CN115420952B - 高温压阻特性测量平台和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温压阻特性测量平台及方法，该平台包括耐高温压阻测量样品、施力装置单元、局部加热单元、电学测量单元、电路转接板单元和计算机控制单元，所述施力装置单元用于对所述耐高温压阻测量样品施加应力，所述局部加热单元用于对所述耐高温压阻测量样品的压力敏感区域进行局部加热，所述电学测量单元用于分别测量受热和受力前后所述耐高温压阻测量样品电阻值的变化，所述电路转接板单元用于将所述耐高温压阻测量样品的电学信号引出并与所述电学测量单元连接，所述计算机控制单元用于控制所述施力装置单元的施加应力、控制所述局部加热单元的加热温度及实时精确测量并记录所述电学测量单元的测量结果。

Description

高温压阻特性测量平台和方法

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种高温压阻特性测量平台和方法。

背景技术

压阻效应是固体材料的电阻率随着作用力变化的现象。利用材料的压阻效应已经制成各种电子器件，如半导体应变计、压敏二极管、加速度传感器、压力传感器等，并且得到了广泛的应用。对于半导体材料而言，压阻系数不仅与材料有关，而且与掺杂浓度、轴向、温度等都密切相关。测量压阻系数的方法通常有拉伸法、悬臂梁法、四点弯曲法等。使用这些方法可以测量样品在受力前后的电阻率变化从而得到相应的压阻系数。由于压阻系数具有明显的温度相关性，因此掌握压阻系数的温度特性对于研究压阻式器件的灵敏度热漂移规律并进行温度漂移补偿具有重要的意义。

施力装置连同样品置于高低温箱中使用拉伸法等方法中可以测量不同温度条件下样品在受力前后的电阻率变化从而得到相应的压阻系数。人们用这种方法已经获得了-100℃~300℃单晶硅压阻系数随温度的变化规律。但是用这种方法却难以测量更高温度条件下材料的压阻特性，这是由于在更高温度环境中，样品的夹持装置、施力装置、电学测量装置都难以正常工作，样品本身由于漏电流加剧或者欧姆接触电极结构失效而无法正常工作。

发明内容

为了测量更高温度环境中的材料压阻特性，为研究高温电子器件的温度漂移规律提供实验数据，本申请实施例的目的是针对现有技术的不足提供一种高温压阻特性测量平台和方法。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种高温压阻特性测量平台，包括耐高温压阻测量样品、施力装置单元、局部加热单元、电学测量单元、电路转接板单元和计算机控制单元，所述施力装置单元用于对所述耐高温压阻测量样品施加应力，所述局部加热单元用于对所述耐高温压阻测量样品的压力敏感区域进行局部加热，所述电学测量单元用于分别测量受热和受力前后所述耐高温压阻测量样品电阻值的变化，所述电路转接板单元用于将所述耐高温压阻测量样品的电学信号引出并与所述电学测量单元连接，所述计算机控制单元用于控制所述施力装置单元的施加应力、控制所述局部加热单元的加热温度及实时精确测量并记录所述电学测量单元的测量结果。

进一步地，所述耐高温压阻测量样品包括绝缘衬底、力敏电阻、引线及测温元件，所述绝缘衬底是带有二氧化硅或氮化硅绝缘层的硅衬底或绝缘材料或宽禁带材料，所述力敏电阻是在所述绝缘衬底表面用离子注入或键合制作被测材料的耐高温电阻，所述引线用于将所述力敏电阻的电学信号引出到低温区域，所述测温元件布置在所述力敏电阻旁，用于实时测量所述力敏电阻的温度。

进一步地，所述耐高温压阻测量样品由绝缘体上硅材料制备而成，制备过程包括：

在绝缘体上硅的器件层上光刻并刻蚀出电阻图形；

对所述电阻图形进行离子注入掺杂形成力敏电阻；

淀积二氧化硅钝化层；

光刻刻蚀所述钝化层，露出掺杂单晶硅的欧姆接触区域并沉积耐高温欧姆接触电极和互连线；

在力敏电阻旁的局部加热区域沉积铂热电阻并生长耐高温引线，所述铂热电阻作为测温元件；

减薄背面，得到耐高温压阻测量样品。

进一步地，所述施力装置单元包括夹持模块、施力模块、信号传输模块，所述夹持模块用于夹持所述耐高温压阻测量样品；所述施力模块用于对所述耐高温压阻测量样品施加应力载荷；所述信号传输模块用于与所述计算机控制单元连接，通过计算机控制单元精确控制施力大小和由所述应力载荷产生的位移形变。

进一步地，所述局部加热单元包括对准模块、局部热源模块、反馈控制模块，所述对准模块用于将局部热源与所述耐高温压阻测量样品的力敏电阻对准；所述局部热源模块用于对所述耐高温压阻测量样品的力敏电阻进行局部加热；所述反馈控制模块用于根据所述测温元件测量的实时测量的温度反馈调节所述局部热源单元的加热功率，使得所述耐高温压阻测量样品的力敏电阻受热温度恒定。

进一步地，所述局部热源模块采用激光热源、红外热源或电阻丝热源。

进一步地，所述电学测量单元包括恒定电流源、万用表，用于测量受热和受力前后所述耐高温压阻测量样品电阻值的变化。

进一步地，所述电路转接板单元位于所述局部热源模块之外，用引线键合与所述电学测量单元连接，将所述耐高温压阻测量样品的电学信号引出。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种高温压阻特性测量方法包括以下步骤：

搭建如第一方面所述的高温压阻特性测量平台；

通过计算机控制单元启动局部加热单元，所述局部加热单元对所述耐高温压阻测量样品的压力敏感区域进行局部加热至预定温度；

通过电路转接板单元和电学测量单元记录未受力时的材料初始电阻值；

通过所述计算机控制单元启动施力装置单元，对所述耐高温压阻测量样品的力敏电阻施加应力，并通过所述电路转接板单元和电学测量单元记录材料的受力后电阻值；

根据所述初始电阻值和受力后电阻值，计算所述预定温度条件下的压阻系数。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请使用局部加热的方法，将施力装置单元、电路转接板单元和电学测量单元、计算机控制单元置于低温环境，而只有被测的耐高温压阻测量样品的力敏电阻部分位于高温环境，避免了施力装置单元和电学测量单元受高温影响而失效，因此可以适用于300℃以上的高温压阻特性测量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的基于激光局部加热方法的高温压阻特性测量平台的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的耐高温压阻测量样品的力敏电阻区域的局部放大示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的耐高温压阻测量样品的制备工艺流程图。

图4是根据一示例性实施例示出的基于环形热电阻丝局部加热方法对力敏电阻进行加热的示意图。

图中：1、耐高温压阻测量样品；2、施力装置单元；3、夹持模块；4、局部加热单元；5、对准模块；6、力敏电阻；7、电路转接板单元；8、电学测量单元；9、计算机控制单元；10、测温元件；11、反馈控制模块；12、器件层；13、绝缘层；14、衬底层；15、电阻图形；16、钝化层；17、互连线；18、铂热电阻；19、环形热电阻丝。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

需要说明的是，本申请中涉及的“高温”均指300℃。

如图1所示，本申请实施例提供一种高温压阻特性测量平台，包括耐高温压阻测量样品1、施力装置单元2、局部加热单元4、电学测量单元8、电路转接板单元7和计算机控制单元9，所述施力装置单元2用于对所述耐高温压阻测量样品1施加应力，所述局部加热单元4用于对所述耐高温压阻测量样品1的压力敏感区域进行局部加热，所述电学测量单元8用于分别测量受热和受力前后所述耐高温压阻测量样品1电阻值的变化，所述电路转接板单元7用于将所述耐高温压阻测量样品1的电学信号引出并与所述电学测量单元8连接，所述计算机控制单元9用于控制所述施力装置单元2的施加应力和位移、控制所述局部加热单元4的加热温度及实时精确测量并记录所述电学测量单元8的测量结果。

由上述实施例可知，本申请使用局部加热的方法，将施力装置单元2、电路转接板单元7和电学测量单元8、计算机控制单元9置于低温环境，而只有被测的耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6部分位于高温环境，避免了施力装置单元和电学测量单元受高温影响而失效，因此可以适用于300℃以上的高温压阻特性测量。

具体地，所述耐高温压阻测量样品1包括绝缘衬底、力敏电阻6、引线及测温元件10，所述绝缘衬底是带有二氧化硅或氮化硅绝缘层13的硅衬底或绝缘材料或宽禁带材料，所述力敏电阻6是在所述绝缘衬底表面用离子注入或键合制作被测材料的耐高温电阻，所述引线是用低电阻率且受应力和温度影响较小的导线结构，用于将所述力敏电阻6的电学信号引出到低温区域，如图2所示，所述测温元件10布置在所述力敏电阻6旁，用于实时测量所述力敏电阻6的温度。需要说明的是，该引线的导线结构设计为压阻系数测量时的常规技术手段，可根据实际情况进行设置，此处不作赘述。

在具体实施中，所述绝缘衬底可以是带有二氧化硅或氮化硅绝缘层13的硅衬底，也可以是玻璃、陶瓷等绝缘材料，碳化硅、氮化镓等宽禁带材料，使用二氧化硅、氮化硅、玻璃、陶瓷等绝缘材料或碳化硅、氮化镓等宽禁带材料作为衬底制造耐高温压阻测量样品1，消除了传统硅基PN结受到高温作用时漏电流加剧失效的影响，使得半导体电阻的高温测量值更加准确。将测温元件10布置在所述力敏电阻6附近的局部加热区域，可以精确且实时测量所述到力敏电阻6的温度。

具体地，在测量前需要制备耐高温压阻测量样品1，所述耐高温压阻测量样品1由绝缘体上硅（SOI）晶圆制备而成，其上表面器件层12为单晶硅，中间层是二氧化硅绝缘层13，衬底层14也是单晶硅。如图3所示，制备过程包括：

在绝缘体上硅的器件层12上光刻并刻蚀出电阻图形15；对所述电阻图形15进行离子注入掺杂形成力敏电阻6；淀积二氧化硅钝化层16；光刻刻蚀所述钝化层16，露出掺杂单晶硅的欧姆接触区域并沉积耐高温欧姆接触电极和互连线17；在力敏电阻6的局部加热区域的附近沉积铂热电阻18并生长耐高温引线；减薄背面，得到耐高温压阻测量样品1。

需要说明的是，在本申请中，由于局部加热单元4会对所述耐高温压阻测量样品1的压力敏感区域进行局部加热，因此会在所述耐高温压阻测量样品1上形成局部加热区域，同时所述耐高温压阻测量样品1上未进行局部加热的则被定义为低温区域。

具体地，所述施力装置单元2包括夹持模块3、施力模块、信号传输模块，所述夹持模块3用于夹持所述耐高温压阻测量样品1；所述施力模块用于对所述耐高温压阻测量样品1施加应力载荷；所述信号传输模块用于与所述计算机控制单元9连接，通过计算机控制单元9精确控制施力大小和由所述应力载荷产生的位移形变。

具体地，所述夹持模块3与所述施力模块相连接，在一实施例中，可通过推拉力测试仪中的元件作为夹持模块3和施力模块。

具体地，所述局部加热单元4包括对准模块5、局部热源模块、反馈控制模块11，所述对准模块5用于将局部热源与所述耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6对准；所述局部热源模块用于对所述耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6进行局部加热；所述反馈控制模块11用于根据所述测温元件10测量的实时测量的温度反馈调节所述局部热源单元的加热功率，使得所述耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6受热温度恒定。

具体地，所述对准模块5可以是CMOS光学镜头、二极管激光指示器。通过所述反馈控制单元实时反馈调节所述局部加热部分的加热功率，维持温度恒定，测量精度较高，所述反馈控制单元可以为PID电路等。

具体地，所述局部热源模块采用激光热源、红外热源或电阻丝热源，如图3为激光对所述力敏电阻6进行局部加热的示意图，图4举例的是使用环形热电阻丝19对所述进行局部加热的局部示意图。

具体地，所述电学测量单元8包括恒定电流源、万用表，用于测量受热和受力前后所述耐高温压阻测量样品1电阻值的变化。

具体地，压阻系数π可以由下面公式求出：

其中，ρ是电阻率，π是压阻系数，σ是应力

具体地，所述电路转接板单元7位于所述局部热源之外，用引线键合与所述电学测量单元8连接，将所述耐高温压阻测量样品1的电学信号引出。

在具体实施中，所述电路转接板单元7位于所述局部热源之外且具有两排焊盘，靠近所述耐高温压阻测量样品1一侧的焊盘典型边长尺寸为百微米级，用金丝引线键合的方法将所述耐高温压阻测量样品1的外侧焊盘与所述电路转接板单元7的靠近侧焊盘连接起来；远离所述耐高温压阻测量样品1一侧的焊盘典型边长尺寸为毫米级，用电烙铁和金属导线将所述电学测量单元8的导线与连接所述电路转接板单元7的远离侧焊盘连接起来，实现所述耐高温压阻测量样品1的电学信号引出。

本申请实施例还提供一种高温压阻特性测量方法，应用于上述的高温压阻特性测量平台，包括以下步骤：

搭建上述的高温压阻特性测量平台；

通过计算机控制单元9启动局部加热单元4，所述局部加热单元4对所述耐高温压阻测量样品1的压力敏感区域进行局部加热至预定温度；

通过电路转接板单元7和电学测量单元8记录未受力时的材料初始电阻值；

通过所述计算机控制单元9启动施力装置单元2，对所述耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6施加应力，并通过所述电路转接板单元7和电学测量单元8记录材料的受力后电阻值；

根据所述初始电阻值和受力后电阻值，计算所述预定温度条件下的压阻系数。

在该方法的具体实施中，首先搭建上述的高温压阻特性测量平台，即用施力装置的夹持单元夹住所述耐高温压阻测量样品1；用局部加热单元4的对准单元将局部加热区域与耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6的背面对齐；在所述局部加热区域外的低温区域中置有所述电路转接板，电路转接板通过引线键合的方式一端与所述耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6相连，另一端与所述电学测量单元8相连；所述施力装置单元2、电学测量单元8、局部加热单元4均与所述计算机控制单元9连接，用于控制施力、加热并实时记录测量数据；

平台搭建完毕后，通过所述计算机控制单元9启动所述局部加热单元4对所述耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6的背面进行局部加热；用布置在所述力敏电阻6附近的测温元件10测量并通过反馈控制模块11调控所述局部加热热源的加热功率维持力敏电阻6附近温度恒定，并通过所述电路转接板和电学测量单元8记录未受力时的材料初始电阻值；启动施力装置，对所述耐高温压阻测量样品1的力敏电阻6施加应力（例如在一实施例中施加600个微应变），并通过所述电路转接板和电学测量单元8记录受力后的材料电阻值；根据所述力敏电阻6受力前后的电阻值就可以测量得到该温度条件下的压阻系数。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种高温压阻特性测量平台，其特征在于，包括耐高温压阻测量样品（1）、施力装置单元（2）、局部加热单元（4）、电学测量单元（8）、电路转接板单元（7）和计算机控制单元（9），所述施力装置单元（2）用于对所述耐高温压阻测量样品（1）施加应力，所述局部加热单元（4）用于对所述耐高温压阻测量样品（1）的压力敏感区域进行局部加热，所述电学测量单元（8）用于分别测量受热和受力前后所述耐高温压阻测量样品（1）电阻值的变化，所述电路转接板单元（7）用于将所述耐高温压阻测量样品（1）的电学信号引出并与所述电学测量单元（8）连接，所述计算机控制单元（9）用于控制所述施力装置单元（2）的施加应力、控制所述局部加热单元（4）的加热温度及实时精确测量并记录所述电学测量单元（8）的测量结果；

其中，所述耐高温压阻测量样品（1）包括绝缘衬底、力敏电阻（6）、引线及测温元件（10），所述绝缘衬底是带有二氧化硅或氮化硅绝缘层（13）的硅衬底或绝缘材料或宽禁带材料，所述力敏电阻（6）是在所述绝缘衬底表面用离子注入或键合制作被测材料的耐高温电阻，所述引线用于将所述力敏电阻（6）的电学信号引出到低温区域，所述测温元件（10）布置在所述力敏电阻（6）旁，用于实时测量所述力敏电阻（6）的温度；

其中，所述耐高温压阻测量样品（1）由绝缘体上硅材料制备而成，制备过程包括：

在绝缘体上硅的器件层（12）上光刻并刻蚀出电阻图形（15）；

对所述电阻图形（15）进行离子注入掺杂形成力敏电阻（6）；

淀积二氧化硅钝化层（16）；

光刻刻蚀所述钝化层（16），露出掺杂单晶硅的欧姆接触区域并沉积耐高温欧姆接触电极和互连线（17）；

在力敏电阻（6）旁的局部加热区域沉积铂热电阻（18）并生长耐高温引线，所述铂热电阻（18）作为测温元件（10）；

减薄背面，得到耐高温压阻测量样品（1）。

2.根据权利要求1所述的高温压阻特性测量平台，其特征在于，所述施力装置单元（2）包括夹持模块（3）、施力模块、信号传输模块，所述夹持模块（3）用于夹持所述耐高温压阻测量样品（1）；所述施力模块用于对所述耐高温压阻测量样品（1）施加应力载荷；所述信号传输模块用于与所述计算机控制单元（9）连接，通过计算机控制单元（9）精确控制施力大小和由所述应力载荷产生的位移形变。

3.根据权利要求1所述的高温压阻特性测量平台，其特征在于，所述局部加热单元（4）包括对准模块（5）、局部热源模块、反馈控制模块（11），所述对准模块（5）用于将局部热源与所述耐高温压阻测量样品（1）的力敏电阻（6）对准；所述局部热源模块用于对所述耐高温压阻测量样品（1）的力敏电阻（6）进行局部加热；所述反馈控制模块（11）用于根据所述测温元件（10）测量的实时测量的温度反馈调节所述局部热源模块的加热功率，使得所述耐高温压阻测量样品（1）的力敏电阻（6）受热温度恒定。

4.根据权利要求3所述的高温压阻特性测量平台，其特征在于，所述局部热源模块采用激光热源、红外热源或电阻丝热源。

5.根据权利要求1所述的高温压阻特性测量平台，其特征在于，所述电学测量单元（8）包括恒定电流源、万用表，用于测量受热和受力前后所述耐高温压阻测量样品（1）电阻值的变化。

6.根据权利要求1所述的高温压阻特性测量平台，其特征在于，所述电路转接板单元（7）位于所述局部加热单元（4）之外，用引线键合与所述电学测量单元（8）连接，将所述耐高温压阻测量样品（1）的电学信号引出。

7.一种高温压阻特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建如权利要求1-6任一项所述的高温压阻特性测量平台；

通过计算机控制单元（9）启动局部加热单元（4），所述局部加热单元（4）对所述耐高温压阻测量样品（1）的压力敏感区域进行局部加热至预定温度；

通过电路转接板单元（7）和电学测量单元（8）记录未受力时的材料初始电阻值；

通过所述计算机控制单元（9）启动施力装置单元（2），对所述耐高温压阻测量样品（1）的力敏电阻（6）施加应力，并通过所述电路转接板单元（7）和电学测量单元（8）记录材料的受力后电阻值；

根据所述初始电阻值和受力后电阻值，计算所述预定温度条件下的压阻系数。

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