫兹金属波导三。
优选地，在所述步骤(5)之后还包括：
(6)针对不同工艺参数，重复所述步骤(2)至所述步骤(5)，并对数据进行分析，建立其与硅基波导薄膜的杂质、缺陷和损伤，以及共晶键合强度和堆叠应力之间的联系。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的低频噪声测量装置和测量方法是一种低功率无损测量方案，不影响器件后续的正常使用。
2、本发明提出的低频噪声测试方法具有极高的灵敏度。能快速发现硅基金属薄膜因为杂质、缺陷和损伤等工艺原因带来的性能不可靠性，预测早期失效寿命，以及发现波导端口之间的接触不良。
3、相对于太赫兹波段测试设备，本发明提出的直流测试电路更为简单，同时其测试结果也对器件性能具有良好的指示度，而体积和价格仅为几十分之一；
4、本发明提出的噪声测量电路在ADC前加入零漂移高阻抗低噪声前置放大器对测量信号进行预放大，以进一步降低测试系统噪声并提高测量动态范围。
5、本发明所提测试方法，可以分别提取测试系统的低频背景噪声参数，薄膜溅射工艺低频噪声参数，深硅刻蚀工艺低频噪声参数，共晶键合工艺低频噪声参数。
附图说明
图1为硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试电路原理框图；
图2a至图2c为采用不同工艺实现的硅基太赫兹金属薄膜结构示意图，其中，图2a为溅射，图2b为溅射+深硅刻蚀，图2c为溅射+深硅刻蚀+共晶键合。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提出了通过测量金属波导直流电阻的低频噪声方法来判断和定性分析硅基太赫兹金属波导器件的可靠性。薄膜材料的噪声主要有：白噪声(主要为热噪声和散粒噪声)、1/f噪声和G-R噪声。白噪声是一种广泛存在的噪声，存在于任何具有电阻的材料中，不与频率变化发生改变，主要由材料的本征性质决定，代表着电阻性元器件的最小噪声水平。1/f噪声又称闪烁噪声，包括两部分：一种是非基本1/f噪声，由表面载流子数涨落引起，通过改善器件的表面质量可以进行消除；另一种是基本1/f噪声，由载流子迁移率涨落引起。G-R噪声主要来源于禁带中部的深能级“产生-复合”中心和缺陷中心。通常G-R噪声可以表示为Lorentz谱的形式。电流噪声的功率谱密度公式如下：
式(1)右边多项式中的三项是由三种噪声成分组成的，其中A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，f为偏移频率，C为G-R噪声的幅度，f0和α分别为G-R噪声转折频率和指数因子。
低频噪声正是对主要影响可靠性的潜在缺陷极为敏感的参数,因而被看作是电子器件可靠性的一种简便而有效的表征手段。它具有下列特性:快速性、敏感性及非破坏性。低频噪声分析方法的突出优点是它属于一种平衡态测量，因而能够更为真实地反映材料或器件的本征性质。当电迁移效应使金属薄膜互连线的电阻增加了百分之几的时候，其1/f噪声上升若干个数量级。在同一设计和工艺条件下同批制造出来并已通过了常规电性能检验的器件中，其低频噪声的差距可达到一个数量级以上，这也是低频噪声对于杂质、缺陷和损伤敏感性的一个佐证。低频噪声也可以作为薄膜力学状态是否稳定的一种敏感的标志。淀积于衬底上的薄膜中的应力往往较大，主要由薄膜自身的本征应力和因膜与衬底之间热膨胀系数不匹配引起的热应力构成，当这种应力超过了薄膜的弹性强度时，就会引起塑性形变，否则引起弹性形变。弹性形变不影响噪声，塑性形变则会使噪声上升若干个数量级，这表明噪声反映了薄膜结构的不可逆性变化。l/f噪声是电阻器结构均匀性的一种灵敏的表征参数。例如，粒状结构的碳膜电阻的1/f噪声比连续结构的金属膜电阻的噪声大1-2个数量级。噪声还可用于预测电阻器的长期稳定性。如研究发现，镍铭薄膜电阻的初始噪声越大，则它在老化期间的电阻值变化就越大，越容易失效。此外，接触不良也是1/f噪声的一个重要来源。因而，也可以通过噪声功劳谱密度直接判断出硅基波导的端口是否与外部器件端口进行了良好的连接。
本发明提供的一种用于硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测量装置，具体而言是一种直流电阻噪声测量装置。直流电阻噪声测量装置采用四线法直流电阻测量原理，其测量电路主要由直流电压源、限流电阻、硅基太赫兹金属波导、前置放大器、模拟数字变换器(ADC)组成。
直流电压源采用低纹波(<10mV)直流可调电源或者是可充电电池。
限流电阻采用线绕电阻。限流电阻的阻值远大于硅基太赫兹金属波导直流电阻以及电路连接线的电阻，其作用相当于将直流恒压源变换成等效恒流源，其电流大小由下式计算：
式(2)中，Is为等效恒流源的输出电流，Vs为直流电压源的输出电压，Ri为限流电阻大小，Rw为硅基太赫兹金属波导的直流电阻。
根据四线法测量原理，硅基太赫兹金属波导的直流电阻Rw可以采用下式计算：
式(3)中，Vm为硅基太赫兹金属波导两端的电压。
本发明关注的低频噪声频谱范围为1Hz～10KHz，因而所需ADC的有效数位至少应为14bit。本发明采用高精度(18bit以上)高动态的数据采集板卡。本发明在ADC前加入前置放大器对测量信号进行预放大，以进一步降低测试系统噪声并提高测量动态范围。前置放大器的输入级采用零漂移高阻抗低噪声运算放大器，失调电压小于10uV，电压噪声谱密度<10nV/(Hz)0.5。前置放大器的电压放大倍数以100～1000倍为宜。此外，本发明图1中未画出，但实际中应包含一台控制计算机。控制计算机的功能主要是实现对数据采集卡的控制，以及测量数据噪声谱密度分析。
以WR-5直波导为例，其内侧横截面的宽度和高度分别为1.2954mm和0.6477mm。溅射金层的厚度为1um，则其横截面积为2*(1.2954+0.6477)*0.001＝3.89x10-3mm2。根据电阻计算公式：
公式(4)中，L是波导长度，t是金属厚度，a和b分别是矩形波导宽度和高度，ρ是金属电阻率，对于金而言为2.4x10-5Ω*mm。如果取硅基金属波导的长度为20mm，则Rw≈0.12Ω。如测试电路的直流电压为5V，两个限流电阻都为250Ω，则通过经过硅基金属波导的电流为10mA，电压约为1.2mV。而前置放大器引起噪声在10uV量级，因而由测试电路系统引入的背景噪声，将不会对测试结果造成明显影响。
本发明还提出一种硅基太赫兹波导工艺可靠性测量分析方法，可以分布测出硅基太赫兹波导溅射、刻蚀和共晶键合等不同工艺的低频噪声功率谱。所述测试分析方法包括以下几个步骤(以截面尺寸为a×b的矩形直波导为例)：
(1)制备分别包含溅射、刻蚀和共晶键合工艺步骤的硅基金属薄膜。在规整晶圆上直接溅射宽度为2(a+b)、厚度为t、长度为L的金薄膜；在规整晶圆上刻蚀宽度为2b、高度为a、长度为L的矩形凹槽，并在凹槽内溅射厚度为t的金薄膜；在规整晶圆上刻蚀N个宽度为b、高度为a的矩形通孔，并在通孔侧壁溅射厚度为t的金薄膜，在晶圆两面也溅射金薄膜，并将其切割，堆叠并进行共晶键合，形成一个长度为L的矩形硅基金属波导。它们的外形结构可如图2a、图2b、图2c所示。
(2)采用图1所示测量电路，并使其接入硅基波导的两个端口处于开路状态。记录此时ADC采集的电压数据，并用其均值进行归一化处理，本实施例中，采样频率为25ksps，连续采集10s以上的数。使用谱估计方法计算该归一化数据的噪声功率谱，并根据公式(1)分别进行曲线拟合。所得结果可以视为该测量系统的低频背景噪声。
(3)采用图1所示测量电路与图2a所示的硅基波导结构相连。根据公式(3)测量计算该结构的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱。根据公式(1)进行曲线拟合。该曲线视为系统背景噪声和薄膜溅射工艺低频噪声的集合。将本步骤得到的曲线参数与步骤(2)得到的曲线参数相应项进行相减，就可以得到单独的硅基金属薄膜溅射工艺低频噪声曲线参数；
(4)采用图1所示测量电路与图2b所示的硅基波导结构相连。根据公式(3)测量计算该结构的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱。根据公式(1)进行曲线拟合。该曲线视为系统背景噪声、薄膜溅射工艺低频噪声和深硅刻蚀工艺低频噪声的集合。将本步骤得到的曲线参数与步骤(3)得到的曲线参数进行对应核减。就可以得到单独的深硅刻蚀工艺低频噪声；
(5)采用图1所示测量电路与图2c所示的硅基波导结构相连。根据公式(3)测量计算该结构的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱。根据公式(1)进行曲线拟合。该曲线视为系统背景噪声、薄膜溅射工艺低频噪声、深硅刻蚀工艺低频噪声和共晶键合工艺低频噪声的集合。将本步骤得到的曲线参数与步骤(4)得到的曲线参数进行对应核减，就可以得到单独的共晶键合工艺低频噪声。
(6)针对不同工艺参数，重复步骤(2)至步骤(5)，并对数据进行分析，建立其与硅基波导薄膜的杂质、缺陷和损伤，以及共晶键合强度和堆叠应力等之间的联系。
在步骤(3)至步骤(4)的测试过程中，如果出现噪声功率密度明显大于薄膜溅射工艺低频噪声的情况，优先考虑是否接触不良现象。该现象可通过重新装配硅基金属波导端口和外部波导端口来解决。
综上所述，针对硅基太赫兹金属波导工艺的可靠性问题，本专利提出一种基于直流电阻低频噪声的测试装置和测试方法，对其进行定量分析。该专利采用四线法测电阻方法，并采用前置低噪声运放和高精度ADC采集卡，具有极高的测试精度和较低的制造成本。
Claims (9)
1.一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，两个端口分别用于接入硅基太赫兹金属波导的两端，其特征在于，采用四线法直流电阻测量原理，包括直流电压源、限流电阻、前置放大器、模拟数字变换器，其中：
直流电压源的两个输出端分别通过一个限流电阻连接在硅基太赫兹金属波导的两端，限流电阻的阻值远大于硅基太赫兹金属波导直流电阻以及将直流电压源与限流电阻相连及将限流电阻与硅基太赫兹金属波导相连的电路连接线的电阻，通过限流电阻将直流电压源变换成等效恒流源；
模拟数字变换器通过前置放大器连接在硅基太赫兹金属波导的两端，由前置放大器对硅基太赫兹金属波导两端的电压数据进行预放大，控制单元通过模拟数字变换器采集并存储一定时间段内的预放大后的电压数据，并用电压数据的均值对其进行归一化处理，随后使用谱估计方法计算所有归一化数据的噪声功率谱。
2.如权利要求1所述的一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，其特征在于，所述等效恒流源电流大小由下式计算：
上式中，Is为等效恒流源的输出电流，Vs为直流电压源的输出电压，Ri为限流电阻大小，Rw为硅基太赫兹金属波导的直流电阻。
3.如权利要求1所述的一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，其特征在于，所述硅基太赫兹金属波导的直流电阻Rw由下式计算：
上式中，Vm为硅基太赫兹金属波导两端的电压。
4.如权利要求1所述的一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，其特征在于，所述控制单元利用下式对噪声功率谱进行曲线拟合：
上式中，为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，f为偏移频率，C为G-R噪声的幅度，f0和α分别为G-R噪声转折频率和指数因子。
5.如权利要求1所述的一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，其特征在于，所述前置放大器的输入级采用零漂移高阻抗低噪声运算放大器，其电压放大倍数超过100倍；
所述模拟数字变换器采用18bit以上的高精度、高动态的数据采集板卡，以实现高信噪比的数字信号。
6.一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试方法，采用权利要求1所述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，适合于采用深硅刻蚀工艺和金属化工艺制作的任意结构形式的硅基太赫兹金属波导，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备包含溅射工艺步骤的硅基金属薄膜，作为硅基太赫兹金属波导一；制备包含溅射工艺步骤、刻蚀工艺步骤的硅基金属薄膜，作为硅基太赫兹金属波导二；制备包含溅射工艺步骤、刻蚀工艺步骤和共晶键合工艺步骤的硅基金属薄膜，作为硅基太赫兹金属波导三；
(2)采用权利要求1所述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置，使其接入硅基太赫兹金属波导的两个端口处于开路状态，记录此时模拟数字变换器采集的电压数据，并用其均值进行归一化处理，随后使用谱估计方法计算该归一化数据的噪声功率谱，并分别进行曲线拟合，所得结果为硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置的系统背景噪声；
(3)采用权利要求1所述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置与硅基太赫兹金属波导一相连，测量计算硅基太赫兹金属波导一的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱，随后进行曲线拟合，拟合得到的曲线视为系统背景噪声和薄膜溅射工艺低频噪声的集合；将本步骤得到的曲线参数与步骤(2)得到的曲线参数进行对应核减，得到单独的硅基金属薄膜溅射工艺低频噪声曲线参数；
(4)采用权利要求1所述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置与硅基太赫兹金属波导二相连，测量计算硅基太赫兹金属波导二的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱，随后进行曲线拟合，拟合得到的曲线视为系统背景噪声、薄膜溅射工艺低频噪声和深硅刻蚀工艺低频噪声的集合；将本步骤得到的曲线参数与步骤(3)得到的曲线参数进行对应核减，得到单独的深硅刻蚀工艺低频噪声；
(5)采用权利要求1所述的硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试装置与硅基太赫兹金属波导三相连，测量计算硅基太赫兹金属波导二的直流电阻，并进行归一化处理和计算其噪声功率谱，随后进行曲线拟合，拟合得到的曲线视为系统背景噪声、薄膜溅射工艺低频噪声、深硅刻蚀工艺低频噪声和共晶键合工艺低频噪声的集合；将本步骤得到的曲线参数与步骤(4)得到的曲线参数进行对应核减得到单独的共晶键合工艺低频噪声。
7.如权利要求6所述的一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试方法，其特征在于，步骤(1)中，提供分别包含溅射工艺步骤、刻蚀工艺步骤和共晶键合工艺步骤的硅基金属薄膜的模板结构，基于模板结构获得硅基太赫兹金属波导。
8.如权利要求7所述的一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试方法，其特征在于，步骤(1)中，在规整晶圆上直接溅射宽度为2(a+b)、厚度为t、长度为L的金薄膜，作为所述硅基太赫兹金属波导一；
在规整晶圆上刻蚀宽度为2b、高度为a、长度为L的矩形凹槽，并在凹槽内溅射厚度为t的金薄膜，作为所述硅基太赫兹金属波导二；
在规整晶圆上刻蚀N个宽度为b、高度为a的矩形通孔，并在通孔侧壁溅射厚度为t的金薄膜，在晶圆两面也溅射金薄膜，并将其切割，堆叠并进行共晶键合，形成一个长度为L的矩形硅基金属波导，作为所述硅基太赫兹金属波导三。
9.如权利要求6所述的一种硅基太赫兹金属波导工艺可靠性测试方法，其特征在于，在所述步骤(5)之后还包括：
(6)针对不同工艺参数，重复所述步骤(2)至所述步骤(5)，并对数据进行分析，建立其与硅基波导薄膜的杂质、缺陷和损伤，以及共晶键合强度和堆叠应力之间的联系。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114275734A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-05 | 福州大学 | 一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料及其制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120299608A1 (en) * | 2011-05-23 | 2012-11-29 | Peking University | Method of testing reliability of semiconductor device |
| CN103090977A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-05-08 | 南京大学 | 一种太赫兹信号检测装置 |
| CN103439669A (zh) * | 2013-09-09 | 2013-12-11 | 吉林大学 | 一种单晶硅太阳能电池可靠性筛选方法 |
| CN104020365A (zh) * | 2014-06-04 | 2014-09-03 | 电子科技大学 | 一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法 |
| KR20190020463A (ko) * | 2017-08-21 | 2019-03-04 | 한국광기술원 | 테라헤르츠 센서 및 그 측정 방법 |
| CN111198348A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-26 | 杭州电子科技大学 | 一种磁传感器噪声测试系统标定方法 |
| CN112125277A (zh) * | 2020-10-10 | 2020-12-25 | 上海科技大学 | 一种适用于超导探测器玻璃窗的制备工艺 |
-
2021
- 2021-01-13 CN CN202110041962.1A patent/CN112881469B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120299608A1 (en) * | 2011-05-23 | 2012-11-29 | Peking University | Method of testing reliability of semiconductor device |
| CN103090977A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-05-08 | 南京大学 | 一种太赫兹信号检测装置 |
| CN103439669A (zh) * | 2013-09-09 | 2013-12-11 | 吉林大学 | 一种单晶硅太阳能电池可靠性筛选方法 |
| CN104020365A (zh) * | 2014-06-04 | 2014-09-03 | 电子科技大学 | 一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法 |
| KR20190020463A (ko) * | 2017-08-21 | 2019-03-04 | 한국광기술원 | 테라헤르츠 센서 및 그 측정 방법 |
| CN111198348A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-26 | 杭州电子科技大学 | 一种磁传感器噪声测试系统标定方法 |
| CN112125277A (zh) * | 2020-10-10 | 2020-12-25 | 上海科技大学 | 一种适用于超导探测器玻璃窗的制备工艺 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| C.K.WALKER 等: ""LASER MICROMACHINING OF SILICON:A NEW TECHNIQUE FOR FABRICATING HIGH QUALITY TERAHERTZ WAVEGUIDE COMPONENTS"", 《EIGHTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON SPACE TERAHERTZ TECHNOLOGY》, pages 358 - 376 * |
| STEFFES MICHAEL: ""Noise Analysis for High-Speed Op Amps"", 《BURR-BROWN APPLICATION BULLETIN》, pages 1 - 12 * |
| 孙菲 等: ""基于电流取样调制的电阻低频噪声测试方法"", 《电测与仪表》, vol. 53, no. 4, pages 46 - 50 * |
| 李建伟 等: ""磁电阻薄膜材料噪声研究进展"", 《磁性材料及器件》, pages 7 - 13 * |
| 郭子成: ""半导体辐射探测器低频噪声测试系统设计与应用"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》, no. 2, pages 028 - 302 * |
| 雷军 等: ""低频电阻电流噪声测试技术的发展和应用"", 《计量与测试技术》, vol. 36, no. 4, pages 21 - 24 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114275734A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-05 | 福州大学 | 一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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