CN111157573A - 薄膜热导率的测量装置及测量方法 - Google Patents

薄膜热导率的测量装置及测量方法 Download PDF

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CN111157573A CN202010037110.0A CN202010037110A CN111157573A CN 111157573 A CN111157573 A CN 111157573A CN 202010037110 A CN202010037110 A CN 202010037110A CN 111157573 A CN111157573 A CN 111157573A
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Abstract

本发明涉及一种薄膜热导率的测量装置及测量方法，采用硅基板作为测量装置的基座，多个薄膜微桥平行架设于刻蚀槽上以组成测量微结构装置，以复现微型电子器件的实际工作过程，以此测量得到微型电子器件工作过程中薄膜材料的热导率。本发明的薄膜热导率的测量装置及测量方法，可在复现微型电子器件的实际工作过程的情况下，对薄膜材料的热导率进行精准测量，以将测量结果作为对薄膜材料进行实际应用的准确参考，解决了传统测量装置对薄膜材料的热导率进行测量时存在的测量不准确的问题。

Description

薄膜热导率的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计的技术领域，尤其涉及一种薄膜热导率的测量装置及测量方法。
背景技术
集成电路(integrated circuit，IC)或互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)等微型电子器件在工作过程中自身会发热，为提高微型电子器件的导热效率，通常会采用热导率较高的薄膜材料对微型电子器件进行封装，为获取适于微型电子器件使用的薄膜材料，对薄膜材料的热导率进行精确测量显得尤其重要。传统的对薄膜材料的热导率进行测量的装置均难以复现微型电子器件的实际工作过程，因此采用传统的测量方法所得到的热导率存在较大偏差，测量得到的热导率无法作为对薄膜材料进行实际应用的准确参考。因而，现有的测量装置对薄膜材料的热导率进行测量时存在测量不准确的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种薄膜热导率的测量装置及测量方法，旨在解决现有技术中的测量装置对薄膜材料的热导率进行测量时所存在的测量不准确的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种薄膜热导率的测量装置及测量方法，其中，包括：硅基板、薄膜材料、加热器、温度传感器及导电支臂；
所述硅基板包括设置于所述硅基板中央的刻蚀槽；
所述薄膜材料包括多个平行架设于所述刻蚀槽上的薄膜微桥，所述薄膜微桥的两端固定于所述刻蚀槽的侧壁的顶面上；
所述加热器设置于所述薄膜微桥上，所述加热器用于产生热量并将热量经所述薄膜微桥传导至所述侧壁；
所述导电支臂架设于所述刻蚀槽上且与所述加热器接触以将电流传导至所述加热器，所述加热器的两端均设有一个所述导电支臂；
所述侧壁的顶面上及所述加热器上均设置所述温度传感器，所述温度传感器用于采集所述侧壁及所述加热器的温度以实现对所述薄膜材料热导率的测量。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述薄膜材料的两端均设有一个所述温度传感器，两个所述温度传感器均与所述薄膜微桥相垂直。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述加热器垂直设置于所述薄膜微桥上。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述加热器沿所述薄膜微桥的中轴线进行设置。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述加热器为多晶硅微加热器。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述薄膜材料的基材为氧化硅。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述薄膜材料还包括附着于所述基材的顶面或底面的附着层。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述附着层为多晶硅层或金属层。
所述的薄膜热导率的测量装置，其中，还包括设置于所述薄膜材料外围的散热器。
一种薄膜热导率的测量方法，所述测量方法应用于至少两个上述的薄膜热导率的测量装置，其中，所述测量方法包括：
将第一预设电流值I1的电流经第一测量装置的导电支臂输入所述第一测量装置的加热器，将第二预设电流值I2的电流经第二测量装置的导电支臂输入所述第二测量装置的加热器；其中，所述第一测量装置中第一薄膜材料的薄膜微桥与所述第二测量装置中第二薄膜材料的薄膜微桥的长度及宽度均相同；所述第一薄膜材料及所述第二薄膜材料均未增加附着层或在所述第一薄膜材料上增加附着层得到所述第二薄膜材料；
根据所述第一测量装置的温度传感器采集所述第一测量装置的加热器的温度值t1与及所述第一测量装置的侧壁的温度值t2，根据所述第二测量装置的温度传感器采集所述第二测量装置的加热器的温度值t3与及所述第二测量装置的侧壁的温度值t4；
根据公式
Figure BDA0002366428440000031
计算得到所述第一薄膜材料或所述附着层的热导率λ1，其中，ΔD为所述第一测量装置中薄膜材料与所述第二测量装置中薄膜材料之间的厚度差，W为所述薄膜微桥或所述附着层的宽度，L为所述薄膜微桥上所设置的加热器与刻蚀槽的侧壁之间的间距，R1为所述第一测量装置中加热器的电阻值，R2为所述第二测量装置中加热器的电阻值。
有益效果
与现有的技术相比，本发明具有以下突出优点和效果：采用硅基板作为测量装置的基座，多个薄膜微桥平行架设于刻蚀槽上以组成测量微结构装置，以复现微型电子器件的实际工作过程，以此测量得到微型电子器件工作过程中薄膜材料的热导率。本发明的薄膜热导率的测量装置及测量方法，可在复现微型电子器件的实际工作过程的情况下，对薄膜材料的热导率进行精准测量，以将测量结果作为对薄膜材料进行实际应用的准确参考，解决了传统测量装置对薄膜材料的热导率进行测量时存在的测量不准确的问题。
附图说明
图1为本发明的薄膜热导率的测量装置的整体结构图；
图2为本发明的薄膜热导率的测量装置的局部结构图；
图3为本发明的薄膜热导率的测量装置的局部结构图；
图4为本发明的薄膜热导率的测量装置的局部结构图；
图5为本发明的薄膜热导率的测量装置的局部结构图；
图6为本发明的薄膜热导率的测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
本发明提供一种薄膜热导率的测量装置及测量方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-图2，图1为本发明的薄膜热导率的测量装置的整体结构图；图2为本发明的薄膜热导率的测量装置的局部结构图。如图所示，本发明实施例提供一种薄膜热导率的测量装置，其中，包括：硅基板1、薄膜材料2、加热器3、温度传感器4及导电支臂5；所述硅基板1的中央形成有刻蚀槽11；所述薄膜材料2包括多个平行架设于所述刻蚀槽11上的薄膜微桥21，所述薄膜微桥21的两端固定于所述刻蚀槽11的侧壁12的顶面上；所述加热器3设置于所述薄膜微桥21上，所述加热器3用于产生热量并将热量经所述薄膜微桥21传导至所述侧壁12；所述导电支臂5架设于所述刻蚀槽11上且与所述加热器3接触以将电流传导至所述加热器3，所述加热器3的两端均设有一个所述导电支臂5。所述侧壁12的顶面上及所述加热器3上均设置所述温度传感器4，所述温度传感器4用于采集所述侧壁12及所述加热器3的温度以实现对所述薄膜材料2热导率的测量。
传统的集成电路(IC)或互补金属氧化物半导体(CMOS)等微型电子器件均是基于半导体材料并基于化学刻蚀等工艺制作得到的微型电子器件，所得到的微型电子器件包含蜿蜒型金属导电结构，蜿蜒型金属导电结构设置于微型电子器件中经化学刻蚀所得到的容置槽内，容置槽相互之间存在一定间隙，基于这一点，采用硅基板1作为上述测量装置的基座，并通过化学刻蚀的方式在硅基板上刻蚀出一个刻蚀槽11,多个薄膜微桥21平行设置于刻蚀槽11上以组成薄膜材料2，平行设置的薄膜微桥21相互之间存在一定间隙，此结构也即是复现在容置槽及蜿蜒型金属导电结构的表面覆盖薄膜材料2以对微型电子器件进行封装所得的封装结构；薄膜微桥21的两端固定于刻蚀槽11的侧壁12的顶面上，加热器3设置于薄膜微桥21上，且与每一薄膜微桥21相接触，则加热器3所产生的热量会均匀分摊至每一薄膜微桥21上并进一步传导至侧壁12，设置于加热器3两端的两个导电支臂5均接触加热器3的端部以将电流传导至加热器3，在侧壁12的顶面及加热器3上均设置有温度传感器4，温度传感器4可采集侧壁12及加热器3的温度，基于所采集到的温度值即可测量得到薄膜材料2的热导率。
具体的，在对薄膜材料2的热导率进行测量的过程中，为增加测量的精确性，需使用至少两个上述测量装置。根据能量守恒定律，一个测量装置中加热器3所产生的热量可采用以下公式进行表示：
P＝(GA+GR+GF+GB)ΔTh；ΔTh＝(Th-Ts) (1)；
其中，P为加热器3的加热功率，Th为所采集到的加热器3的温度值，Ts为所采集到的硅基板1的侧壁12的温度值，GA为导电支臂5的导热损失，GB为薄膜材料2的导热损失，GR为测量装置的热辐射，GF为测量装置的自由对流热损失。则两个测量装置的薄膜微桥21之间的导热损失差值可采用以下公式进行表示：
Figure BDA0002366428440000061
其中GB为第一测量装置的薄膜材料2的导热损失，GB T为第二测量装置的薄膜材料2的导热损失，T为第二测量装置的标记信息；由于第一测量装置及第二测量装置的结构区别仅在于薄膜材料2的具体结构，因此GA-GA T、GR-GR T及GF-GF T均可记为零，对公式(2)进行简化后得到以下公式：
Figure BDA0002366428440000071
由于薄膜材料2的导热损失可进一步表示为以下公式：
Figure BDA0002366428440000072
结合公式(3)及公式(4)最终得到薄膜材料2的热导率计算公式如以下公式
所示：
Figure BDA0002366428440000073
其中，ΔD为所述第一测量装置中薄膜材料2与所述第二测量装置中薄膜材料2之间的厚度差，W为所述薄膜微桥21的宽度，L为所述薄膜微桥21上所设置的加热器3与刻蚀槽11的侧壁12之间的间距。
在更具体的实施例中，所述薄膜材料2的两端均设有一个所述温度传感器4，两个所述温度传感器4均与所述薄膜微桥21相垂直。可在薄膜材料2的某一端设置一个温度传感器4，以通过该温度传感器4获取薄膜材料2一端的侧壁12的温度值。还可在薄膜材料2的两端分别设置一个与薄膜微桥21垂直的温度传感器4，与薄膜微桥21垂直的温度传感器4可更准确地测量侧壁12的平均温度值，通过两个温度传感器4所测得的温度值分别计算得到对应的两个热导率值，对两个热导率值进行平均得到薄膜材料2的热导率，可提高测量所得到的热导率的精确性，图3为本发明的薄膜热导率的测量装置的局部结构图，温度传感器4的具体设置方式如图3所示。
在更具体的实施例中，所述加热器3垂直设置于薄膜微桥21上。加热器3垂直设置于薄膜微桥21上，即可将加热所产生的热量均匀传导至薄膜微桥21，并通过薄膜微桥21将热量均匀传导至侧壁12，以进一步缩小侧壁12局部的温度差，提高温度传感器4对侧壁12的平均温度值进行测量的准确性，以提高测量所得到的热导率的精确性。
在更具体的实施例中，所述加热器3沿所述薄膜微桥21的中轴线进行设置。加热器3可沿薄膜微桥21的中轴线进行设置，则此时薄膜材料2被加热器3左右等分，并可在薄膜材料2的两端分别设置一个温度传感器4，此时将两个温度传感器4分别测得的温度值进行平均，以作为硅基板1两侧壁的温度的平均值，以此提高温度采集的准确性，并提高热导率计算的精确性。
在更具体的实施例中，所述加热器3的两端均设有一个导电支臂5。在加热器3两端分别设置一个导电支臂5，以通过两个导电支臂5将电流从加热器3的一侧输入，从加热器3的另一侧输出，流经加热器3的电流较为微小，一般为几mA。
在更具体的实施例中，所述加热器3为多晶硅微加热器。加热器3为采用多晶硅制作得到的微加热器，由于加热器3所需产生的热功率很小(一般为几mW至几百μW)，采用多晶硅微加热器可方便地对加热器3的加热功率进行调节，以使加热器3保持所需的加热功率产生热量。
在更具体的实施例中，所述薄膜材料2的基材为氧化硅。薄膜材料2的基材选用氧化硅，氧化硅为生产集成电路(IC)或互补金属氧化物半导体(CMOS)等微型电子器件时所需使用的封装材料，因此，使用氧化硅作为薄膜材料2可复现微型电子器件的实际工作过程。
在更具体的实施例中，所述薄膜材料2还包括附着于所述基材的顶面或底面的附着层22，所述附着层22为多晶硅层或金属层。在对微型电子器件进行封装时，通常还在以氧化硅为基材的薄膜材料2上附着一层附着层22，附着层22可附着于基材的顶面或底面，附着层22的长度可与薄膜微桥21的长度相等，附着层22的长度也可仅等于加热器3与刻蚀槽11的侧壁12之间的间距，附着层22的宽度不大于薄膜微桥21的宽度，附着层22可以是多晶硅或金属层，金属层可以是铜金属层、铝金属层、银金属层、金金属层或锡金属层等。优选的，所述附着层22附着于所述基材的顶面，附着层附着于基材的顶面且附着层两侧被基材包裹，这一设置方式即与现有的微型电子器件的生产工艺相同。
图4为本发明的薄膜热导率的测量装置的另一具体实施例的局部结构图，如图4所示，其中测量装置的附着层22的长度与薄膜微桥21的长度相等，且附着层22附着于基材的底面；图5为本发明的薄膜热导率的测量装置的另一具体实施例的局部结构图，如图5所示，其中测量装置的附着层22的长度等于加热器3与刻蚀槽11的侧壁12之间的间距，且附着层22附着于基材的顶面。
在更具体的实施例中，还包括设置于所述薄膜材料2外围的散热器6。具体的，散热器6可由一层或多层金属层堆叠形成，散热器6可进一步提高薄膜微桥21边界的导热损失，以更真实地复现添加散热器的微型电子器件的实际工作过程。
本发明实施例还提供一种薄膜热导率的测量方法，该测量方法应用于至少两个上述的薄膜热导率的测量装置。具体的，请参阅图6，图6为本发明的薄膜热导率的测量方法的流程示意图，如图6所示，所述测量方法包括S110-S130。
S110、将第一预设电流值I1的电流经第一测量装置的导电支臂输入所述第一测量装置的加热器，将第二预设电流值I2的电流经第二测量装置的导电支臂输入所述第二测量装置的加热器；其中，所述第一测量装置中第一薄膜材料的薄膜微桥与所述第二测量装置中第二薄膜材料的薄膜微桥的长度及宽度均相同；所述第一薄膜材料及所述第二薄膜材料均未增加附着层或在所述第一薄膜材料上增加附着层得到所述第二薄膜材料。
S120、根据所述第一测量装置的温度传感器采集所述第一测量装置的加热器的温度值t1与及所述第一测量装置的侧壁的温度值t2，根据所述第二测量装置的温度传感器采集所述第二测量装置的加热器的温度值t3与及所述第二测量装置的侧壁的温度值t4。
S130、根据公式
Figure BDA0002366428440000101
计算得到所述第一薄膜材料或所述附着层的热导率λ1，其中，ΔD为所述第一测量装置中薄膜材料与所述第二测量装置中薄膜材料之间的厚度差，W为所述薄膜微桥或所述附着层的宽度，L为所述薄膜微桥上所设置的加热器与刻蚀槽的侧壁之间的间距，R1为所述第一测量装置中加热器的电阻值，R2为所述第二测量装置中加热器的电阻值。
由于第一薄膜材料与第二薄膜材料的基材均相同，若第一薄膜材料及所述第二薄膜材料均未增加附着层，则测量得到的热导率为第一薄膜材料的基材的热导率；若在第一薄膜材料上增加附着层得到第二薄膜材料，则测量得到的热导率为该附着层的热导率。
因此根据公式(6)：P＝I2×R，可知在电阻一定的情况下，加热器的功率与流经其的电流的平方成正比，基于上述公式，根据流经第一测量装置中加热器的第一预设电流值I1及流经第二测量装置中加热器的第二预设电流值I2，即可确定I1 2×R1即为第一测量装置中加热器的加热功率，I2 2×R2即为第二测量装置中加热器的加热功率。
例如，若第一薄膜材料及所述第二薄膜材料均未增加附着层，第一薄膜材料中基材的厚度为1.22μm，第二薄膜材料中基材的厚度为2.7μm，则此时ΔD＝1.48μm，W＝20μm(10个微桥)，L＝56μm，第一薄膜材料对应的测量装置中加热器与刻蚀槽的侧壁之间的温度差(t1-t2)为48.68K，其加热器的输入电流为1.5mA，加热功率为0.966mW；第二薄膜材料对应的测量装置中加热器与刻蚀槽的侧壁之间的温度差(t3-t4)为34.50K，其加热器的输入电流为1.5mA，加热功率为0.926mW，根据上述公式即可计算得到基材(氧化硅)的热导率λ1＝1.32W/(mK)。若在第一薄膜材料上增加附着层得到第二薄膜材料，第一薄膜材料中基材的厚度为1.22μm，在第一薄膜材料的基材的顶面附着金属铝层得到第二薄膜材料，金属铝层的厚度为0.2μm，金属铝层的宽度及长度均与薄膜微桥相等，则第二薄膜材料的总体厚度为1.44μm，此时ΔD＝0.2μm，W＝20μm，L＝56μm，第一薄膜材料对应的测量装置中加热器与刻蚀槽的侧壁之间的温度差(t1-t2)为48.68K，其加热器的输入电流为1.5mA，加热功率为0.966mW；第二薄膜材料对应的测量装置中加热器与刻蚀槽的侧壁之间的温度差(t3-t4)为12.04K，其加热器的输入电流为1.5mA，加热功率为0.858mW，根据上述公式即可计算得到金属铝层的热导率λ2＝71.98W/(mK)。
本发明公开的薄膜热导率的测量装置及测量方法，采用硅基板作为测量装置的基座，多个薄膜微桥平行架设于刻蚀槽上以组成测量微结构装置，以复现微型电子器件的实际工作过程，以此测量得到微型电子器件工作过程中薄膜材料的热导率。本发明的薄膜热导率的测量装置及测量方法，可在复现微型电子器件的实际工作过程的情况下，对薄膜材料的热导率进行精准测量，以将测量结果作为对薄膜材料进行实际应用的准确参考，解决了传统测量装置对薄膜材料的热导率进行测量时存在的测量不准确的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种薄膜热导率的测量装置，其特征在于，包括：硅基板、薄膜材料、加热器、温度传感器及导电支臂；
所述硅基板的中央形成有刻蚀槽；
所述薄膜材料包括多个平行架设于所述刻蚀槽上的薄膜微桥，所述薄膜微桥的两端固定于所述刻蚀槽的侧壁的顶面上；
所述加热器设置于所述薄膜微桥上，所述加热器用于产生热量并将热量经所述薄膜微桥传导至所述侧壁；
所述导电支臂架设于所述刻蚀槽上且与所述加热器接触以将电流传导至所述加热器，所述加热器的两端均设有一个所述导电支臂；
所述侧壁的顶面上及所述加热器上均设置所述温度传感器，所述温度传感器用于采集所述侧壁及所述加热器的温度以实现对所述薄膜材料热导率的测量。
2.如权利要求1所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述薄膜材料的两端均设有一个所述温度传感器，两个所述温度传感器均与所述薄膜微桥相垂直。
3.如权利要求1所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述加热器垂直设置于所述薄膜微桥上。
4.如权利要求2或3所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述加热器沿所述薄膜微桥的中轴线进行设置。
5.如权利要求1所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述加热器为多晶硅微加热器。
6.如权利要求1、2、3或5任一项所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述薄膜材料的基材为氧化硅。
7.如权利要求6所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述薄膜材料还包括附着于所述基材的顶面或底面的附着层。
8.如权利要求7所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述附着层为多晶硅层或金属层。
9.如权利要求1、2、3或5任一项所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，还包括设置于所述薄膜材料外围的散热器。
10.一种薄膜热导率的测量方法，所述测量方法应用于至少两个如权利要求1-9任一项所述的薄膜热导率的测量装置，其特征在于，所述测量方法包括：
将第一预设电流值I1的电流经第一测量装置的导电支臂输入所述第一测量装置的加热器，将第二预设电流值I2的电流经第二测量装置的导电支臂输入所述第二测量装置的加热器；其中，所述第一测量装置中第一薄膜材料的薄膜微桥与所述第二测量装置中第二薄膜材料的薄膜微桥的长度及宽度均相同；所述第一薄膜材料及所述第二薄膜材料均未增加附着层或在所述第一薄膜材料上增加附着层得到所述第二薄膜材料；
根据所述第一测量装置的温度传感器采集所述第一测量装置的加热器的温度值t1与及所述第一测量装置的侧壁的温度值t2，根据所述第二测量装置的温度传感器采集所述第二测量装置的加热器的温度值t3与及所述第二测量装置的侧壁的温度值t4；
根据公式
Figure FDA0002366428430000021
计算得到所述第一薄膜材料或所述附着层的热导率λ1，其中，ΔD为所述第一测量装置中薄膜材料与所述第二测量装置中薄膜材料之间的厚度差，W为所述薄膜微桥或所述附着层的宽度，L为所述薄膜微桥上所设置的加热器与刻蚀槽的侧壁之间的间距，R1为所述第一测量装置中加热器的电阻值，R2为所述第二测量装置中加热器的电阻值。
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