CN111289562A - 一种薄层热阻测试探针的结构及测试方法 - Google Patents

一种薄层热阻测试探针的结构及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种薄层热阻测试探针的结构及测试方法，属于半导体材料及器件的电学和热学测试技术领域。所述热测试探针结构包括：探头芯片及封装结构。其中：探头芯片包括由多个二极管串联及并联组成的温度探头，掺杂多晶硅图形构成的微加热器，引线电极及半导体衬底材料；封装结构包括用于固定探头芯片和引出电极的基板和用于移动探头芯片及施加压力的弹簧支撑结构。本发明设计了一种采用双面工艺的Si基测温探头芯片组成的薄层热阻测试探针结构，采用加热源与测量源分离的结构设计，能够实现加热状态和测量状态同时进行，不存在开关延迟，可以对半导体芯片及薄层材料实现非开关式的热阻测量。

Description

一种薄层热阻测试探针的结构及测试方法
技术领域：
本发明公开了一种薄层热阻测试探针的结构及测试方法，属于半导体材料及器件的电学和热学测量技术领域。所述结构包括：芯片结构及封装结构。
背景技术：
随着热阻测试朝向微观领域及精细化的方向发展，器件级热阻的测量已经不能满足部分器件在可靠性上的研究，不同材料在生长过程中存在的界面热阻及材料本身的体热阻等精细结构热阻已经愈发成为关注的焦点。相对于体材料具有良好的致密性和完整性，异质材料界面往往受到由于晶格失配和生长工艺限制引发材料缺陷增加、声子失配等现象，从而导致材料界面的总热阻远高于预期值，影响器件整体的散热性能，成为制约异质材料器件发展的关键因素。由于这种界面热阻在物理结构上仅有几十至几百纳米的厚度，相较于其他器件级热阻而言，热容极小，热时间常数仅为几十至几百纳秒。传统热阻测量通常利用半导体器件内部的寄生二极管等结构作为温度传感器采集温度随时间的变化，通过开关式方法进行测量。但是由于加热阶段和测量阶段之间半导体器件电学状态不同，往往存在微秒级的开关延迟时间。这种延迟导致这段时间内的温度信息无法提取，最后得到的热阻结构不完整。因此这种开关式的测量方式已经不适用于精细结构的热可靠性分析。而光学法测量往往需要庞大而昂贵的光学设备，而且由于材料和测量原理的限制，被测样品往往需要经过特殊制备。
发明内容：
本发明的目的在于，为了解决上述问题，设计一种薄层热阻测试探针。这种测试探针可以实现加热状态和测量状态分离的非开关式的热阻测量。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种采用双面工艺设计的温度探头芯片，这种探针芯片采用加热源与测量源分离的结构。加热源为掺杂多晶硅、金属线或掺杂硅组成的微加热器；测量源为由多个二极管串联及并联组成的温度探头；设计一层均热层从而实现热流的均匀分布；测量源的电极由通孔在加热源一侧引出，或由台面结构在测量源四周引出，通过平整化工艺，保证温度探头部分表面平整，没有异物干扰；测量时将这种薄层热阻测试探针的温度探头一侧紧贴于被测材料表面。在通过特殊的封装形式，最终组成薄层热阻测试探针实现对半导体材料及芯片的薄层热阻测量。
这种薄层热阻测试探针的优势在于，1.加热状态和测量状态在电学测量和物理结构上完全分离，可以实现非开关式的热阻测量；2.测量源一侧温度探头部分表面平整，无引线电极的影响，可紧贴于被测材料表面，减少其他材料引入的测量误差。3.对测量源部分进行优化设计，采用多个二极管串联的方式，提高二极管探头对温度的敏感性和信噪比，从而能够精确捕捉到更加细微的温度变化。4.不受被测样品材料和结构的限制，适用范围广；
一种薄层热阻测试探针的结构设计，其特征在于：
该薄层热阻测试探针300的结构主体包括有：探针芯片结构100、封装结构200；
所述探针芯片结构100包括：101：衬底材料；102：测量源；103：加热源；104：均热层；
所述封装结构200包括：201：基板；202：弹簧支撑结构；
应用上述结构组成的薄层热阻测试探针结构，其特征在于：
薄层热阻测试探针300由探针芯片100和封装结构200共同组成，中间由绝热材料粘合；探针芯片200由衬底材料101、测量源102、加热源103、均热层104共同组成；封装结构200由基板201、弹簧支撑结构202共同组成；测量源102为多个二极管串联及并联组成的温度探头，多个二极管的串联能够有效提高温度探头的信噪比；加热源103为由掺杂多晶硅、金属线或掺杂硅组成的微加热器，微加热器由焦耳效应产生稳定热功率；均热层104为一层热导率＞100W/mK的高热导率材料组成，当加热源103产生的热流纵向经过均热层104直至测试源103，使被测材料均匀加热；基板201用于固定探针芯片100，并将探针芯片100电极引出；弹簧支撑结构202用于连接基板201，与探针芯片共同组成薄层热阻测试探针结构；
该测量方法主体包括有：300：薄层热阻测试探针；400：被测样品；500：测量系统；
应用上述薄层热阻测试探针结构测量半导体材料薄层热阻的方法，其特征在于：
测量时，将薄层热阻测试探针300紧贴于被测材料400一侧表面，测量系统500与薄层热阻测试探针300连接；通过计算机软件设置测量系统500 为薄层热阻测试探针300的加热源103提供加热功率W1，测量源102提供恒定的测量电流I1；同时测量系统会实时采集测量源102电压V1随时间的变化；由测量源102电压V1与温度的关系，可以得到温度随时间变化曲线T-t；经过相应算法处理，可以得到被测材料的热阻结构。
附图说明：
图1是薄层热阻测试探针的结构示意图；
其中，100：探头芯片；101：衬底结构；102：测量源；103：加热源； 104：均热层；200：封装结构；201：基板；202：弹簧支撑结构；
图2是薄层热阻测试探针的测量示意图；
其中，300：薄层热阻测试探针；400：被测样品；500：测量系统；
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：
如图1所示一种薄层热阻测试探针的结构示意图，包括，100：探头芯片； 101：衬底结构；102：测量源；103：加热源；104：均热层；200：封装结构； 201：基板；202：弹簧支撑结构；
所述的探头芯片100由测量源102、加热源103及均热层104在半导体衬底材料101上，经过光刻、离子注入和光刻等半导体工艺制作而成；
所述测量源102由多个二极管串联及并联组成一个温度探头，总芯片面积约为1.5mm×1.5mm。其中每个二极管正向结压降随温度的变化约为2mV/℃，当10个二极管串联时，正向结压降的变化幅度可达到20mV/℃，极大的提高温度探头随温度的变化幅度，从而捕捉微小的温度变化信息，提高温度探头信噪比；通过硅通孔或刻蚀台面等工艺引出引线电极，保证温度探头部分表面平整，可紧贴于被测样品表面，提高测试精度；
所述加热源103为经过掺杂多晶硅、金属线或掺杂硅得到的微加热器；通过相应的图形设计，可以使产生热流在测量源一侧形成均匀的温度分布；
所述均热层104为一层50微米的高热导率金属层组成，位于加热源103 与衬底结构101之间，可进一步实现热流的均匀分布；
所述封装结构200由基板201和弹簧支撑结构202组成，固定探头芯片，用于探头芯片移动及施加相应压力等操作，并连接探头芯片电极，用于测量时施加电学信号；
所述基板201用于固定探头芯片100；探头芯片100加热源一侧焊接在基板201相应位置，探头芯片100与基板201之间由热导率极低的绝热材料填充，减少加热源一侧的散热；同时，探头芯片所用电极引出由基板引出，便于测量时施加电学信号；
所述弹簧支撑结构202连接基板201另一侧，与基板201和探头芯片100 共同组成薄层热阻测试探针300；使用时由相应的机械系统控制薄层热阻测试探针300进行相应的热阻测量；
图2是薄层热阻测试探针的测量方法示意图；包括，300：薄层热阻测试探针；400：被测样品；500：测量系统；
所述应用薄层热阻测试探针进行的热阻测量方法为：将被测样品固定在具有恒温功能的载物台上，控制机械系统移动薄层热阻测试探针，设定压力值并紧贴于被测样品表面；设置载物台温度为T1；通过测量系统500设置电流I1，施加于测量源102两端，并采集测量源102两端电压V1；在某一时刻 t0开始，在加热源103两端施加恒定功率W，使薄层热阻测试探针300加热被测样品400，同时实时采集测量源102两端电压，可以得到测量源102两端电压随时间的变化曲线V-t；由于测量源102两端电压与温度严格相关(约 20mV/℃)，通过测量源102两端电压与温度的关系可以计算出测量源102温度随时间的变化曲线T-t；通过已有结构函数算法处理曲线T-t，可以得到被测样品的热阻结构。

Claims (6)

1.一种薄层热阻测试探针的结构，包括探头芯片及封装结构，其特征在于：所述探头芯片是一个采用双面工艺设计的Si基半导体芯片，探头芯片下侧为测量源结构，中间为半导体Si基衬底材料，上侧为加热源结构，加热源与Si基衬底材料之间另有一层均热层；探头芯片的加热源一侧与封装结构中的基板连接，并由基板引出探头芯片电极；所述封装结构包括用于固定探头芯片和引出电极的基板，及用于施加压力的弹簧支撑结构；测量源由不少于两个PN结结构串联及并联组成，测量源电极通过Si通孔工艺由加热源一侧引出，或通过台面工艺由测量源四周引出。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：
所述探头芯片与封装结构之间的连接结构为热导率＜0.01W/mK的材料。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：
所述加热源为掺杂多晶硅、金属或掺杂硅。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：
所述加热源面积大于所述测量源面积。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：
所述均热层热导率＞100W/mK，其面积大于加热源面积。
6.应用如权利要求1所述结构的方法，其特征在于：将被测样品固定在具有恒温功能的载物台上，控制机械系统移动薄层热阻测试探针，设定压力值并紧贴于被测样品表面；设置载物台温度为T1；通过测量系统设置电流I1，施加于测量源两端，并采集测量源两端电压V1；在某一时刻t0开始，在加热源两端施加恒定功率W，使薄层热阻测试探针加热被测样品，同时实时采集测量源两端电压，得到测量源两端电压随时间的变化曲线V-t；通过测量源两端电压与温度的关系计算出测量源温度随时间的变化曲线T-t；通过相应算法处理曲线T-t，得到被测样品的热阻结构。
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