Si-%2c3-N-%2c4-微尺度薄膜比热特性测量的研究.pdfVIP

Si。N4微尺度薄膜比热特性测量研究 宋青林，夏善红，陈绍凤，张建刚 中国科学皖电子学研究所．转感技术国家重点实验室．中国北京100080 联系电话：010811 e-maihqlson9719@yahoo．com．cn [摘要]比热是si批薄膜重要的热学参数之一，si州薄膜比热特性研究对热传原理传感器研究 和发展以及物质微尺度热学特性的研究有重要的意义。本文设计并制作出一种悬膜结构，从理 论上分析了此结构的传热机理，并通过实验测得si斟4薄膜的比热，最后分析了此测量系统存 在的误差及解决方法。 [关键词]比热悬膜温度系数 引言 si，N4以薄膜的形式被广泛的应用于半导体器件”I、MEMS器r件‘2瑚、光学器件‘41中。随着 器件向集成化、小型化方向发展，薄膜的热物性显得越来越重要，其热学特性决定着微电子器 件工作的稳定性和可靠性。热导率、热扩散率和比热是决定热学特性的三个重要参数。目前， 薄膜热物性研究主要集中在热导率、热扩散率的测量上。大量报导[Sl已证实薄膜材料的热导率、 热扩散率和体材料相比有很大的差别，这主要是由于薄膜与体材料中的声子传导机制不同造成 的。所以，物质的这些热物性在微尺度下不仅与物质种类有关而且与其具体存在形式的尺寸和 形状有关。迄今为止对薄膜比热的研究报导罕见，而比热的研究对红外探测器、流量传感器、 微热量计等多种基于热传原理传感器16]的研究和发展有重要的意义。 本文采用悬膜结构以及Pt薄膜电阻同时作加热器和量热器来解决在测量微薄膜比热时面 临的两个基本问题：(一)热量损失快，很难估算热量的损失情况；(二)量热器和加热器占据 部分热容、并对传熟的影响较大。通过对悬膜加热，测量其稳态和瞬态过程中某些参数来得到 薄膜比热的值。 1．测量原理 悬膜结构如图1所示，根据传热介质的不同，悬膜的总热导G可以分成三部分：悬梁热 导Gb、辐射热导G，、气体热导G。。 G=皖+G，+Gj (1) 当悬膜温度‰m高于环境温度％，时，悬膜和周围环境便存在热传递。悬膜损失热功率 E和悬膜的热导G满足： E=G(乙m一乙) (2) 作为一种优良的感温材料，Pt电阻阻值尺f刀在0～100(2的温度范围内可以表示为 国家“973”项目(G1999033102) 第八届全国敏感元件与传感器学术会议论文集 (3) R(丁)=R[1+a(T—To)] 其中，‰为温度而时Pt加热电阻的阻值，a为n的温 度系数。 利用电压．电流法得到尺f=U／l，从而得到悬 膜的温度r， 在悬膜被加热的瞬态过程中，由于整个系统处于非 绝热状态，其升温过程随时间的变化规律如下： f f 1 (4) rO)=△丁{1一exp(一二。)} L fJ 其中，t为升温的时间，4r为升高的温度，r为热时间 常数且满足： C。Gv2p妇P (5) 图1．Si，N。悬膜实物俯视照片 其中，C为悬膜的热容，P为密度，c。为比热，y为悬 膜的体积。 2．实验及结果分析 利用硅微机械加工技术，制作出如图1所示的si3N4微悬膜。在(100)双面抛光N型单 晶硅片上制作出面积为500umX500um的si3N4悬膜，其厚度包括0．4um、1um、2um 厚度loooA。 由于Pt薄膜和体材料的电子散射机制的不同m，以及薄膜和衬底之间存在应力，使得Pt 薄膜电阻的温度系数要比体材料的小。实验中，首先标定Pc薄膜电阻的温度系数，在不同温 度下反复进行测量，利用式(3)得到铂薄膜电阻的温度系数约为O．26％，而实验使用的Pt溅 射靶材的温度系数为O．39