專利名稱：一種測試薄膜熱導率的方法
技術領域：
本發明涉及材料的熱學性能測試技術領域，尤其涉及一種用于對薄膜的熱導率進行測試的雙端支撐懸臂梁結構及其測試方法。
背景技術：
對于集成度成倍增加的現代集成電路及微型傳感器件而言,器件內部的散熱性能日益成為制約電路及器件性能的主要因素之一，散熱不良而引起的熱量累積最終往往導致器件的失效。因此，獲得器件結構單元以及構成結構單元的各功能薄膜的熱學性能參數，特別是熱導參數，就顯得十分必要，因為它為最佳的器件結構設計和布局提供了依據。而對于與熱學相關的MEMS器件而言，最為典型的如非制冷紅外焦平面陣列探測器，支撐結構的熱導直接決定著器件的成敗:熱導過大將導致溫升信號過小而降低器件信噪比，熱導過小又可能降低器件的響應頻率。因此必須對各功能薄膜的熱導率(K )進行精確的測量，從而對支撐結構設計和器件性能預測提供參考。為精確測量薄膜的熱導率參數K，需要設計并制備適當的微機械結構，因為測試結構直接影響到最終測試結果的準確性。已經有很多關于薄膜熱導測試的文獻，其中3ω交流法得到多數作者的認可和采用。如Cahill采用3 ω測試了厚度約100 μ m量級的二維非晶態氧化娃薄膜以及其他標準已標定熱導率薄膜(Pyrex 7740和Pyroceram 9606)熱導率，其測試結果與標準樣品數據符合得很好。Yamane等人采用3ω法測試了不同厚度及不同工藝所制備氧化硅薄膜的熱導率，測試結果表明，薄膜熱導率與工藝和薄膜厚度均有關系:厚度越大，薄膜熱導率越大。當薄膜厚度達到IOOOnm時熱導率基本不再隨厚度變化，且只有采用熱氧化生長的氧化硅薄膜與氧化硅玻璃體材熱導率一致，而其他工藝，如CVD法、濺射法以及蒸發法所制備薄膜熱導率均明顯較低。不過在包括以上測試方法在內的大多數薄膜熱導測試中，測試結構采用的是二維甚至三維熱傳導測試結構，這一方面使得使用推導所得到的測試結構溫升表達式較為復雜，不利于提取待測參數，另一方面使得結構加工變得困難。

發明內容
針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種一維熱傳導結構的用于測試薄膜熱導率的方法。為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:一種測試薄膜熱導率的方法，包括如下步驟:
①用表面微加工技術制備出雙端支撐懸臂梁結構，所述雙端支撐懸臂梁結構由待測薄膜、待測薄膜上的金屬電阻條和位于待測薄膜下兩端的支撐塊構成；
②給金屬電阻條施加適當的直流電流/，從而通過電流的加熱效應在雙端支撐懸臂梁上產生溫升；
③待達到熱平衡后雙端支撐懸臂梁上將產生穩定的溫升分布，通過測試金屬電阻條內側兩極的電壓變化值J V或J Utcr的值和其相應的公式:
權利要求
1.種測試薄膜熱導率的方法，其特征在于，包括如下步驟: ①用表面微加工技術制備出雙端支撐懸臂梁結構，所述雙端支撐懸臂梁結構由待測薄膜、待測薄膜上的金屬電阻條和位于待測薄膜下兩端的支撐塊構成； ②給金屬電阻條施加適當的直流電流/，從而通過電流的加熱效應在雙端支撐懸臂梁上產生溫升； ③待達到熱平衡后雙端支撐懸臂梁上將產生穩定的溫升分布，通過測試金屬電阻條內側兩極的電壓變化值J V或J "TCE的值和其相應的公式:
2.據權利要求1所述的測試薄膜熱導率的方法，其特征在于，所述JV或J Rcr的公式由以下步驟得出， ①設沿雙端支撐懸臂梁的長度7方向為X軸，達到熱平衡前，沿懸臂梁將有與時間 和位置Z相關的溫度分布」Tix, )，根據熱平衡方程得到溫升」Tix, t)的微分方程:CclP1Si + c.pS, )Mf(x.r) = (tS..^k1S1 )1T^:(x.r) +.11.ρ.: S1 (^) 其中，^和^分別是待測薄膜和金屬電阻條的熱容率，和分別是待測薄膜和金屬電阻條的密度，」Tt (x, t)表示Zl Tix, t)對時間t的一階偏導，」Txx {x, t)表示Zl T(x,t)對z的二階偏導； ②當懸臂梁達到熱平衡后，懸臂梁溫升將不再隨時間變化，即」7；Cr， )=0,同時不考慮金屬電阻條的電阻溫度效應，即P Ω為常數，根據(I)式有:
3.據權利要求1所述的測試薄膜熱導率的方法，其特征在于:所述支撐塊為硅片或犧牲層材料。
4.據權利要求1或2或3所述的測試薄膜熱導率的方法，其特征在于:所述雙端支撐懸臂梁的長度大于寬度十倍以上。
5.據權利要求4所述的測試薄膜熱導率的方法，其特征在于:所述金屬電阻條由兩側的電極和連接在兩側電極之間的連接條構成，其中電極的長度小于連接條的長度，寬度大于連接條的寬度。
6.據權利要求4所述的測試薄膜熱導率的方法，其特征在于:所述懸臂梁長度為200 μ m,寬度為8 20 μ m。
7.據權利要求5所述的測試薄膜熱導率的方法，其特征在于:所述連接條兩側電極的長度為30 μ m,寬度為20 μ m,連接條的寬度為f 2 μ m。
8.據權利要求1或2或3所述的測試薄膜熱導率的方法， 其特征在于:所述的金屬電阻條為鉬或鎳鉻電極。
全文摘要
本發明公開了一種測試薄膜熱導率的方法，包括如下步驟①用表面微加工技術制備出雙端支撐懸臂梁結構，所述雙端支撐懸臂梁結構由待測薄膜、待測薄膜上的金屬電阻條和位于待測薄膜下兩端的支撐塊構成；②給金屬電阻條施加適當的直流電流I，從而通過電流的加熱效應在雙端支撐懸臂梁上產生溫升；③待達熱平衡后雙端支撐懸臂梁上將產生穩定的溫升分布，通過測試金屬電阻條內側兩極的電壓變化值ΔU或ΔUTCR的值求出熱導率。本發明與常用的3ω法薄膜熱學性能測試方法相比，一維懸臂梁直流電流法測試結構加工工藝及測試手段相對較為簡單且可以獲得更為精確的結果。
文檔編號G01N25/18GK103091354SQ20111033961
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者黎威志, 王軍, 徐潔, 蔣亞東 申請人:電子科技大學