專利名稱：一種用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微尺度半導(dǎo)體器件測量領(lǐng)域，尤其涉及一種用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法。
背景技術(shù)：
目前，微納米器件中由于納米接觸形成的界面熱阻隨著半導(dǎo)體器件的日益微型化而成為微系統(tǒng)熱管理和熱設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。微處理器芯片、場效應(yīng)傳感器、熱電能量轉(zhuǎn)換器等大量使用半導(dǎo)體薄膜作為功能元件，通過堆積疊加形成大量的界面。由于半導(dǎo)體納米復(fù)合熱電材料內(nèi)存在的大量界面增強(qiáng)了聲子散射，對(duì)界面熱阻的調(diào)控是進(jìn)一步提高熱電能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。相比金屬膜，半導(dǎo)體薄膜界面上的微觀熱輸運(yùn)具有新的特點(diǎn)，這也使半導(dǎo)體膜界面熱阻的機(jī)理分析較金屬膜的要復(fù)雜得多。低頻下諧波法中的三次諧波法已被用于測試Ge膜與Si基底間的界面熱阻，但對(duì)比試樣增大了測量結(jié)果的不確定度。頻帶范圍拓展到MHz的三次諧波法在高頻下已用于基體表面金剛石薄膜、基體表面Si02熱導(dǎo)率測量，但是都沒有考慮諧波探測器與被測試薄膜之間界面熱阻的影響，測試誤差大。飛秒激光抽運(yùn)-探測法測試半導(dǎo)體薄膜界面熱阻受限。 由于金屬薄膜表面反射率與其電子溫度有較為簡單的函數(shù)關(guān)系，一般近似為線性關(guān)系。半導(dǎo)體薄膜表面反射率隨其電子溫度的函數(shù)關(guān)系將不再簡單；由于泵浦光和探測光間相互干擾，光斑直徑大，測試的Au膜表面的電子溫度相互重疊，空間分辨率低，僅用于金屬薄膜研究。由于表面反射率和粗糙度的影響，周期激光光熱反射法主要用于測量金屬膜與非金屬薄膜間的界面熱阻。低頻下三次諧波法測量基體表面薄膜熱導(dǎo)率的技術(shù)方案在待測試薄膜表面直接沉積金屬膜，同時(shí)用作加熱器和測溫器，施加微弱正弦電流信號(hào)加熱，在低頻下利用差動(dòng)放大電路和鎖相放大器測量金屬膜產(chǎn)生的三次諧波，利用金屬膜溫升與頻率曲線的斜率得到基體的熱導(dǎo)率，利用金屬膜溫升與基體溫升的差值求出薄膜的熱導(dǎo)率，利用對(duì)比試樣測量界面熱阻。高頻下三次諧波法測量基體表面薄膜熱導(dǎo)率的技術(shù)方案在高頻下利用差動(dòng)放大電路和鎖相放大器測量待測試薄膜表面金屬膜的溫升，利用高頻下溫升的解析解擬合得到待測試薄膜的熱導(dǎo)率。低頻下二次諧波測量基體熱導(dǎo)率的技術(shù)方案在低頻下直接利用鎖相放大器測量金屬膜產(chǎn)生的二次諧波，利用低頻下二次諧波實(shí)部和虛部的斜率得到基體的熱導(dǎo)率。三次諧波的測試頻率低，雖然借助對(duì)比試樣能夠?qū)崿F(xiàn)界面熱阻的分離，但是對(duì)比試樣增大了測量結(jié)果的不確定度；高頻下三次諧波的測量采用的差動(dòng)放大電路的差動(dòng)放大器的響應(yīng)速度慢，難以濾除高頻干擾信號(hào)，再加上常用鎖相放大器自身倍頻頻率范圍的限制，高頻諧波通常會(huì)超出儀器測量范圍，高頻下三次諧波測量精度差；高頻下利用三次諧波測得的溫升擬合薄膜熱導(dǎo)率時(shí)沒有考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，結(jié)果誤差大；二次諧波和三次諧波孤立測量，沒有實(shí)現(xiàn)多次諧波聯(lián)合實(shí)現(xiàn)界面熱阻的測量。
當(dāng)前缺乏測量半導(dǎo)體薄膜與基體之間界面熱阻的有效方法，在半導(dǎo)體薄膜熱物性的表征方面，三次諧波法主要用于測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，但是測試頻率比較低，頻帶范圍比較窄，頻帶范圍一般為幾Hz 幾千Hz，無法實(shí)現(xiàn)界面熱阻的測量；二次諧波法目前只能在低頻下測量薄膜與基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率。由于半導(dǎo)體表面對(duì)激光的反射率與溫度關(guān)系的非線性，基于激光加熱探測的光熱探測技術(shù)不能準(zhǔn)確測量半導(dǎo)體薄膜表面的溫度響應(yīng)，亦難于測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與界面熱阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)提供的測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，沒有考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻， 二次諧波和三次諧波孤立測量，結(jié)果誤差大，不能實(shí)現(xiàn)多次諧波聯(lián)合、精確測量界面熱阻的問題。本發(fā)明的目的在于提供一種用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，所述方法包括以下步驟在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率；在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率；將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離。本發(fā)明提供的用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，首先在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率，然后在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜與基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率，最后將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離，通過采用電阻溫度系數(shù)小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號(hào)對(duì)三次諧波的影響，同時(shí)頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠(yuǎn)大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度，借助周期激光光熱反射法測量的鉬膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，解決了諧波探測器與半導(dǎo)體薄膜絕緣與附著問題，考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，提高了半導(dǎo)體薄膜熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的高頻測量精度，利用多次諧波聯(lián)合測量，在單個(gè)試樣上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。


圖I示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間界面熱阻抗的實(shí)現(xiàn)方法的流程圖；圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的采用三次諧波法測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率及采用二次諧波法測量半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法的實(shí) 現(xiàn)流程。該方法包括以下步驟在步驟SlOl中，在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率；在步驟S102中，在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合 熱導(dǎo)率；在步驟S103中，將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離。在本發(fā)明實(shí)施例中，在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率的實(shí)現(xiàn)方法 為利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面 熱阻杭；采用三次諧波法測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率。如圖2所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測 量鉬膜與金剛石薄膜之間界面熱阻抗的實(shí)現(xiàn)方法為在步驟S201中，在半導(dǎo)體薄膜表面沉積金剛石薄膜；在步驟S202中，采用磁控濺射技術(shù)在金剛石薄膜表面沉積鉬膜；在步驟S203中，利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱 阻；在步驟S204中，利用光刻法加工出諧波探測器。如圖3所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，采用三次諧波法測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò) 散率的實(shí)現(xiàn)方法為在步驟S301中，對(duì)諧波探測器施加沒有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系 數(shù)可忽略的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量高頻下三次諧波的幅值并轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)的 測試熱阻抗；在步驟S302中，在熱阻抗理論公式加入測量的鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱 阻，得到改進(jìn)的熱阻抗理論模型；在步驟S303中，利用改進(jìn)的熱阻抗理論模型和測試熱阻抗擬合出半導(dǎo)體薄膜的 熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率。在本發(fā)明實(shí)施例中，在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的 綜合熱導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)方法為在步驟S304中，對(duì)諧波探測器施加有直流分量的微弱交流電；在步驟S305中，采用電阻溫度系數(shù)可忽略的純電阻電橋電路和鎖相放大器測量 低頻下二次諧波的實(shí)部和虛部分量；在步驟S306中，利用二次諧波的實(shí)部和虛部分量得到半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu) 成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率。在本發(fā)明實(shí)施例中，將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離的實(shí)現(xiàn)方法為半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合導(dǎo)熱熱阻中減去半導(dǎo)體薄膜和基 體的熱阻，得到半導(dǎo)體薄膜與基體之間的界面熱阻。
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。如圖I所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法包括以下步驟①在半導(dǎo)體薄膜表面沉積金剛石薄膜，實(shí)現(xiàn)諧波探測器與半導(dǎo)體薄膜之間的絕緣；②利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻；在步驟①的基礎(chǔ)上采用磁控濺射技術(shù)在金剛石薄膜表面沉積鉬膜，然后利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻，最后利用光刻法加工出諧波探測器。③采用三次諧波法測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率；首先，在步驟①和②的基礎(chǔ)上，給步驟②中加工的諧波探測器施加沒有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系數(shù)可忽略的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量高頻下三次諧波的幅值并轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)的測試熱阻抗；然后，在熱阻抗理論公式加入步驟②中測量的鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻，得到改進(jìn)的熱阻抗理論模型；最后，利用改進(jìn)的熱阻抗理論模型和測試熱阻抗擬合出半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率。④利用二次諧波法得到半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率；在步驟③之后，給步驟②中加工的諧波探測器施加有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系數(shù)可忽略的純電阻電橋電路和鎖相放大器測量低頻下二次諧波的實(shí)部和虛部分量，得到半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率。⑤從半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的合結(jié)構(gòu)的綜合導(dǎo)熱熱阻中得到半導(dǎo)體薄膜界面熱阻。在步驟③和④的基礎(chǔ)上，從薄膜+界面+基底的綜合導(dǎo)熱熱阻中減去半導(dǎo)體薄膜和基體的熱阻，得到半導(dǎo)體薄膜與基體之間的界面熱阻。本發(fā)明實(shí)施例提供的用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，在超過IMHz的高頻區(qū)域，利用電阻溫度系數(shù)小于20PPM的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量三次諧波； 半導(dǎo)體薄膜表面沉積金剛石薄膜實(shí)現(xiàn)諧波探測器與半導(dǎo)體薄膜之間的絕緣；利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻；在IHz 20MHz寬頻范圍內(nèi)，利用頻率低于4kHz下的二次諧波和頻率高于IMHz的三次諧波聯(lián)合測量半導(dǎo)體薄膜與基體之間的界面熱阻。由于采用電阻溫度系數(shù)小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號(hào)對(duì)三次諧波的影響，同時(shí)頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠(yuǎn)大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度；借助周期激光光熱反射法測量的鉬膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，提高了半導(dǎo)體薄膜熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的高頻測量精度；利用多次諧波聯(lián)合測量，在單個(gè)試樣上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜與基體之間界面熱阻的測量，提高高頻下三次諧波的測量精度，利用二次諧波和三次諧波聯(lián)合測量， 考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，在單個(gè)試樣上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。本發(fā)明實(shí)施例提供的用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，首先在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率，然后在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜與基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率，最后將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離，通過采用電阻溫度系數(shù)小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號(hào)對(duì)三次諧波的影響，同時(shí)頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠(yuǎn)大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度，借助周期激光光熱反射法測量的鉬膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，解決了諧波探測器與半導(dǎo)體薄膜絕緣與附著問題，考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，提高了半導(dǎo)體薄膜熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的高頻測量精度，利用多次諧波聯(lián)合測量，在單個(gè)試樣上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率；在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率；將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率的實(shí)現(xiàn)方法為利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻抗；采用三次諧波法測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間界面熱阻抗的實(shí)現(xiàn)方法為在半導(dǎo)體薄膜表面沉積金剛石薄膜；采用磁控濺射技術(shù)在金剛石薄膜表面沉積鉬膜；利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻；利用光刻法加工出諧波探測器。
4.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述采用三次諧波法測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率的實(shí)現(xiàn)方法為對(duì)諧波探測器施加沒有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系數(shù)可忽略的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量高頻下三次諧波的幅值并轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)的測試熱阻抗；在熱阻抗理論公式加入測量的鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻，得到改進(jìn)的熱阻抗理論模型；利用改進(jìn)的熱阻抗理論模型和測試熱阻抗擬合出半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)方法為對(duì)諧波探測器施加有直流分量的微弱交流電；采用電阻溫度系數(shù)可忽略的純電阻電橋電路和鎖相放大器測量低頻下二次諧波的實(shí)部和虛部分量；利用二次諧波的實(shí)部和虛部分量得到半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合熱導(dǎo)率。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離的實(shí)現(xiàn)方法為半導(dǎo)體薄膜、界面及基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合導(dǎo)熱熱阻中減去半導(dǎo)體薄膜和基體的熱阻，得到半導(dǎo)體薄膜與基體之間的界面熱阻。
全文摘要
本發(fā)明屬于微尺度半導(dǎo)體器件測量領(lǐng)域，提供了一種用于精確測量半導(dǎo)體薄膜界面熱阻的方法，首先在高頻下測量半導(dǎo)體薄膜的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率，然后在中低頻下測量半導(dǎo)體薄膜與基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效熱導(dǎo)率，最后將界面熱阻從復(fù)合結(jié)構(gòu)總熱阻抗中剝離，通過采用電阻溫度系數(shù)小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號(hào)對(duì)三次諧波的影響，同時(shí)頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠(yuǎn)大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度，借助周期激光光熱反射法測量的鉑膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，提高了半導(dǎo)體薄膜熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的高頻測量精度，利用多次諧波聯(lián)合測量，在單個(gè)試樣上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。
文檔編號(hào)G01N25/18GK102590724SQ20121002226
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月8日
發(fā)明者王照亮 申請人:中國石油大學(xué)(華東)