CN102221566B - 一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法，具体包括：构建一种特殊的测试结构；通过直流方法测出测试结构中样品2(Y2)和样品1(Y1)的整体热阻之差；计算材料A和材料B之间的边界热阻；改变输入直流电源的输入功率，重复上述步骤共N次，得到N个边界热阻，取这N个边界热阻的算术平均值作为材料A和材料B的边界热阻。本发明所提供的方法能够非常简便而且有效地测试出不同材料薄层之间的边界热阻，对仪器设备要求简单，且方便易操作，测试成本低廉，适用范围广泛，其测试结果对半导体器件的设计有直接的指导作用。

Description

一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法
技术领域
本发明涉及一种边界热阻的测试方法，尤其是一种对于不同材料薄层之间边界热阻的测试方法。
背景技术
随着半导体产业的不断发展，人们对材料的热特性测试的研究给与了越来越多的关注，尤其是随着器件特征尺寸的不断减小，器件中所产的热量对器件特性的影响越来越严重，极大地制约了半导体产业的发展。所以近年来人们对半导体器件材料的散热进行了系统的研究，包括单根纳米线热导率的研究，薄膜热导率的研究，和整个器件热导率的研究等等。然而对两种不同材料的边界热阻测试的研究却仍然是一个挑战。
不同材料之间的边界热阻，可以定义为边界两边的温度差与流过的功率流之比，被普遍用作描述不同材料边界的传热特性。虽然到目前为止，很多材料的边界热阻已经被各种研究小组所测得，比如，文献A.J.Schmidt.et al.Rev.Sci.Instrum.79，114902(2008)中对一种高度有序的石墨衬底和铝层之间的边界热阻和文献C.Yu.et al.ASME J.Heat Transfer 128，234_(2006)中对一种152nm直径碳纳米纤维和铂金衬底之间的边界热阻。然而，对边界热阻的测试方法仍然仅限于TDTR(Time-domian thermoreflectance)方法，或其演变出来的方法。这些方法用到的实验设备比较昂贵，对测试材料的选择也有一定的限制，严重地阻碍了人们对边界热阻的研究。尤其随着器件特征尺度的不断减小，测试的难度逐渐加大。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的空白，提供一种对不同材料薄层之间边界热阻的测试方法，该测试方法设备简易、操作简单。
本发明提供的技术方案如下：
方案1：一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)构建测试结构(如图1)，
所述的测试结构包括一个衬底，在衬底上形成样品1(Y1)和样品2(Y2)；其中样品1包含3层，从下到上依次是材料A层、材料B层和金属条；样品2包含5层，从下到上依次是材料A层、材料B层、厚度为a的材料A层、材料B层和金属条；样品1和样品2的高度和宽度相同，并且样品1中的金属条和样品2中金属条的厚度和宽度相同。样品1和样品2上层金属条的两端和直流源相接；
2)给样品1和样品2中同时通入功率为P的直流电，通过测出样品1和样品2中金属条的温度波动，并利用金属条的电阻和温度相关系数计算出样品2与样品1中金属条的温度之差ΔT，从而计算出样品2和样品1的整体热阻之差Z2-Z1；
3)计算材料A和材料B之间的边界热阻RA-B；
4)改变输入直流电源的输入功率P，重复执行步骤2、3，共N(N＞0)次，得到N个边界热阻，取这N个边界热阻的算术平均值作为材料A和材料B的边界热阻。
方案2：作为方案1的一个优选方案，其特征在于，所述样品1和样品2之间的间距在50nm-100nm之间，样品2中材料A层的厚度a在1nm-3nm之间。
方案3：作为方案1的一个优选方案，其特征在于，所述材料B为电隔离材料，否则，在两个样品的金属条和材料B之间增加一层电隔离材料。
方案4：作为方案1的一个优选方案，其特征在于，所述金属条选用电阻温度相关系数明确的金属材料，这样会使实验结果更加准确。
方案5：作为方案4的一个优选方案，其特征在于，所述金属材料为Cr或者Au。
方案6：作为方案1的一个优选方案，其特征在于，所述步骤2)中的测算样品2与样品1整体热阻之差的方法为：利用公式Z2-Z1＝ΔT/P计算出样品2与样品1的整体热阻之差；其中ΔT为样品2和样品1中金属条的温度之差，P为所测物体的输入功率。
方案7：作为方案1的一个优选方案，其特征在于，步骤3)中所述材料A和材料B之间的边界热阻RA-B的计算方法为：RA-B＝(Z2-Z1)/2。
对该公式的说明如下：由于样品1和样品2在结构上存在的差别，所以样品2和样品1整体热阻Z2和Z1之差就可以表示为样品2中上层材料A和材料B之间的边界热阻加中间层材料A和材料B之间的边界热阻加下层材料A和材料B之间的边界热阻加厚度为a的材料A层的热阻与样品1中材料A和材料B之间的边界热阻加厚度为a的材料B层热阻之差。用公式表示为：
Z2-Z1＝RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B+RA.bulk-RA-B-RB.bulk
其中RA-top.B是样品2中上层材料A和材料B之间的边界热阻，RA-mid.B是样品2中中间层材料A和材料B之间的边界热阻，RA-bot.B是样品2中下层材料A和材料B之间的边界热阻，RA.bulk是厚度为a的材料A层的热阻，RB.bulk是样品1中厚度为a的材料B层热阻。
当a小到一定程度时，可以认为(RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B-RA-B)》(RA.bulk-RB.bulk)，并且认为RA-top.B＝RA-bot.B＝RA-mid.B＝RA-B，其中RA-B为材料A和材料B之间的边界热阻。这时候就可以简化上述公式，得：
Z2-Z1＝RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B-RA-B＝2RA-B
即材料A和材料B之间的边界热阻RA-B就可以表示为：RA-B＝(Z2-Z1)/2
方案8：作为方案1的一个优选方案，其特征在于，所述N的取值为3～5。
本发明所提供的边界热阻的测试方法能够非常简便而且有效地测试出不同材料薄层之间的边界热阻，得到不同材料之间的热传输情况，对仪器设备要求简单，且方便易操作，测试成本低廉，在普通的实验室就能进行，并且适用范围非常广泛，其测试结果对半导体器件的设计有直接的指导作用。
附图说明
图1：测试样品结构示意图。其中Y1-样品1；Y2-样品2。
具体实施方式
下边结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，给出一种直流源方法，采用差动思想，通过利用一种特殊结构来实现不同材料薄层之间边界热阻的测试。
一、测试结构的形成工艺步骤
1、衬底为多晶硅衬底，将衬底从中间分为左右两个位置，淀积厚度为
Figure BDA0000053062850000031
的二氧化硅。
2、继续在二氧化硅层上淀积
Figure BDA0000053062850000032
多晶硅，并将左边的刻掉，在二氧化硅层上的左右两个位置留下厚度分别为
Figure BDA0000053062850000033
厚的多晶硅。
3、淀积厚度为
Figure BDA0000053062850000034
的二氧化硅，然后用CMP工艺磨平，使得多晶硅上方留下厚度为
Figure BDA0000053062850000036
的二氧化硅；
4、淀积的金属层，然后刻成条金属条，其中条宽大约在100nm-500nm之间。
5、采用光刻技术并过刻大约
Figure BDA0000053062850000038
的多晶硅，在衬底上形成2种样品。
二、利用直流源法测出测试结构中样品1和样品2的整体热阻Z1和Z2。
三、计算材料A和材料B之间的边界热阻RA-B。其中材料A是多晶硅，材料B是二氧化硅。
Z2-Z1＝RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B+RA.bulk-RA-B-RB.bulk
其中RA-top.B是样品2中上层材料A和材料B之间的边界热阻，RA-mid.B是样品2中中间层材料A和材料B之间的边界热阻，RA-bot.B是样品2中下层材料A和材料B之间的边界热阻，RA.bulk是厚度为a的材料A层的热阻，RB.bulk是样品1中厚度为a的材料B层热阻。
取a＝2nm，可以认为(RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B-RA-B)》(RA.bulk-RB.bulk)，并且认为RA-top.B＝RA-bot.B＝RA-mid.B＝RA-B，其中RA-B为材料A和材料B之间的边界热阻。这时候就可以得到材料A和材料B之间的边界热阻RA-B，
RA-B＝(Z2-Z1)/2
四、改变直流电源的输入功率，测试出N个RA-B，求其算术平均值作为材料A和材料B薄层之间的边界热阻。

Claims (6)

1.一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)构建测试结构，
所述的测试结构包括一个衬底，在衬底上形成样品1（Y1）和样品2（Y2）；其中样品1包含3层，从下到上依次是材料A层、材料B层和金属条；样品2包含5层，从下到上依次是材料A层、材料B层、厚度为a的材料A层、材料B层和金属条；样品1和样品2的高度和宽度相同，并且样品1中的金属条和样品2中金属条的厚度和宽度相同；样品1和样品2上层金属条的两端和直流源相接；
2)给样品1和样品2中同时通入功率为P的直流电，通过测出样品1和样品2中金属条的温度波动，并利用金属条的电阻和温度相关系数计算出样品2与样品1中金属条的温度之差△T，从而计算出样品2和样品1的整体热阻之差Z2-Z1；
测算样品2与样品1整体热阻之差的方法为：利用公式Z2-Z1=△T/P计算出样品2与样品1的整体热阻之差；其中△T为样品2和样品1中金属条的温度之差，P为所测物体的输入功率；
3)计算材料A和材料B之间的边界热阻RA-B，计算方法为RA-B=(Z2-Z1)/2；
4)改变输入直流电源的输入功率P，重复执行步骤2、3，共N（N＞0）次，得到N个边界热阻，取这N个边界热阻的算术平均值作为材料A和材料B的边界热阻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样品1和样品2之间的间距在50nm-100nm之间，样品2中材料A层的厚度a在1nm-3nm之间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料B为电隔离材料，否则，在两个样品的金属条和材料B之间增加一层电隔离材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属条选用电阻温度相关系数明确的金属材料。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属材料为Cr或者Au。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N的取值为3～5。
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