薄膜材料热性能研究与测试

论文摘要

薄膜作为物质存在的最常见的形式之一,广泛地应用于MEMS和微电子器件中,并且占有着重要的地位,目前的微尺度热学研究主要集中在薄膜上。薄膜的热物性参数决定着器件的热性能,是建立器件热平衡方程和进行热分析的重要基础,所以分析薄膜中的传热问题自然成为进一步提高器件性能的关键步骤。因此,准确地对微/纳米薄膜热学参数进行定量分析对器件的研究和发展具有重要的意义。本论文基于微尺度传热理论,提出了测试多层薄膜热导率和热容的方法,并将测试结构加工成型,最后测量出了多层薄膜的热导率和热容值。首先,本论文对常见薄膜热物性测试方法进行理论分析,在已有方法基础上进行优化和设计,提出了用比较法测试多层薄膜热导率和用悬膜法测试多层薄膜热容,并经过仿真分析验证出该方法的可行性。其次,介绍了多层薄膜热导率和热容的测试结构制作过程,整个测试结构是由微机械加工技术制造而成,包括体微加工与表面微加工技术。用到的镀膜技术有PECVD、磁控溅射、真空蒸发等,用光刻、湿法腐蚀、等离子体干法刻蚀等工艺制作出带有牺牲层的微桥结构。然后用比较法测试出多层薄膜的热导,进而求出热导率,然后用悬膜法测试出悬膜的热时间常数,并计算出悬膜的热导,经过计算得到多层薄膜的热容。最后对实验结果进行了误差分析,并总结了本文的不足之处,同时也对以后的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微尺度热学研究简介
• 1.2 薄膜传热研究的现状
• 1.2.1 国外微传热分析发展状况
• 1.2.2 国内微传热分析发展状况
• 1.3 本论文的主要工作与意义
• 1.3.1 本论文的主要工作
• 1.3.2 本论文的意义
• 第二章 薄膜热性能测试方法的研究
• 2.1 引言
• 2.2 常见薄膜热性能测试方法
• 2.2.1 薄膜热导率测量方法
• 2.2.1.1 常见的纵向热导率测试方法
• 2.2.1.2 常见的薄膜横向热导率测试方法—静态法
• 2.2.2 薄膜热容测量方法
• 2.2.2.1 交流法
• 2.2.2.2 弛豫时间法
• 2.3 比较法测量多层薄膜横向热导率
• 2.3.1 测试原理
• 2.3.2 仿真分析
• 2.4 悬膜法测量多层薄膜热容
• 2.4.1 测试原理
• 2.4.2 仿真分析
• 第三章 多层薄膜热导率/热容测试结构的制作
• 3.1 微电子工艺
• 3.1.1 光刻技术
• 3.1.2 薄膜淀积技术
• 3.1.2.1 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
• 3.1.2.2 磁控溅射法
• 3.1.2.3 真空蒸镀法
• 3.1.3 薄膜腐蚀
• 3.2 测试结构制备流程
• 3.2.1 设计掩模板
• 3.2.2 制备过程
• X 标记并腐蚀'>3.2.2.1 光刻SiN_X标记并腐蚀
• 3.2.2.2 光刻PI 及固化
• 3.2.2.3 制作桥面
• 3.2.2.4 制作Al 电极
• 3.2.2.5 光刻桥面并腐蚀
• 3.2.2.6 制作Pt 电极
• 3.2.3 封装
• 第四章 多层薄膜热导率和热容的测试
• 4.1 热导率测试
• 4.1.1 测试原理
• 4.1.2 测试过程
• 4.1.2.1 测试Pt 的TCR
• 4.1.2.2 参考结构热导的测量
• 4.1.2.3 测试结构热导的测量
• 4.1.2.4 多层薄膜热导率的导出
• 4.1.3 数据分析
• 4.1.3.1 Pt 的阻值分析
• 4.1.3.2 多层薄膜热导率值的分析
• 4.2 热容测试
• 4.2.1 测试原理
• 4.2.2 测试过程
• 4.2.2.1 热时间常数τ的测量
• 4.2.2.2 悬膜热容C 的测量
• 4.2.3 数据分析
• 4.2.3.1 Pt 的阻值分析
• 4.2.3.2 多层薄膜热容值的分析
• 4.3 误差分析
• 4.3.1 多层薄膜热导率的误差分析
• 4.3.1.1 系统误差
• 4.3.1.2 随机误差
• 4.3.2 多层薄膜热容的误差分析
• 4.3.2.1 计算热导引入的误差
• 4.3.2.2 Pt 薄膜的附加热容
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文的工作总结
• 5.2 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果