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表面微加工多晶硅薄膜热学与力学特性的在线测试方法探索与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

随着微机电系统（MEMS）技术的迅猛发展，多晶硅薄膜作为一种关键材料，在MEMS器件、集成电路以及传感器等众多领域中得到了极为广泛的应用。多晶硅薄膜是由许多取向不同的小单晶体组成，具有与单晶硅相近的敏感特性、机械特性，在工艺上可与单晶硅工艺相容，又能进行精细加工，并且可以根据器件的需要随时充当绝缘体、导体和半导体。在MEMS器件中，多晶硅薄膜常被用于制造微传感器、微执行器以及微结构部件等，其性能的优劣直接关乎整个器件的功能和可靠性。比如在硅压力传感器和硅微加速度计中，多晶硅薄膜作为关键的结构材料，其性能对传感器的精度和稳定性起着决定性作用。

在实际应用中，多晶硅薄膜的热学特性和力学特性是影响器件性能的重要因素。从热学特性方面来看，多晶硅薄膜的热导率、热膨胀系数等参数，决定着微电子器件中的传热特性，对器件的热稳定性和可靠性有着显著影响。在集成电路中，若多晶硅薄膜的热导率过低，可能导致器件在工作过程中热量积聚，进而影响器件的性能和寿命；而热膨胀系数的不匹配，则可能在温度变化时产生热应力，引发器件的变形甚至损坏。在一些对温度精度要求极高的MEMS传感器中，多晶硅薄膜热学特性的微小变化，都可能导致传感器测量结果出现较大偏差。

从力学特性角度而言，多晶硅薄膜的杨氏模量、残余应力和断裂强度等参数，直接关系到器件的机械稳定性和可靠性。当多晶硅薄膜作为MEMS器件的结构部件时，若其杨氏模量不合适，可能使器件在受到外力作用时发生过度变形，影响器件的正常工作；残余应力的存在，则可能导致薄膜在后续加工或使用过程中出现裂纹、翘曲等问题，降低器件的成品率和可靠性；而断裂强度不足，更是可能使器件在承受一定外力时发生断裂，导致器件失效。在微机电系统中的微悬臂梁结构，若多晶硅薄膜的力学性能不佳，可能会在微小外力作用下发生弯曲或断裂，使得基于该结构的传感器或执行器无法正常工作。

传统的多晶硅薄膜材料参数测试方法，如X射线衍射法测量残余应力，虽能实现对薄膜微区残余应力的准确测量，但测量范围较小，且对试样的制备要求较高，基本无法实现在线测试；压痕法测试力学性能时，会对薄膜造成一定损伤，且测试过程较为复杂，难以满足大规模生产中的快速检测需求。这些传统测试方法需要复杂的实验设备和专业的技术人员，测试过程耗时耗力，已难以满足现代工业对多晶硅薄膜性能快速、准确检测的需求。因此，开发一种高效、准确的在线测试方法，对于实时监测多晶硅薄膜的性能，保障产品的一致性和高性能，具有至关重要的意义。它不仅能够为MEMS器件的设计和制造提供关键的数据支持，优化器件性能，还能有效提高生产效率，降低生产成本，推动MEMS技术在更多领域的广泛应用和发展。

1.2国内外研究现状

在多晶硅薄膜热学特性测试方法研究方面，国外起步相对较早。早在20世纪80年代，就有学者开始关注多晶硅薄膜的热导率测量问题。早期的研究主要采用稳态测试方法，如热流计法，通过测量在稳定热流作用下多晶硅薄膜的温度分布来计算热导率。这种方法原理简单，但测试过程较为复杂，需要高精度的温度测量设备，且测量时间较长，难以满足快速测试的需求。

随着技术的发展，瞬态测试方法逐渐成为研究热点。时域热反射（TDTR）技术便是其中一种应用较为广泛的瞬态测试方法。该技术利用飞秒激光脉冲加热样品表面，通过探测反射光的变化来获取样品的热学信息，从而计算出热导率、热扩散系数等参数。TDTR技术具有测量速度快、精度高的优点，能够对多晶硅薄膜的热学特性进行快速准确的表征。例如，美国某研究团队利用TDTR技术对不同厚度的多晶硅薄膜进行热导率测量，发现热导率随着薄膜厚度的减小而降低，揭示了薄膜尺寸对热学性能的影响规律。然而，TDTR技术设备昂贵，对实验环境要求苛刻，且测试过程中激光与样品的相互作用较为复杂，可能会对测试结果产生一定的干扰。

此外，微机电系统（MEMS）技术的发展也为多晶硅薄膜热学特性测试提供了新的思路。基于MEMS的热测试结构，如微桥结构、T型测试结构等，通过在微结构上施加电加热或热激励，测量结构的温度响应来计算热学参数。这类方法具有可集成、可在线测试的优势，能够与MEMS器件的制造工艺兼容，在实际应用中具有很大的潜力。例如，德国的研究人员设计了一种基于微桥结构的多晶硅薄膜热导率测试芯片，实现了对多晶硅薄膜热导率的在线实时监测。但基于MEMS的测试结构制作工艺复杂，对微加工技术要求较高，且测试结构的尺寸效应和边界条件等因素会对测试结果的准确性产生影响。

在国内，多晶硅薄膜热学特性测试方法的研究虽然起步较晚，但近年来发展迅速。国内许多科研机构和高校纷纷开展相关研究，取得了一系列重要成果。一