[发明专利]一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构

说明书

本发明涉及材料的热学性能测试技术领域，特别涉及一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构，包括设置于衬底上的串联多个相同悬臂梁，所述悬臂梁由平面图形相同的待测薄膜和测温加热电阻薄膜由下至上完全重叠设置而成。本发明有用信号大从而获得较理想的信噪比，可有效降低对后续信号处理电路的要求；结构可靠，避免了由于悬臂梁过长导致其与衬底接触而失效的风险，可以极大减小工艺难度、提高制作成功率；制备工艺简单，一次成型；结果精确，热学参数表达式简单，测试手段相对简单。

技术领域

本发明涉及材料的热学性能测试技术领域，特别涉及一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构及其制备方法。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)的飞速发展，器件的尺寸变得越来越小，在微/纳米尺度下，薄膜的热学性能显得越发重要，其热性能的好坏直接决定着MEMS器件的稳定性。但是在尺寸效应的影响下，薄膜的热物性和其体材料的表现出很大的差异性，经典的测试理论已无法适应于薄膜热学性能的测试。而过往材料热学性能的测试结构往往较为复杂且难以制作、成功率低。因此有必要提出一种简单、快捷、精确的测试结构。这种结构将有利于悬臂梁器件热学性能的精确测量。

不过以往大多数薄膜热学参数测试中，其测试结构采用的是二维甚至三维热传导测试结构，这一方面使得使用推导所得到的测试结构温升表达式较为复杂，不利于提取待测参数，另一方面使得结构加工变得困难；为此，我们在之前的工作中提出了一种一维悬臂梁热学参数测试结构。但是该结构仍然较为复杂，需进行多次光刻；此外，要获得足够高的信号，需要加工大长宽比的悬臂梁，经ANSYS仿真得当长宽比大于9时，悬臂梁内部的应力就会变得难以预测，极有可能在释放牺牲层时弯曲导致悬臂梁接触衬底。这些问题无疑会极大增加实验失败的概率。

发明内容

本发明的目的在于：对于传统薄膜热学参数测试中，一维悬臂梁热学参数测试结构信号差后续处理困难，满足信号要求的悬臂梁长宽比又会使其在制备过程中由于应力接触衬底，同时，传统结构制备工艺复杂，热导率计算公式较为繁琐，提出一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构。

本发明采用的技术方案如下：

一种简易新颖的薄膜热学性能测试结构，包括设置于衬底上的串联多个相同悬臂梁，所述悬臂梁由平面图形相同的待测薄膜和测温加热电阻薄膜由下至上完全重叠设置而成，所述平面图形即单个悬臂梁的长宽比小于10。单个悬臂梁初始只有三层，包括加热及测温电阻层、待测薄膜层、牺牲层，所述牺牲层释放后悬臂梁浮空。待测薄膜为氮化硅，厚度为100nm；测温加热电阻薄膜为铬，厚度为50nm；所述牺牲层为聚酰亚胺，厚度为2μm。

单个悬臂梁初始只有三层，包括加热及测温电阻层、待测薄膜层、牺牲层，所述牺牲层释放后悬臂梁浮空。使用此结构测试时，对测温加热电阻薄膜通入直流电流，由一维热传导方程容易推导出单个待测悬臂梁产生的信号即电阻变化量的为:

当串联n个相同的悬臂梁时，其大小为：

即待测薄膜热导率为：

其中n为悬臂梁串联的数目，ρ_Ω为测温加热电阻薄膜的电阻率，w为单个悬臂梁测温加热电阻薄膜的宽度，α为电阻温度系数，I为测试电流，l为单个测温加热电阻条长度，△R为测温加热电阻薄膜的电阻变化量，d₁为待测薄膜厚度，d₂为测温加热电阻薄膜厚度，k₂为测温加热电阻薄膜热导率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.有用信号大，采用n个悬臂梁串联的结构，可将有用信号放大n倍，从而获得较理想的信噪比，可有效降低对后续信号处理电路的要求。