复合薄膜热导率测试系统研究

　　0　引　言

　　微纳米薄膜材料的热传导特性对于MEMS的热设计十分重要。由SiO2薄膜和多晶硅薄膜组成的悬臂梁结构被广泛地应用于MEMS器件、半导体器件中,所以,此悬臂梁结构的热导率研究对于MEMS工艺的发展具有重要意义。目前,薄膜材料的热导率研究采用的方法主要有静态测量法[1]、3ω方法[2]、瞬态反射法[3, 4]等。静态测量法是利用一维傅立叶传热方程求解热导率的稳态方法,这种方法具有精度较高、数据容易分析处理等特点,它适用于绝缘材料和不良导体材料薄膜热导率的测量。

　　传统薄膜热物性测量实验通常采用分立仪表搭建,实验中各个仪器的手工操作和实验数据记录过程较繁琐,整体可操作性差。为满足实验研究的需要,结合虚拟仪器测试平台的优点,建立了集仪器控制、数据采集与分析、显示与存储等功能为一体的薄膜热导率自动测试系统。并对实验结果进行了分析。

　　1　测量原理

　　利用半导体工艺制成如图1所示绝缘材料悬臂梁结构。悬臂梁结构由多晶硅薄膜和SiO2薄膜组成,长度为l,在ξ处的横截面积分别为A1=w1t1,A2=w2t2,w, t分别为两薄膜结构的宽度与厚度。其中多晶硅薄膜层作为加热和测温电阻,其宽度与厚度远小于长度。在悬臂梁上通电流加热升温,当系统传热达到稳定状态时,热传导满足一维传热模型,可将悬臂梁结构简化为在长度方向上的一维结构。

　　根据传热学理论[5],悬臂梁结构在有内热源条件下的一维导热微分方程式为

　　式中　kσ为悬臂梁复合薄膜的等效热导率。I为加热电流,R0为环境温度下的静态电阻,α为悬臂梁的温阻系数,T(ξ)为ξ处的温度,ξ的取值范围为[-l/2, l/2],Ts为衬底温度。由于结构采用铂金引线,悬臂梁与衬底热接触良好,所以,衬底温度即为环境温度。悬臂梁温度的边界条件为

　　多晶硅薄膜电阻的温阻系数α随着掺杂浓度的不同,有正温阻系数,也有负温阻系数[6]。根据上述特性,式(1)分别有以下2种解的形式

　　在悬臂梁上通以加热电流I,测得悬臂梁电阻值为Rb,再由温度与电阻之间的关系知

　　由式(5)计算得到B,代入式(3)得到悬臂梁的等效热导率

　　2　系统硬件设计

　　悬臂梁热导率测试系统硬件框图如图2所示,其硬件由以下几部分构成: PC机、仪器控制与数据采集模块、可控温真空系统。

　　PC机是整个系统控制中心。仪器控制与数据采集模块包括控温仪、数字源表和GPIB/USB接口。PC机通过GPIB/USB接口自动控制数字源表的电流输出、温度设置和数据采集过程,并利用LabVIEW编写的软件界面将采集到的数据进行处理。悬臂梁的加热电流由Keithley 2400数字源表提供,并采用四探针法测量悬臂梁电阻值。