CN115825152A - 一种测量薄膜微纳尺度下热导率的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量薄膜微纳尺度下热导率的测量结构，测量结构包括一体化的晶片与薄膜、绝缘层、加热测温器。其中薄膜是在同质外延晶片上刻蚀形成，具有较高的晶格质量，使测量结果更接近于真实晶格热导率。薄膜上具有一排镂空微纳米缝，两缝之间的微纳米桥作为传热通道，通过改变微纳米桥的宽度实现对传热尺度的控制。绝缘层和加热测温器依次直接沉积在被测薄膜上，使得接触热阻大大降低，减少了接触热阻带来的测量误差。同时，不需要再将薄膜样品转移到加热测温器上进行测量，简化了操作流程。采用铂、铜铬合金等热电阻作为加热测温器，在真空条件下具有较高的测量精度。

Description

一种测量薄膜微纳尺度下热导率的结构及方法

技术领域

本发明涉及微纳尺度热传导技术，具体涉及一种利用一维稳态热传导和热电阻来测量薄膜微纳尺度下热导率的结构及方法。

背景技术

在小型化发展过程中，纳米电子器件的散热和热设计已经成为半导体行业需要面对的主要挑战之一。其中一个原因是随着电子器件的小型化，器件的特征长度已被压缩到100 nm以下，这与能量载流子（声子和电子）的平均自由程相当。在这个尺度上，像傅立叶定律这样的连续介质定律就会崩溃。这些声子会在边界或界面上发生更多的散射，热输运会受到很强的抑制。这样材料热导率降低，热量的积累增多就会导致设备寿命缩短，甚至造成电气和机械故障。因此，更好地理解微纳米器件的热物性，尤其是在微纳尺度上精确测量半导体薄膜结构的温度和热导率，对促进电子器件热应力和热管理设计的优化，提高电子器件能源使用效率具有重要意义。

测量薄膜微纳尺度热导率需要实现两个条件：一个是实现微纳尺度下的热传输，另一个是对这个尺度下的热导率进行测量。目前的光学测量方法实现微纳尺度热传输的方式包括改变：加热光斑大小、热光栅周期、激光加热深度、吸收光能的金属尺寸等。其传热尺度不够精确，或实现起来加工难度很大。并且光学法对光学信号的处理以及将其转变为热导率的过程是比较复杂的，测量结果也不够准确。一般的电学法需要将薄膜样品加工好后转移到测量器上，样品和测量器之间的接触热阻占实验所得到的总热阻的比例可达到30%—40%，带来较大的测量误差。另外，薄膜单独加工可能会引起薄膜质量的不稳定，较差的薄膜晶格质量会导致测量结果不具有代表性。因此设计一种薄膜晶格质量高、传热尺度容易实现和控制、测量误差小的一体化薄膜微纳尺度热导率测量结构是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量薄膜微纳尺度下热导率的结构及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，采用轴对称设计，包括一体化的晶片与薄膜、绝缘层与加热测温器，其中：

薄膜是在同质外延晶片上刻蚀形成，薄膜下方是被刻蚀出来的空腔使薄膜自支撑于晶片上，薄膜中间还具有一排经刻蚀形成的长方形镂空微纳米缝，两缝之间的微纳米桥作为传热通道，通过改变微纳米桥的宽度实现对传热尺度的控制；绝缘层和加热测温器依次沉积在薄膜上的长方形镂空微纳米缝两侧，两个加热测温器之间的薄膜为测量部分，加热测温器之外的薄膜为支撑部分。

进一步的，所述薄膜为硅、氮化镓或二氧化硅。

进一步的，所述薄膜厚度h = 80 ~ 200 nm。

进一步的，所述长方形镂空微纳米缝的缝隙周期排布，相邻两缝隙之间的距离为一个周期长度c，周期长度c = 2 ~ 5 μm。

进一步的，所述微纳米桥的宽度w = 10 nm ~ 2 μm，w就是传热尺寸，其值根据所需测量的传热尺度进行调整，当w = c时，测出的热导率为不含微纳米缝的薄膜体热导率；微纳米桥的长度b = 1 μm。

进一步的，所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅。

进一步的，所述加热测温器的材料为铂或铜铬合金，加热测温器为长条形，每个加热测温器有四条引线，引线在微纳米缝两侧也呈平行分布，引线末端为A/B/C/D四个焊盘用于连接外部测量电路。

进一步的，若被测薄膜为绝缘材料，则去除绝缘层直接沉积加热测温器。

进一步的，测量结构的制备通过以下步骤实现：

步骤1，在晶片上同质外延生长相同材料的薄膜，到具有较高的薄膜晶格质量为止；

步骤2，从薄膜上方向下刻蚀一排微纳米槽；

步骤3，从微纳米槽底部水平向四周刻蚀成悬空区域，从而使上方未被刻蚀的部分形成薄膜原微纳米槽在薄膜上留下镂空微纳米缝隙；

步骤4，在微纳米缝隙两侧依次沉积绝缘层和加热测温器。

一种用于测量薄膜微纳尺度下热导率的方法，基于所述的测量结构，测量薄膜微纳尺度下的热导率，具体步骤如下：

步骤1，标定加热测温器的电阻温度曲线：控制环境温度在不同标准值下，测量两条加热测温器的电阻，从而标定电阻随温度变化曲线；

步骤2，测量薄膜支撑部分的热导G_h：向两条加热测温器通以相同的加热电流，由于结构的对称性，两个加热测温器的温度和加热功率相同，测出两个加热测温器的功率P₀和温度T_h0，通过下式计算G_h

步骤3，对含有微纳米缝的薄膜进行热导率测量：向第一条加热测温器通以加热电流，向第二条加热测温器通以测温电流，测出加热功率P₁和两个加热测温器的温度T_h1与T_m1，通过下式计算通过薄膜支撑部分扩散到晶片的热通量Q_h；

则通过微纳米桥扩散到另一侧的热通量为Q_s = P₁－ Q_h，含微纳米缝薄膜的热导 率

，其中b为微纳米桥的长度，A_s为微纳米桥的总横截面积；

步骤4，取两个方向热导率的平均值：向第二条加热测温器通以相同的加热电流，向第一条加热测温器通以相同的测温电流，使热流相反求出热导率，最终取两个方向热导率的平均值，即得最终测量结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）薄膜样品是在同质外延晶片上刻蚀形成，薄膜与晶片为一体，不需要转移样品，薄膜的晶格质量高。2）加热测温器直接沉积于薄膜样品之上，大大降低了接触热阻带来的误差。而且加热测温器为细长的线型，测得的温度在空间上更准确。3）测量结构是平行对称的，两侧的加热测温器均可实现加热和测温。可方便地更换传热方向，使用正反两个方向测出的平均值以减少测量误差。4）通过改变微纳米桥的宽度可以方便精准地控制热传输的尺度。

附图说明

图1为本发明去掉一侧加热测温器并剖切后的局部剖面透视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的全局立体图；

图4为本发明测量κ时的原理图

图5为本发明测量G_h时的原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，一种测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，采用对称设计，包括一体化的晶片与薄膜、绝缘层与加热测温器。薄膜是在同质外延晶片上刻蚀形成，薄膜下方是被刻蚀出来的空腔使薄膜自支撑于原先的晶片上。薄膜上还具有一排经刻蚀形成的长方形镂空微纳米缝，两缝之间的微纳米桥作为传热通道，通过改变微纳米桥的宽度实现对传热尺度的控制。绝缘层和加热测温器依次沉积在薄膜上的微纳米缝两侧，两个加热测温器之间的薄膜为测量部分，加热测温器之外的薄膜为支撑部分。若被测薄膜为绝缘材料可去除绝缘层直接沉积加热测温器。

所述薄膜在微纳米缝两侧的边界为平行的两条直线，所述微纳米缝位于薄膜中间，其到两侧薄膜边界的距离相等且与边界平行。所述薄膜为硅、氮化镓、二氧化硅等晶体材料，厚度优选为h = 80 ~ 200 nm。

所述微纳米缝为周期结构，相邻两缝之间的距离为一个周期长度c。周期长度选择为一个固定值，优选地c = 2 ~ 5 μm。所述两缝之间的微纳米桥，在一个周期内仅有一个。微纳米桥的宽度为w，优选地w = 10 nm ~ 2 μm。w就是传热尺寸，其值根据所需测量的传热尺度进行调整。当w = c时，测出的热导率为不含微纳米缝的薄膜体热导率。微纳米桥的长度为b，优选地b = 1 μm。

所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅等绝缘材料。

所述加热测温器的材料为铂、铜铬合金等热电阻材料。加热测温器为长条形，在微纳米缝两侧各有一个并且关于微纳米缝平行对称，起到加热和测温的作用，优选地其长宽比不小于50。每个加热测温器有四条引线，引线在微纳米缝两侧也呈平行分布，引线末端为A/B/C/D四个焊盘用于连接外部测量电路。

如图4所示，测量结构原理基于一维稳态传热模型。若对下方加热测温器通以一定的加热电流使得其加热功率为P，此加热电流所产生的焦耳热会向上下两个方向传导。通过微纳米桥扩散到另一侧的热通量为Q_s，通过薄膜支撑部分扩散到晶片的热通量为Q_h，P =Q_s + Q_h。微纳米桥的长度为b，总横截面积为A_s = nhw。通加热电流的加热测温器的温度记为T_h，不通加热电流的加热测温器的温度记为T_m。晶片相较于薄膜是一个巨大的热沉，热量传递到薄膜边缘就迅速地消失在这个热沉中。因此，薄膜边缘可以看成是恒温的，其温度T₀与环境温度相同。此时，含微纳米桥薄膜的热导率κ可由式(1)表示。

(1)

(2)

本发明还提出一种测量结构的制备方法，实现步骤如下：

1）在晶片上同质外延生长相同材料的薄膜，到具有较高的薄膜晶格质量为止。

2）从薄膜上方向下刻蚀一排微纳米槽。

3）从微纳米槽底部水平向四周刻蚀成悬空区域，从而使上方未被刻蚀的部分形成薄膜原微纳米槽在薄膜上留下镂空微纳米缝隙。

4）在微纳米缝隙两侧依次沉积绝缘层和加热测温器。

一种测量薄膜微纳尺度下热导率的方法，实现步骤如下：

首先，需要标定加热测温器的电阻温度曲线。控制环境温度在不同标准值下，测量两条加热测温器的电阻，从而标定电阻随温度变化曲线。

随后，测量薄膜支撑部分的热导G_h。如图5所示，向A1/D1和A2/D2通以相同的加热电流。由于结构的对称性，两个加热测温器的温度和加热功率相同。测出B1/C1和B2/C2的电压从而获得两个加热测温器的功率P和温度T_h，此时Q_h = P，由式(2)求出G_h。

最后，对含有微纳米缝的薄膜进行热导率测量。如图4所示，向A2/D2通以较大的加热电流，向A1/D1通以很小的测温电流，测温电流产生的焦耳热可忽略不计。测出B1/C1和B2/C2的电压从而获得加热功率P和两个加热测温器的温度T_h与T_m。由式(2)可求出Q_h，因此Q_s = P － Q_h，再由式(1)求出含微纳米缝薄膜的热导率κ。

另外反过来对A1/D1通以相同的加热电流，对A2/D2通以相同的测温电流，使热流相反求出热导率，最终取两个方向热导率的平均值。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验。

本实施例所测薄膜为氮化镓，厚度h = 100 nm，微纳米桥宽度w = 100 nm，微纳米桥长度b = 1 μm，加热测温器之间含有100个周期的微纳米缝。加热测温器材料为铂电阻，其在-200 ℃ ～ 0 ℃内的电阻温度特性为：

R_t = R₀ (1 + at + bt²) (3)

其中，R_t为加热测温器测温时的电阻，R₀为加热测温器在0℃测出的电阻，t为加热测温器测温时的温度，a和b为热电阻系数。

首先，标定铂电阻的电阻温度曲线。将环境温度分别调至0、-50、-100 ℃，此时加热测温器没有通加热电流，其温度与环境温度相等。分别测得加热测温器的电阻R₀ = 100Ω、R_-50 = 80 Ω、R_-100 = 57.9 Ω，代入式(3)可求出a = 3.9684×10^-3，b = -5.847×10^-7。则式(3)可写成：

R_t = 100× (1 + 3.9684×10^-3 × t −5.847×10^-7 × t²) (4)

随后，测量薄膜支撑部分的热导G_h。将环境温度调为-100 ℃，此时T₀ = -100 ℃。如图5所示，对两个加热测温器同时通以P = 0.1 mW的加热功率，则Q_h = P = 0.1 mW。测得两个加热测温器的电阻均为R_t1 = R_t2 = 67.5171 Ω，由式(4)计算得T_h = t₁ = t₂ = -80.8898 ℃。由式(2)求出G_h = 5.2328×10^-6 W/K。

最后，测量含微纳米缝的薄膜的热导率。如图4所示，对下方加热测温器通以P =0.2 mW的加热功率，测得此加热测温器和另一个加热测温器的电阻分别为R_t1 = 67.6697Ω和R_t2 = 67.3645 Ω。由式(4)计算得T_h = t₁ = -80.5141 ℃，T_m = t₂ = -81.2654 ℃。由式(2)求出Q_h = 0.1020 mW，则Q_s = P － Q_h = 0.0980 mW。A_s = nhw = 1 μm²，将上述数据代入式(1)可求出κ₁ = 130.488 W/m·k。

再对上方加热测温器通以P = 0.2 mW的加热功率，使用同样步骤求出反方向的热导率为κ₂ = 130.036 W/m·k。则本实验中厚度为100 nm的氮化镓薄膜在100 nm尺度下的热导率为κ = (κ₁ + κ₂)/2 = 130.262 W/m·k。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，采用轴对称设计，包括一体化的晶片与薄膜、绝缘层与加热测温器，其中：

薄膜是在同质外延晶片上刻蚀形成，薄膜下方是被刻蚀出来的空腔使薄膜自支撑于晶片上，薄膜中间还具有一排经刻蚀形成的长方形镂空微纳米缝，两缝之间的微纳米桥作为传热通道，通过改变微纳米桥的宽度实现对传热尺度的控制；绝缘层和加热测温器依次沉积在薄膜上的长方形镂空微纳米缝两侧，两个加热测温器之间的薄膜为测量部分，加热测温器之外的薄膜为支撑部分。

2.根据权利要求1所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，所述薄膜为硅、氮化镓或二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，所述薄膜厚度h = 80 ~ 200 nm。

4.根据权利要求1所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，所述长方形镂空微纳米缝的缝隙周期排布，相邻两缝隙之间的距离为一个周期长度c，周期长度c = 2~ 5 μm。

5.根据权利要求1所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，所述微纳米桥的宽度w = 10 nm ~ 2 μm，w就是传热尺寸，其值根据所需测量的传热尺度进行调整，当w= c时，测出的热导率为不含微纳米缝的薄膜体热导率；微纳米桥的长度b = 1 μm。

6.根据权利要求1所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅。

7.根据权利要求1所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，所述加热测温器的材料为铂或铜铬合金，加热测温器为长条形，长宽比不小于50，每个加热测温器有四条引线，引线在微纳米缝两侧也呈平行分布，引线末端为A/B/C/D四个焊盘用于连接外部测量电路。

8.根据权利要求1所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，若被测薄膜为绝缘材料，则去除绝缘层直接沉积加热测温器。

9.根据权利要求1~8所述的测量薄膜微纳尺度下热导率的结构，其特征在于，制备通过以下步骤实现：

步骤1，在晶片上同质外延生长相同材料的薄膜，到具有较高的薄膜晶格质量为止；

步骤2，从薄膜上方向下刻蚀一排微纳米槽；

步骤3，从微纳米槽底部水平向四周刻蚀成悬空区域，从而使上方未被刻蚀的部分形成薄膜原微纳米槽在薄膜上留下镂空微纳米缝隙；

步骤4，在微纳米缝隙两侧依次沉积绝缘层和加热测温器。

10.一种测量薄膜微纳尺度下热导率的方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的结构，测量薄膜微纳尺度下的热导率，具体步骤如下：

步骤1，标定加热测温器的电阻温度曲线：控制环境温度在不同标准值下，测量两条加热测温器的电阻，从而标定电阻随温度变化曲线；

步骤2，测量薄膜支撑部分的热导G_h：向两条加热测温器通以相同的加热电流，由于结构的对称性，两个加热测温器的温度和加热功率相同，测出两个加热测温器的功率P₀和温度T_h0，通过下式计算G_h

；

步骤3，对含有微纳米缝的薄膜进行热导率测量：向第一条加热测温器通以加热电流，向第二条加热测温器通以测温电流，测出加热功率P₁和两个加热测温器的温度T_h1与T_m1，通过下式计算通过薄膜支撑部分扩散到晶片的热通量Q_h；

；

则通过微纳米桥扩散到另一侧的热通量为Q_s = P₁－ Q_h，含微纳米缝薄膜的热导率

，其中b为微纳米桥的长度，A_s为微纳米桥的总横截面积；

步骤4，取两个方向热导率的平均值：向第二条加热测温器通以相同的加热电流，向第一条加热测温器通以相同的测温电流，使热流相反求出热导率，最终取两个方向热导率的平均值，即得最终测量结果。

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