表面加工多晶硅薄膜特性在線測(cè)試方法研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的前沿研究領(lǐng)域。MEMS加工工藝中應(yīng)用的材料大多為薄膜材料，因受到不同工藝條件的影響，相同的薄膜材料往往呈現(xiàn)出不同的特性。由于受到尺寸的限制，薄膜材料的材料參數(shù)很難利用傳統(tǒng)的宏觀表征技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，因此，MEMS的材料特性表征是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。而在實(shí)際生產(chǎn)中，為了監(jiān)測(cè)加工工藝線的穩(wěn)定性、一致性和均勻性，保證產(chǎn)品的可

2、靠性，并為MEMS設(shè)計(jì)者提供用于設(shè)計(jì)、優(yōu)化和預(yù)測(cè)器件性能的工藝參數(shù)，建立MEMS薄膜材料特性的在線測(cè)試結(jié)構(gòu)和在線測(cè)試方法具有重要的意義。已報(bào)道的MEMS薄膜材料參數(shù)測(cè)試結(jié)構(gòu)比較零散，大多不適用于實(shí)際的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。我國(guó)目前正在建立MEMS加工工藝線，因此，進(jìn)行MEMS薄膜材料特性的在線測(cè)試研究非常必要，這類(lèi)研究對(duì)我國(guó)建立MEMS加工工藝線具有重要的支持作用。
　　MEMS表面微機(jī)械加工工藝與CMOS工藝兼容性好，是目前最為常用和商業(yè)

3、化的加工工藝之一。多晶硅薄膜在表面工藝中作為機(jī)械結(jié)構(gòu)層，是表面微機(jī)械加工中最常見(jiàn)的材料。本文主要針對(duì)MEMS表面微加工工藝的多晶硅薄膜，設(shè)計(jì)了在線測(cè)試結(jié)構(gòu)并研究了在線測(cè)試方法。涉及的薄膜材料參數(shù)主要包括:電學(xué)參數(shù)、幾何學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。在線測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法的關(guān)鍵在于，設(shè)計(jì)出與被監(jiān)測(cè)工藝相兼容的測(cè)試結(jié)構(gòu)，并采用電激勵(lì)與電檢測(cè)的測(cè)試手段，對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行表征。這一方法需要利用模型進(jìn)行電參數(shù)到物理參數(shù)和幾何參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)待測(cè)

4、材料參數(shù)的電學(xué)響應(yīng)相關(guān)性，設(shè)計(jì)出測(cè)試結(jié)構(gòu)和建立參數(shù)提取方法。
　　(1)本文發(fā)明了一種新型四探針橋測(cè)試結(jié)構(gòu)，并建立了電學(xué)和幾何學(xué)參數(shù)的在線提取模型和測(cè)試方法。該在線測(cè)試結(jié)構(gòu)可以同步提取多晶硅層方塊電阻、線寬、厚度以及犧牲層刻蝕溝槽深度和刻蝕傾角參數(shù)。和傳統(tǒng)的薄膜厚度測(cè)試方法相比，這種方法具有非破壞性、測(cè)試快速簡(jiǎn)單、容易在工藝線應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
　　(2)本文提出了基于瞬態(tài)電熱-熱電分析的在線提取多晶硅薄膜熱學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法。根據(jù)

5、傳熱模型的瞬態(tài)分析，發(fā)明了一種多晶硅薄膜熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)構(gòu)。該測(cè)試結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用芯片面積小、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，這一測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法還可用于多晶硅薄膜體積熱容的在線提取。
　　(3)本文基于熱執(zhí)行法，提出了一種新型熱膨脹系數(shù)和殘余應(yīng)力的在線測(cè)試方法。采用兩種熱執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，利用材料的受熱膨脹量與熱執(zhí)行器位移之間的關(guān)系，提取出多晶硅薄膜的熱膨脹系數(shù)和殘余應(yīng)力。該方法無(wú)需特殊的測(cè)試儀器，只需簡(jiǎn)單的I-V測(cè)量，方便簡(jiǎn)單。
　

6、　(4)本文應(yīng)用靜電執(zhí)行法建立了在線提取力學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法。多晶硅薄膜的楊氏模量是重要的力學(xué)參數(shù)。結(jié)合梁的彎曲理論，本文提出了一種測(cè)試結(jié)構(gòu)用于在線提取多晶硅薄膜的楊氏模量。通過(guò)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，優(yōu)化設(shè)計(jì)了測(cè)試結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。這種測(cè)試結(jié)構(gòu)巧妙地避開(kāi)了吸合(Pull-in)這一臨界現(xiàn)象，保證了測(cè)試的可靠性和可重復(fù)性。
　　本文提出的幾種測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)構(gòu)，具有測(cè)試方法簡(jiǎn)單，測(cè)試儀器和測(cè)試環(huán)境要求低等特點(diǎn)，符合在線測(cè)試要求。經(jīng)過(guò)仿真