CN110346407A - 一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构。本发明从下至上包括Si衬底、金属层、SiN支撑膜、“回”形结构有机膜；将待测薄膜沉积在“回”形结构有机膜上表面，然后撕去“回”形结构有机膜，待测薄膜仅保留在“回”形结构有机膜中间镂空部分所在位置，最终采用稳态测量方法或瞬态测量方法进行测试。采用本发明结构检测周期短，步骤简单，测试结果偏差较小，保证一致性好，减少了人为操作误差，并提高了效率。

Description

一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构
技术领域
本发明属于材料物性测试领域，具体涉及一种薄膜材料热导率的测试结构。
背景技术
热导率是表征薄膜材料热物理性能的重要参数之一，能反应出薄膜材料传导热量的能力，与薄膜材料制成的结构和器件的热效率及散热性能紧密相关。例如，在相变存储器中，电信号操作下相变材料薄膜的焦耳热致相变是实现数据擦写的物理基础，相变材料热导率低有利于减少热量的传导耗散，提高电信号的加热效率，降低存储芯片的操作功耗。同时，薄膜热导率是热电材料薄膜的重要性能，更低的热导率有利于提高热电转换的效率。因此，研究薄膜材料热导率是材料研发的重要步骤，如何实现高效简单准确的薄膜材料热导率测试具有十分重要的意义。
目前常用的薄膜测量方法分为稳态测量方法和瞬态测量方法。稳态测量方法包括悬膜法、微桥法与稳态双桥法。其中悬膜法(Phys.Status Solidi A 210,No.1,106–118(2013))与微桥法(A novel method for measuring the thermal conductivity of sub-micrometer thick dielectric films)与稳态双桥法(thermal conductivitymeasurements of thin film resist)这三种方法都因为所制备的样品需要是悬浮结构，而测试者大多不具备结构制备条件和成熟的加工工艺，而使样品成功率较低。同时需要将材料沉积到硅片上槽中，在物理气相沉积的薄膜制备条件下不能保证薄膜材料的组分及厚度的均匀性。瞬态测试法包括激光闪光法、3ω法等。激光闪光法(Measurement of thinfilm thermal conductivity using the laser flash method)因为需要激光加热和测试,并且涉及到激光信号的提取，所以需要精密的光学电路，而且对于多层薄膜和厚度很大的薄膜，受限于激光透射率而无法精确测量，除此之外，闪光法不能直接测试透明材料；3ω法中因为样品尺寸较小所以通过减少换热面积可以有效减少辐射误差，而且测试时间相对于稳定测量方法较短，增加了测试速度，所以3ω法是用来测量薄膜热导率的一个重要方法。目前也有一些用3ω法测量薄膜横向热导率的方法，比如，苏国苹论文(基于谐波法的热功能材料热导率的实验研究)中各项异性热导率测量方法的对象为各项异性半无限大固体，那么对于纳米级厚度的薄膜来说就无法适用；武汉嘉仪通的专利(一种测量薄膜横向热导率的方法及装置)所提到的测试结构在薄膜样品沉积之后需要在薄膜样品上进行电极的沉积与图形化，之后还需要进行显微镜下电极引线，这些后续工作的缺点与悬膜法类似，即测试者大多不具备结构制备条件和成熟的加工工艺，而使样品成功率较低，同时加工成本高，是与测试者很不友好的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种测量薄膜热导率的衬底结构，能使用户在薄膜沉积之后可以直接进行微纳米级厚度薄膜热导率测试。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种薄膜电导率测试结构，从下至上包括Si衬底、金属层、SiN支撑膜、“回”形结构有机膜；
所述的Si衬底中间开有两个矩形通孔；两个矩形通孔长边相互平行；
所述的金属层包括十字形结构，金属线，八个电极；十字形结构的上下两臂(即Y轴向平行的两臂)均开有一条与X轴向平行的两端开放式缝隙；每条缝隙内存在一条金属线，金属线的每一端与外部两个电极连接；两端开放式缝隙位于Si衬底矩形通孔的正上方，且尺寸相同。
上述金属层中十字形结构减去两端开放式缝隙的区域为热沉区域；
所述的SiN支撑膜位于金属层十字形结构的上方，且正好覆盖两端开放式缝隙和热沉区域，但不覆盖电极区域。
所述的“回”形结构有机膜中间镂空部分位于SiN支撑膜区域上方，使得SiN支撑膜区域和热沉区域暴露，但不使电极区域暴露。
作为优选，矩形通孔长度为200-1000um，宽度为50-500um；
作为优选，SiN支撑膜厚度范围为10-500nm。
作为优选，金属线的宽度为1-20um；
作为优选，金属层的材质为Au或Pt，厚度为10-200nm；
作为优选，整个结构长和宽的范围均为0.5cm-5cm。
作为优选，“回”形结构有机膜材质为聚氯乙烯(PVC)。
本发明的有益效果是：
本发明热导率测试结构采用的是悬空式结构，薄膜沉积之后可以直接进行微纳米级厚度薄膜热导率测试。采用本发明结构检测周期短，步骤简单，测试结果偏差较小，保证一致性好，减少了人为操作误差，并提高了效率。
附图说明
图1为Si衬底结构俯视图；
图2为金属层结构俯视图；
图3为金属层十字形结构俯视图；
图4为SiN支撑膜结构俯视图；
图5为加载SiN支撑膜、金属层的衬底结构俯视图；
图6为“回”形结构有机膜结构俯视图；
图7为本发明薄膜电导率测试结构的俯视图；
图8为沉积待测薄膜在本发明薄膜电导率测试结构的俯视图；
图9为撕去“回”形结构有机膜的本发明薄膜电导率测试结构的俯视图；
图10为撕去“回”形结构有机膜的本发明薄膜电导率测试结构的截面图；
图11为通过3ω法对商业化的相变存储材料Ge2Sb2Te5不同材料晶相的变温热导率测试。
图中标记：Si衬底1，矩形通孔1-1，金属层2，十字形结构2-1，金属线2-2，电极2-3，SiN支撑膜3，“回”形结构有机膜4，中间镂空部分4-1，待测薄膜5。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
一种薄膜电导率测试结构，为正方体，长和宽的范围均为0.5cm-5cm，从下至上包括Si衬底1、金属层2、SiN支撑膜3、“回”形结构有机膜4；
如图1所示的，所述的Si衬底1中间开有两个上下对齐的矩形通孔1-1；矩形通孔长度为200-1000um，宽度为50-500um；两个矩形通孔间距为100微米-5000微米。
如图2所示，所述的金属层2包括十字形结构2-1，金属线2-2，电极2-3；如图3十字形结构的上下两臂(即Y轴向平行的两臂)开有与X轴向平行的两端开放式缝隙2-1-1；每条缝隙内存在一条宽度为1-20um的金属线与外部4个电极连接；两端开放式缝隙位于Si衬底矩形通孔的正上方。两端开放式缝隙长度为200-1000um，宽度为50-500um。
金属层的材质为Au或Pt，厚度为10-200nm。
如图4所示，所述的SiN支撑膜3位于金属层的上方，且正好覆盖两端开放式缝隙和热沉区域，但不覆盖电极区域。SiN支撑膜厚度范围为10-500nm。
图5为加载SiN支撑膜、金属层的衬底结构俯视图。
如图6所示所述的“回”形结构有机膜4中间镂空部分4-1位于SiN支撑膜区域上方，使得SiN支撑膜区域和热沉区域暴露，但不使电极区域暴露。。“回”形结构有机膜4的材质为聚氯乙烯。
图7为本发明薄膜电导率测试结构的俯视图。
工作原理：
将待测薄膜5采用现有技术沉积在图7结构上，即为图8，然后“回”形结构有机膜4，即为图9，其横截面如图10所示。
热导率测试可以采用稳态测量方法和瞬态测量方法。一个矩形结构SiN膜3-1所在位置的金属线和相连的四个电极对应一个测试单元，如图9所示，在两个电极上通入电流，测试内侧两个电极的电压，进行数据收集，结合两个单元得测试结果，可以计算薄膜热导率。当输入电流为稳定的直流电流时，测试电压，通过热传导模型可得热导率，称为稳态法。当输入电流为频率ω交变电流时，测试电压，通过热传导模型可得热导率，称为3ω法。两种方法都可得到薄膜热导率。
实施例：通过3ω法对商业化的相变存储材料Ge2Sb2Te5不同材料晶相的变温热导率测试，图11结果与已经发表的文献数据非常符合，说明本发明的测试结构和方法切实可靠。
本发明涉及的薄膜电导率测试衬底结构可由工艺成熟稳定的供应商生产提供，免去了测试者复杂的后续加工步骤，避免了因工艺加工稳定性差导致的实验误差，实现了薄膜材料制备完成后可以马上测试，为薄膜材料热导率研究提供了高效简便可靠的解决方案。

Claims (8)

1.一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于从下至上包括Si衬底、金属层、SiN支撑膜、“回”形结构有机膜；
所述的Si衬底中间开有两个矩形通孔；两个矩形通孔长边相互平行；
所述的金属层包括十字形结构，金属线，八个电极；十字形结构的上下两臂均开有一条与X轴向平行的两端开放式缝隙；每条缝隙内存在一条金属线，金属线的每一端与外部两个电极连接；两端开放式缝隙位于Si衬底矩形通孔的正上方，且尺寸相同；
上述金属层中十字形结构减去两端开放式缝隙的区域为热沉区域；
所述的SiN支撑膜位于金属层十字形结构的上方，且正好覆盖两端开放式缝隙和热沉区域，但不覆盖电极区域；
所述的“回”形结构有机膜中间镂空部分位于SiN支撑膜区域上方，使得SiN支撑膜区域和热沉区域暴露，但不使电极区域暴露。
2.如权利要求1所述的一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于矩形通孔长度为200-1000um，宽度为50-500um。
3.如权利要求1所述的一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于SiN支撑膜厚度范围为10-500nm。
4.如权利要求1所述的一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于金属线的宽度为1-20um。
5.如权利要求1所述的一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于金属层的材质为Au或Pt，厚度为10-200nm。
6.如权利要求1所述的一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于整个结构长和宽的范围均为0.5cm-5cm。
7.如权利要求1所述的一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于“回”形结构有机膜材质为聚氯乙烯(PVC)。
8.如权利要求1所述的一种适用于纳米级厚度薄膜材料的热导率测试结构，其特征在于将待测薄膜沉积在“回”形结构有机膜上表面，然后撕去“回”形结构有机膜，待测薄膜仅保留在“回”形结构有机膜中间镂空部分所在位置，最终采用稳态测量方法或瞬态测量方法进行测试。
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