TWI676025B - 熱膨脹係數檢測系統及方法 - Google Patents

熱膨脹係數檢測系統及方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI676025B
TWI676025B TW107128061A TW107128061A TWI676025B TW I676025 B TWI676025 B TW I676025B TW 107128061 A TW107128061 A TW 107128061A TW 107128061 A TW107128061 A TW 107128061A TW I676025 B TWI676025 B TW I676025B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
test sample
thermal expansion
expansion coefficient
sample
coefficient
Prior art date
Application number
TW107128061A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202009479A (zh
Inventor
莊婉君
Wan Chun Chuang
陳楷
Kai Chen
Original Assignee
國立中山大學
National Sun Yat-Sen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立中山大學, National Sun Yat-Sen University filed Critical 國立中山大學
Priority to TW107128061A priority Critical patent/TWI676025B/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI676025B publication Critical patent/TWI676025B/zh
Publication of TW202009479A publication Critical patent/TW202009479A/zh

Links

Abstract

一種熱膨脹係數檢測系統及方法，用以解決習知熱膨脹係數檢測方法無法達到即時性檢測的問題。係包含：一測試件，具有一檢測樣本及一基板；一測量模組，電性連接該測試件，該測量模組用以產生一加熱電流進入該檢測樣本並維持一加熱時間，及在該檢測樣本與該基板之間施加一電位差並測量一電容值；及一資料處理模組，耦合連接該測量模組，該資料處理模組藉由分析該加熱電流、該加熱時間、該電位差及該電容值，得到一極限電流值及一穩定時間，及該檢測樣本與該基板之間的一吸附電壓值，再導入一經驗公式計算出該檢測樣本的熱膨脹係數。

Description

熱膨脹係數檢測系統及方法
本發明係關於一種材料檢測方式，尤其是一種用於半導體薄膜材料的熱膨脹係數檢測系統及方法。
微機電系統(Microelectromechanical System,MEMS)係通過半導體製程及機密機械技術，所製造整合微小元件功能的微系統，可以包含微感測器、微處理器及微致動器等元件。微機電結構普遍通過面型微加工技術(Surface micromachining)製造，係利用蒸鍍、濺鍍或化學沉積等半導體製程方法，將多層薄膜疊合而成，因此，各該薄膜材料的成分、厚度、機械性質等製程差異，將影響微機電系統的功能及品質，而藉由微觀量測及分析技術，求取薄膜材料的應力、形變及熱膨脹係數等特性，係可以進一步用於調整製程參數，而提高產品良率。
一般檢測薄膜材料的方法，係使用影像干涉(Interference)原理測量薄膜材料的彎曲量，而薄膜材料經過熱處理以量測薄膜材料在不同溫度下的彎曲量，係可以進一步計算出薄膜材料的熱膨脹係數，惟，習知的薄膜材料熱膨脹係數檢測方法需多次擷取干涉影像，才足以通過公式計算出熱膨脹係數，導致其檢測流程不符合生產線即時性的需求，另外，生產線必須加裝光源以發射光束於薄膜材料，及影像擷取裝置以收集干涉影像，導致生 產設備成本大幅增加，且其檢測流程與電性測試製程不相容，導致額外的人力需求。
有鑑於此，習知的熱膨脹係數檢測方法確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種熱膨脹係數檢測系統及方法，可以即時檢測出薄膜材料的熱膨脹係數，提升產線的檢驗速度。
本發明的次一目的是提供一種熱膨脹係數檢測系統及方法，具有操作流程簡單快速，可以節省人力及設備需求。
本發明的熱膨脹係數檢測系統，包含：一測試件，具有一檢測樣本及一基板，該檢測樣本與該基板電絕緣，該檢測樣本具有一樣本長度、一樣本寬度及一樣本厚度，該檢測樣本受熱變形之前，該檢測樣本與該基板之間具有一初始間隙；一測量模組，電性連接該測試件，該測量模組用以產生一加熱電流進入該檢測樣本並維持一加熱時間，及在該檢測樣本與該基板之間施加一電位差，並測量該檢測樣本與該基板之間的電容值；及一資料處理模組，耦合連接該測量模組，該資料處理模組藉由分析該加熱電流、該加熱時間、該電位差及該電容值，得到該測試件容許承受之最大加熱電流係一極限電流值，及該檢測樣本加熱後到達穩定之時間係一穩定時間，及該檢測樣本與該基板之間的一吸附電壓值，該資料處理模組藉由一經驗公式計算出該檢測樣本之一熱膨脹係數，該經驗公式如下：
Figure TWI676025B_D0001
其中，α為該檢測樣本之熱膨脹係數；B L 為該檢測樣本之樣本長度；B W 為該檢測樣本之樣本寬度；B T 為該檢測樣本之樣本厚度；g 0為該檢測樣本與該基板之間的初始間隙；I為該加熱電流；I cr 為該極限電流值；t為該加熱時間；t st 為該穩定時間；V pi 為該吸附電壓值；k為該測試件之熱傳導係數；β為該測試件之電阻溫度係數；ρ為該測試件之電阻率；E為該測試件之楊氏係數；ε為空氣之介電係數；N1為第一待定係數；N2為第二待定係數；N3為第三待定係數；N4為第四待定係數；N5為第五待定係數。
本發明的熱膨脹係數檢測方法，係使用上述之熱膨脹係數檢測系統，包含：一加熱步驟，以穩定之該加熱電流進入該測試件並持續該加熱時間，該檢測樣本受熱變形；一測量步驟，以逐漸升高之該電位差作用於該測試件之該檢測樣本與該基板之間，並同步測量該電容值，以找出該吸附電壓值；及一計算步驟，將該加熱電流、該加熱時間及該吸附電壓值導入該經驗公式，計算出該檢測樣本之熱膨脹係數。
據此，本發明的熱膨脹係數檢測系統及方法，係藉由穩定的加熱電流使該檢測樣本受熱變形，並偵測該檢測樣本的吸附電壓值，再將該吸附電壓值導入該經驗公式，以計算出該檢測樣本的熱膨脹係數，由於檢測過程僅使用電訊號加熱及偵測電訊號，因此可以快速且即時地得到熱膨脹係數，可方便運用於薄膜材料元件的生產線，如此，本發明係具有提升檢測速度及產能的功效，還可以節省人力及設備需求。
其中，該測試件具有二電極端分別連接該檢測樣本的二端，且各該電極端與該基板之間具有一支撐層。如此，該檢測樣本架空於該基板之上且該測試件形成橋型結構，係具有電絕緣及產生電容值的功效。
其中，該測試件之該二電極端之間的距離係該樣本長度，該檢測樣本與該電極端之接觸面的寬係該樣本寬度，及接觸面的高係該樣本厚度。如此，該樣本長度、樣本寬度及樣本厚度可以表示該檢測樣本受熱變形的狀態，係具有建立經驗公式的功效。
其中，該測量模組具有一組電流導線分別電性連接該測試件之該二電極端。如此，該加熱電流可以通過該電流導線及該二電極端進入該檢測樣本，係具有控制電流加熱檢測樣本的功效。
其中，該測量模組具有一組測量導線分別電性連接其中一電極端及該基板。如此，該檢測樣本與該基板之間可以存在該電位差，係具有測量電容值及觀察間隙變化的功效。
其中，該第一待定係數為1.4~1.5。如此，依據不同之樣本厚度及樣本長度可以調整該第一待定係數，係具有提升經驗公式的計算準確度的功效。
其中，該第二待定係數為0.4~0.5。如此，依據不同之樣本長度及樣本寬度可以調整該第二待定係數，係具有提升經驗公式的計算準確度的功效。
其中，該第三待定係數為1.8~1.9。如此，依據不同之樣本厚度及樣本寬度可以調整該第三待定係數，係具有提升經驗公式的計算準確度的功效。
其中，該第四待定係數為1.6~1.7。如此，依據不同之加熱電流及極限電流值可以調整該第四待定係數，係具有提升經驗公式的計算準確 度的功效。
其中，該第五待定係數為0.9~1.0。如此，依據不同之加熱時間及穩定時間可以調整該第五待定係數，係具有提升經驗公式的計算準確度的功效。
1‧‧‧測試件
11‧‧‧電極端
12‧‧‧基板
13‧‧‧支撐層
2‧‧‧測量模組
21‧‧‧電流導線
22‧‧‧測量導線
3‧‧‧資料處理模組
B‧‧‧檢測樣本
BL‧‧‧樣本長度
BW‧‧‧樣本寬度
BT‧‧‧樣本厚度
g‧‧‧間隙
g0‧‧‧初始間隙
△g‧‧‧間隙變化量
I‧‧‧加熱電流
t‧‧‧加熱時間
V‧‧‧電位差
C‧‧‧電容值
Icr‧‧‧極限電流值
tst‧‧‧穩定時間
Vpi‧‧‧吸附電壓值
S1‧‧‧加熱步驟
S2‧‧‧測量步驟
S3‧‧‧計算步驟
〔第1圖〕本發明一較佳實施例的系統方塊圖。
〔第2a圖〕本發明一較佳實施例的局部立體圖。
〔第2b圖〕如第2a圖所示的上視圖。
〔第2c圖〕如第2a圖所示的側視圖。
〔第2d圖〕如第2c圖所示的局部放大圖。
〔第3圖〕本發明一較佳實施例的動作情形圖。
〔第4a圖〕如第3圖中的電容值C對應加熱時間t之變化趨勢圖。
〔第4b圖〕如第4a圖中的電容值C換算之間隙變化量對應加熱時間t之變化趨勢圖。
〔第4c圖〕如第3圖中的電容值C對應電位差V之變化趨勢圖。
〔第5圖〕本發明一較佳實施例的步驟流程圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明熱膨脹係數檢測系統的較佳實施例，係包含一測試件1、一測量模組2及一資料處理模組3，該測量模組2 電性連接該測試件1，該資料處理模組3耦合連接該測量模組2。
請參照第2a圖所示，該測試件1係由二電極端11分別連接一檢測樣本B的二端，該二電極端11位於一基板12，各該電極端11與該基板12之間具有一支撐層13，使該檢測樣本B藉由二電極端11及該二支撐層13架空於該基板12之上，該測試件1係形成橋型結構。該測試件1可以藉由微影、蝕刻等半導體製程堆疊組合而成，其中，該二電極端11係半導體且成分可以是矽(Silicon)，該基板12可以是SOI晶圓(Silicon On Insulator Wafer)，該支撐層13係電絕緣體且成分可以是二氧化矽(Silicon Dioxide)。
請參照第2b、2c圖所示，該檢測樣本B為長方體結構，係具有樣本長度BL、樣本寬度BW及樣本厚度BT，該測試件1之該二電極端11之間的距離係該樣本長度BL，該檢測樣本B與該電極端11之接觸面的寬係該樣本寬度BW，及接觸面的高係該樣本厚度BT，另外，該檢測樣本B架空於該基板12上，使該檢測樣本B與該基板12之間具有一間隙g。請再參照第2d圖所示，該檢測樣本B受熱變形之前，該間隙g等於一初始間隙g0，該檢測樣本B受熱變形之後，該間隙g改變且該初始間隙g0減該間隙g等於一間隙變化量△g。
請參照第3圖所示，該測量模組2可以是半導體分析儀，由一組電流導線21分別電性連接該測試件1之該二電極端11，該測量模組2可以產生一加熱電流I並藉由該電流導線21及該二電極端11導引，使該加熱電流I進入該檢測樣本B並維持一加熱時間t，達到加熱該檢測樣本B的功效。另外，該測量模組2由一組測量導線22分別電性連接其中一電極端11及該基板12，該測量模組2可以在該檢測樣本B與該基板12之間施加逐漸升高之一電位差V，並同步測量該檢測樣本B與該基板12之間的電容值C。
該資料處理模組3可以是計算機，用於導入熱膨脹係數檢測之 相關參數，係包含：該樣本長度BL、該樣本寬度BW、該樣本厚度BT、該初始間隙g0、該加熱電流I、該加熱時間t、該電位差V及該電容值C，該資料處理模組3係可以藉由該測量模組2使用多組不同的加熱電流I作用於該測試件1，並觀察該電容值C與該加熱時間t之關係；該資料處理模組3還可以藉由該測量模組2逐漸提高該電位差V，並觀察該電位差V與該電容值C之關係。
其中，如第4a圖所示，該加熱電流I作用於該測試件1之過程中，該電容值C對應該加熱時間t之變化趨勢，依據不同大小的加熱電流I而不同，當該加熱電流過大時，造成該測試件1之結構損壞而無法測量該電容值C(如第4a圖之I4曲線所示)，又，該測試件1所能夠承受之最大加熱電流I係一極限電流值Icr(如第4a圖之Icr曲線所示)。
又，如第4b圖所示，該測試件1之該電容值C係可以換算為該間隙變化量△g，則該間隙變化量△g對應該加熱時間t變化，當該間隙變化量△g達到最大值時，該間隙變化量△g之變化趨於穩定，由開始加熱該測試件1到該間隙變化量△g穩定之過程係一穩定時間tst。
又，如第4c圖所示，加熱該測試件1之過程結束後，測量該電容值C對應該電位差V之變化趨勢，該電容值C急遽升高之瞬間的電位差V係一吸附電壓值Vpi。
該資料處理模組3依據上述關係圖，係可以將該極限電流值Icr、該穩定時間tst及該吸附電壓值Vpi等該測試件1之特性參數，導入一經驗公式並計算出該檢測樣本B之熱膨脹係數α，該經驗公式如下：
Figure TWI676025B_D0002
 其中，k為該測試件1之熱傳導係數；β為該測試件1之電阻溫度係數；ρ為該測試件1之電阻率；E為該測試件1之楊氏係數；ε為空氣之介電係數；N1係第一待定係數且較佳為1.4~1.5；N2係第二待定係數且較佳為0.4~0.5；N3係第三待定係數且較佳為1.8~1.9；N4係第四待定係數且較佳為1.6~1.7；N5係第五待定係數且較佳為0.9~1.0。
請參照第5圖所示，其係本發明熱膨脹係數檢測方法的較佳實施例，係包含一加熱步驟S1、一測量步驟S2及一計算步驟S3。
該加熱步驟S1係以該測量模組2使穩定之該加熱電流I進入該測試件1並持續該加熱時間t，使該檢測樣本B受熱變形。
該測量步驟S2係以該測量模組2使逐漸升高之該電位差V作用於該測試件1，並同步測量該電容值C，以找出該吸附電壓值Vpi。
該計算步驟S3係將該加熱電流I、該加熱時間t及該吸附電壓值Vpi導入該經驗公式，計算出該熱膨脹係數α。
綜上所述，本發明的熱膨脹係數檢測系統及方法，係藉由穩定的加熱電流使該檢測樣本受熱變形，並偵測該檢測樣本的吸附電壓值，再將該吸附電壓值導入該經驗公式，以計算出該檢測樣本的熱膨脹係數，由於檢測過程僅使用電訊號加熱及偵測電訊號，因此可以快速且即時地得到熱膨脹係數，可方便運用於薄膜材料元件的生產線，如此，本發明係具有提升檢測速度及產能的功效，還可以節省人力及設備需求。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

  1. 一種熱膨脹係數檢測系統，包含：一測試件，具有一檢測樣本及一基板，該檢測樣本與該基板電絕緣，該檢測樣本具有一樣本長度、一樣本寬度及一樣本厚度，該檢測樣本受熱變形之前，該檢測樣本與該基板之間具有一初始間隙；一測量模組，電性連接該測試件，該測量模組用以產生一加熱電流進入該檢測樣本並維持一加熱時間，及在該檢測樣本與該基板之間施加一電位差，並測量該檢測樣本與該基板之間的電容值；及一資料處理模組，耦合連接該測量模組，該資料處理模組藉由分析該加熱電流、該加熱時間、該電位差及該電容值，得到該測試件容許承受之最大加熱電流係一極限電流值，及該檢測樣本加熱後到達穩定之時間係一穩定時間，及該檢測樣本與該基板之間的一吸附電壓值，該資料處理模組藉由一經驗公式計算出該檢測樣本之一熱膨脹係數，該經驗公式如下：其中，α為該檢測樣本之熱膨脹係數；B L 為該檢測樣本之樣本長度；B W 為該檢測樣本之樣本寬度；B T 為該檢測樣本之樣本厚度；g 0為該檢測樣本與該基板之間的初始間隙；I為該加熱電流；I cr 為該極限電流值；t為該加熱時間；t st 為該穩定時間；V pi 為該吸附電壓值；k為該測試件之熱傳導係數；β為該測試件之電阻溫度係數；ρ為該測試件之電阻率；E為該測試件之楊氏係數；ε為空氣之介電係數；N1為第一待定係數；N2為第二待定係數；N3為第三待定係數；N4為第四待定係數；N5為第五待定係數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱膨脹係數檢測系統，其中，該測試件具有二電極端分別連接該檢測樣本的二端，且各該電極端與該基板之間具有一支撐層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之熱膨脹係數檢測系統，其中，該測試件之該二電極端之間的距離係該樣本長度，該檢測樣本與該電極端之接觸面的寬係該樣本寬度，及接觸面的高係該樣本厚度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之熱膨脹係數檢測系統，其中，該測量模組具有一組電流導線分別電性連接該測試件之該二電極端。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之熱膨脹係數檢測系統，其中，該測量模組具有一組測量導線分別電性連接其中一電極端及該基板。
  6. 一種熱膨脹係數檢測方法，係使用申請專利範圍第1至5項中任一項所述之熱膨脹係數檢測系統，該方法包含：一加熱步驟，以穩定之該加熱電流進入該測試件並持續該加熱時間，該檢測樣本受熱變形；一測量步驟，以逐漸升高之該電位差作用於該測試件之該檢測樣本與該基板之間，並同步測量該電容值，以找出該吸附電壓值；及一計算步驟，將該加熱電流、該加熱時間及該吸附電壓值導入該經驗公式，計算出該檢測樣本之熱膨脹係數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之熱膨脹係數檢測方法，其中，該第一待定係數為1.4~1.5。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之熱膨脹係數檢測方法，其中，該第二待定係數為0.4~0.5。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之熱膨脹係數檢測方法，其中，該第三待定係數為1.8~1.9。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之熱膨脹係數檢測方法，其中，該第四待定係數為1.6~1.7。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之熱膨脹係數檢測方法，其中，該第五待定係數為0.9~1.0。
TW107128061A 2018-08-10 2018-08-10 熱膨脹係數檢測系統及方法 TWI676025B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW107128061A TWI676025B (zh) 2018-08-10 2018-08-10 熱膨脹係數檢測系統及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW107128061A TWI676025B (zh) 2018-08-10 2018-08-10 熱膨脹係數檢測系統及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI676025B true TWI676025B (zh) 2019-11-01
TW202009479A TW202009479A (zh) 2020-03-01

Family

ID=69188803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW107128061A TWI676025B (zh) 2018-08-10 2018-08-10 熱膨脹係數檢測系統及方法

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI676025B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1621821A (zh) * 2004-12-22 2005-06-01 东南大学 测量多晶硅薄膜热膨胀系数的测量结构及其测量方法
CN101246136A (zh) * 2008-03-21 2008-08-20 东南大学 表面加工多晶硅薄膜热膨胀系数的电测试方法
CN102608149A (zh) * 2012-01-10 2012-07-25 东南大学 多晶硅热膨胀系数在线测试结构

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1621821A (zh) * 2004-12-22 2005-06-01 东南大学 测量多晶硅薄膜热膨胀系数的测量结构及其测量方法
CN101246136A (zh) * 2008-03-21 2008-08-20 东南大学 表面加工多晶硅薄膜热膨胀系数的电测试方法
CN102608149A (zh) * 2012-01-10 2012-07-25 东南大学 多晶硅热膨胀系数在线测试结构

Also Published As

Publication number Publication date
TW202009479A (zh) 2020-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6300756B2 (en) Micro-mechanical probes for charge sensing
EP2762864B1 (en) Membrane-based sensor device and method for manufacturing the same
TWI648527B (zh) 改良的壓力感測器結構
WO2017028466A1 (zh) 一种mems应变计芯片及其制造工艺
US9964508B2 (en) Sensing water vapour
US10184777B2 (en) Material damage system and method for determining same
WO2018035964A1 (zh) 一种导电薄膜材料残余应力的在线测量方法及测量装置
CN112320754B (zh) 一种半导体导电薄膜线宽的在线测试结构及方法
KR20160010348A (ko) 유전체 막 두께 모니터링용 커패시턴스 테스트 구조 및 커패시턴스 테스트 방법
KR100911090B1 (ko) 정확도가 향상된 마이크로칼로리미터 소자
TWI676025B (zh) 熱膨脹係數檢測系統及方法
CN112326721A (zh) 一种多层薄膜热膨胀系数提取方法
CN1206528C (zh) 导体薄膜热导率的测试装置
KR20080022556A (ko) 기판 상의 일 세트의 도전층에 대한 전기 응답을최적화하기 위한 방법 및 장치
Kinkeldei et al. 2D thin film temperature sensors fabricated onto 3D nylon yarn surface for smart textile applications
WO2010140719A1 (ko) 정확도가 향상된 마이크로칼로리미터 소자
CN106841285B (zh) 一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构
JP2009250874A (ja) 物理量センサおよびその製造方法
Alzoubi et al. Stability of interdigitated microelectrodes of flexible chemiresistor sensors
US20190207074A1 (en) Thermal barometric altimeter
KR100650603B1 (ko) 응축방울 검지센서
JP6180900B2 (ja) 応力検知用素子および応力検知方法
JP2007033212A (ja) センサデバイス構造体の検査方法
Majcherek et al. Glass based IDC sensor element for flex loads on MLCCs in PCB manufacturing chain
RU2650793C1 (ru) Способ изготовления чувствительных элементов газовых датчиков