CMOS-MEMS薄膜熱導(dǎo)率的測(cè)量

隨著集成電路（IC）特征尺寸的縮小，CMOS微電子器件發(fā)熱功率密度急劇增加，相應(yīng)熱能在不同薄膜層內(nèi)傳輸。為了助力IC芯片封裝熱管理及MEMS熱學(xué)芯片的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，CMOS-MEMS薄膜熱導(dǎo)率的測(cè)量尤為重要，然而現(xiàn)有技術(shù)很難在芯片實(shí)際工作中進(jìn)行原位熱導(dǎo)率測(cè)量。近期深圳大學(xué)許威助理教授聯(lián)合香港科技大學(xué)LEE教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種巧妙的MEMS結(jié)構(gòu)，提出了一種新的測(cè)量方案，可以有效復(fù)現(xiàn)芯片工作中薄膜熱導(dǎo)率的測(cè)量。

作者利用商用0.18μm 1P6M CMOS工藝及自主研發(fā)的Post-CMOS工藝，在同一芯片上設(shè)計(jì)并制造了4個(gè)MEMS測(cè)量裝置（μTCM）以用于3種代表性CMOS薄膜熱導(dǎo)率的測(cè)量。μTCM裝置包括1個(gè)中心微加熱器和10個(gè)微懸橋。通過在微懸橋中添加或替換待測(cè)CMOS薄膜材料，并采用另一個(gè)μTCM結(jié)構(gòu)作為參考，完成熱導(dǎo)率測(cè)量。為了進(jìn)一步提高微懸橋邊界導(dǎo)熱損失，還在每個(gè)μTCM裝置周邊設(shè)計(jì)了環(huán)繞型熱沉。

基于這一設(shè)計(jì)理念，作者提出了描述μTCM裝置能量守恒的線性熱阻模型，并采用CFD仿真進(jìn)行驗(yàn)證。在忽略熱輻射與自然對(duì)流條件下，采用熱阻模型所提取的薄膜熱導(dǎo)率將被低估，但誤差不高于2.2%。因此，所提出的μTCM裝置及線性熱阻模型可以準(zhǔn)確應(yīng)用于CMOS-MEMS薄膜熱導(dǎo)率的測(cè)量。

圖中顯示了不同溫度下測(cè)得的CMOS-MEMS薄膜氧化硅、多晶硅和鋁的熱導(dǎo)率結(jié)果。當(dāng)溫度為295 K時(shí)，測(cè)得的氧化硅熱導(dǎo)率λo為（1.32±0.03）W/mK，與GOODSON等人報(bào)道的1.28 W/mK接近。此外，氧化硅熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而增加，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系也與現(xiàn)有報(bào)道的塊體及薄膜氧化硅熱導(dǎo)率行為相似。室溫下測(cè)得的多晶硅熱導(dǎo)率為（21.22±0.7）W/mK，僅是塊體硅熱導(dǎo)率148 W/mK的1/7，但仍與現(xiàn)有報(bào)道的18～29 W/mK值接近。室溫下測(cè)得的鋁金屬薄膜熱導(dǎo)率為（70.2±2.46）W/mK，比Wiedemann-Franz定律所預(yù)測(cè)的135 W/mK值小了將近50%。

作者從兩方面解釋了鋁薄膜測(cè)量值降低的原因。一是用于熱導(dǎo)率提取的熱阻模型忽略了界面熱阻，進(jìn)而3種薄膜材料熱導(dǎo)率測(cè)量值均被低估。后續(xù)考慮界面熱阻的修正模型，所提取的氧化硅和多晶硅薄膜熱導(dǎo)率將分別增加1.3%與2.6%，這種低誤差是可以忽略的。然而界面熱阻的引入將使得鋁薄膜熱導(dǎo)率值增大10.5%。另一個(gè)原因可能與CMOS-MEMS結(jié)構(gòu)釋放后自身應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)。研究表明，當(dāng)鋁晶粒尺寸與聲子平均自由程相當(dāng)時(shí)，不大于0.25%的機(jī)械應(yīng)變就能降低50%以上的鋁薄膜熱導(dǎo)率。

不同溫度下測(cè)得的CMOS-MEMS薄膜材料熱導(dǎo)率

結(jié)果表明CMOS-MEMS薄膜隨溫度變化的熱導(dǎo)率通常遠(yuǎn)低于其對(duì)應(yīng)塊體值。為了優(yōu)化熱學(xué)微傳感器設(shè)計(jì)及后續(xù)芯片封裝與熱管理，必須在特定IC工藝中細(xì)致研究薄膜熱導(dǎo)率的差異。因此，作者認(rèn)為有必要將本測(cè)量結(jié)構(gòu)與方法應(yīng)用于不同CMOS或CMOS-MEMS工藝流程中。目前，該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步改進(jìn)和研究界面熱阻效應(yīng)減弱的新型μTCM裝置，并著手設(shè)計(jì)附加CMOS-MEMS微機(jī)械測(cè)試結(jié)構(gòu)，以分析結(jié)構(gòu)形變對(duì)熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率的影響。

（宋翔宇 許 威）

原文文獻(xiàn)：

XU W,WANG X Y,ZHAO X J,et al.Determination of thermal conductivities for thin-film materials in CMOS MEMS process[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2021,70:1-9.