JP2570478B2 - 薄膜熱伝導率測定方法 - Google Patents
薄膜熱伝導率測定方法Info
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- JP2570478B2 JP2570478B2 JP2207871A JP20787190A JP2570478B2 JP 2570478 B2 JP2570478 B2 JP 2570478B2 JP 2207871 A JP2207871 A JP 2207871A JP 20787190 A JP20787190 A JP 20787190A JP 2570478 B2 JP2570478 B2 JP 2570478B2
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- thin film
- thermal conductivity
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板上に形成された薄膜材料の熱伝導率を
測定する方法に関するものである。
測定する方法に関するものである。
従来、基板上に形成された薄膜材料の熱伝導率や温度
伝導率（熱拡散率）の測定法としては、光交流法（八田
ら，固体物理,21（５）,1986,29.），ヒートパルス法
（L.J.ボルトナー，ジャーナル・アプライド・フィジッ
クス,61（９）,1987,4452.），放射冷却法（小野ら，ジ
ャパニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジックス,2
5,1986,L808.）などが知られている。光交流法は短冊状
試料の一部分を光照射により交流的に加熱し、加熱部分
から離れた点での温度応答の観測により薄膜試料の温度
伝導率を測定する方法である。
伝導率（熱拡散率）の測定法としては、光交流法（八田
ら，固体物理,21（５）,1986,29.），ヒートパルス法
（L.J.ボルトナー，ジャーナル・アプライド・フィジッ
クス,61（９）,1987,4452.），放射冷却法（小野ら，ジ
ャパニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジックス,2
5,1986,L808.）などが知られている。光交流法は短冊状
試料の一部分を光照射により交流的に加熱し、加熱部分
から離れた点での温度応答の観測により薄膜試料の温度
伝導率を測定する方法である。
ヒートパルス法は短冊試料上に加熱源及び温度センサ
をある距離をもって形成し、試料をパルス的に加熱した
ときの温度観測点における温度応答より試料の熱伝導率
を測定する方法である。
をある距離をもって形成し、試料をパルス的に加熱した
ときの温度観測点における温度応答より試料の熱伝導率
を測定する方法である。
放射冷却法は短冊状被測定薄膜の両端を加熱源として
働くクランプで固定し、試料を真空中において定常的に
加熱した際の試料内の温度分布を放射温度計により測定
し、試料の熱伝導率を求める方法である。
働くクランプで固定し、試料を真空中において定常的に
加熱した際の試料内の温度分布を放射温度計により測定
し、試料の熱伝導率を求める方法である。
上記測定法を基板上に形成した薄膜の測定に適用する
場合には、試料断面内での温度は均一と考えることによ
り、基板と薄膜との複合的な熱伝導率，温度伝導率を測
定し、基板の熱伝導の結果をそれから差し引くことによ
り、薄膜の熱伝導率，温度伝導率を求める。光交流法の
場合には薄膜，基板の温度伝導率をそれぞれDf,Ds,薄
膜，基板の厚さをtf,tsとすると、測定より得られる見
かけの温度伝導率Ｄとは近似的に次式のように関係づけ
られる。
場合には、試料断面内での温度は均一と考えることによ
り、基板と薄膜との複合的な熱伝導率，温度伝導率を測
定し、基板の熱伝導の結果をそれから差し引くことによ
り、薄膜の熱伝導率，温度伝導率を求める。光交流法の
場合には薄膜，基板の温度伝導率をそれぞれDf,Ds,薄
膜，基板の厚さをtf,tsとすると、測定より得られる見
かけの温度伝導率Ｄとは近似的に次式のように関係づけ
られる。
Ｄ＝（Dftf＋Dsts）／（tf＋ts） （１） 〔発明が解決しようとする課題〕 上記に示したような薄膜材料の熱伝導率測定に従来用
いられてきた方法はすべて薄膜自体が自立できる膜の測
定に適したものであり、基板上に形成された薄膜の測定
を行う場合には、基板の熱伝導率が薄膜の熱伝導率に比
べて大きいため測定精度が極めて悪化すること、測定精
度を上げるためには基板の厚さを極力薄くする必要があ
ること、基板の熱伝導率の正確な値が必要なこと、薄膜
−基板境界の熱接触が測定結果に影響することなどの問
題があり、特に熱伝導率の小さな絶縁体薄膜の測定は非
常に困難である。
いられてきた方法はすべて薄膜自体が自立できる膜の測
定に適したものであり、基板上に形成された薄膜の測定
を行う場合には、基板の熱伝導率が薄膜の熱伝導率に比
べて大きいため測定精度が極めて悪化すること、測定精
度を上げるためには基板の厚さを極力薄くする必要があ
ること、基板の熱伝導率の正確な値が必要なこと、薄膜
−基板境界の熱接触が測定結果に影響することなどの問
題があり、特に熱伝導率の小さな絶縁体薄膜の測定は非
常に困難である。
そこで本発明は、基板上に形成した絶縁体薄膜の熱伝
導率を、基板の材料や厚さ、薄膜−基板間の熱抵抗に関
係なく測定できる方法を提供することを目的とする。
導率を、基板の材料や厚さ、薄膜−基板間の熱抵抗に関
係なく測定できる方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の薄膜熱伝導率測定
方法においては、発熱源から被測定薄膜に熱を与え、そ
の熱によって薄膜内部に生じる過渡的温度変化の測定に
より薄膜の熱伝導率を測定する測定法において、熱源及
び温度センサとして被測定薄膜上に被測定薄膜厚以下の
幅をもち、両端に電流供給用端子及び電圧測定用端子を
有する金属細線を形成し、これをステップ関数的に通過
加熱し、熱が被測定薄膜と基板の境界に到達するまでの
時間範囲において細線部温度の時間変化を細線の抵抗変
化として観察することにより薄膜の熱伝導率測定を行う
ものである。
方法においては、発熱源から被測定薄膜に熱を与え、そ
の熱によって薄膜内部に生じる過渡的温度変化の測定に
より薄膜の熱伝導率を測定する測定法において、熱源及
び温度センサとして被測定薄膜上に被測定薄膜厚以下の
幅をもち、両端に電流供給用端子及び電圧測定用端子を
有する金属細線を形成し、これをステップ関数的に通過
加熱し、熱が被測定薄膜と基板の境界に到達するまでの
時間範囲において細線部温度の時間変化を細線の抵抗変
化として観察することにより薄膜の熱伝導率測定を行う
ものである。
被測定薄膜上に形成した細線をステップ関数的に通過
加熱することにより薄膜を加熱したとき、熱が薄膜内部
を伝わる間の細線部における温度上昇ΔＴと被測定薄膜
の熱伝導率λの間には次式の関係が成り立つ。
加熱することにより薄膜を加熱したとき、熱が薄膜内部
を伝わる間の細線部における温度上昇ΔＴと被測定薄膜
の熱伝導率λの間には次式の関係が成り立つ。
λｆ＝（q/2π）／｛ｄ（ΔＴ）/d（ln t）｝ （２） ここで、ｑは単位長あたりの細線に供給される熱量、
ｔは加熱開始からの時間である。なお、測定は真空中，
空気中あるいはガス中で行われるため、試料外部への熱
の逃げは無視できると仮定する。従って、細線部の温度
上昇を細線の抵抗変化として測定し、これを対数時間に
対してプロットすれば直線関係が得られ、その傾きより
被測定薄膜の熱伝導率を求めることができる。
ｔは加熱開始からの時間である。なお、測定は真空中，
空気中あるいはガス中で行われるため、試料外部への熱
の逃げは無視できると仮定する。従って、細線部の温度
上昇を細線の抵抗変化として測定し、これを対数時間に
対してプロットすれば直線関係が得られ、その傾きより
被測定薄膜の熱伝導率を求めることができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明を説明する。
第１図は本発明の測定方法に基づいた薄膜熱伝導率測
定装置の構成を示す図である。第２図は被測定薄膜上に
形成した細線部を示す平面図、第３図は同断面図であ
る。
定装置の構成を示す図である。第２図は被測定薄膜上に
形成した細線部を示す平面図、第３図は同断面図であ
る。
図において、測定試料１上の細線２は、被測定薄膜上
に金属膜を形成した後、リソグラフィ等の方法によりパ
ターニングして形成する。細線２を加熱するための電流
は電源５によりステップ関数的に発生され、電流供給用
プローブ３より電流供給用パッド８を介して細線２に供
給される。細線２の部分における電圧降下は電圧測定用
パッド９に電圧測定用プローブ４を接触させ、電圧測定
装置６により測定され、計算機７によって細線２の抵抗
変化を算出し、さらに細線抵抗の温度計数より細線温度
上昇を算出し、細線温度上昇と対数時間の関係により被
測定薄膜の熱伝導率が求められる。第３図に示すよう
に、被測定薄膜11としてシリコン基板12上に形成した厚
さ１μｍのシリコン酸化膜を用い、細線２として線幅0.
8μm,長さ500μｍのアルミニウム細線を用い、細線に40
0W/mの熱量を供給した際の細線部温度上昇と対数時間の
関係を測定した結果を第４図に示す。加熱開始後３〜20
nsの範囲で直線関係が得られており、直線の傾きに基づ
いて薄膜の熱伝導率は8.25W/mKと求められる。20ns以降
では直線関係が成立しなくなるが、これは熱がシリコン
基板まで伝わったためである。このように細線部の温度
上昇が直線からはずれることにより熱が基板に伝わった
時点が容易に確認でき、それ以前の測定データを基に基
板材料に影響されることなく被測定薄膜の熱伝導率を求
めることができる。
に金属膜を形成した後、リソグラフィ等の方法によりパ
ターニングして形成する。細線２を加熱するための電流
は電源５によりステップ関数的に発生され、電流供給用
プローブ３より電流供給用パッド８を介して細線２に供
給される。細線２の部分における電圧降下は電圧測定用
パッド９に電圧測定用プローブ４を接触させ、電圧測定
装置６により測定され、計算機７によって細線２の抵抗
変化を算出し、さらに細線抵抗の温度計数より細線温度
上昇を算出し、細線温度上昇と対数時間の関係により被
測定薄膜の熱伝導率が求められる。第３図に示すよう
に、被測定薄膜11としてシリコン基板12上に形成した厚
さ１μｍのシリコン酸化膜を用い、細線２として線幅0.
8μm,長さ500μｍのアルミニウム細線を用い、細線に40
0W/mの熱量を供給した際の細線部温度上昇と対数時間の
関係を測定した結果を第４図に示す。加熱開始後３〜20
nsの範囲で直線関係が得られており、直線の傾きに基づ
いて薄膜の熱伝導率は8.25W/mKと求められる。20ns以降
では直線関係が成立しなくなるが、これは熱がシリコン
基板まで伝わったためである。このように細線部の温度
上昇が直線からはずれることにより熱が基板に伝わった
時点が容易に確認でき、それ以前の測定データを基に基
板材料に影響されることなく被測定薄膜の熱伝導率を求
めることができる。
本発明による測定法は基板上に形成された単層の薄膜
の測定以外にも、多層に形成された薄膜の測定に適用す
ることも可能であることは明白である。
の測定以外にも、多層に形成された薄膜の測定に適用す
ることも可能であることは明白である。
以上説明したように、本発明の薄膜熱伝導率測定法を
用いれば、基板上に形成された絶縁膜の熱伝導率を、基
板の熱伝導率や厚さによらずに絶対測定することが可能
となる。
用いれば、基板上に形成された絶縁膜の熱伝導率を、基
板の熱伝導率や厚さによらずに絶対測定することが可能
となる。
第１図は本発明の一実施例の薄膜熱伝導率測定装置を示
す図、第２図は被測定薄膜上に形成した細線を示す図、
第３図は被測定薄膜上に形成した細線の断面図、第４図
は測定された細線の温度上昇と対数時間の関係を示す図
である。 １……測定試料、２……細線 ３……電流供給用プローブ ４……電圧測定用プローブ、５……電源 ６……電圧測定装置、７……計算機
す図、第２図は被測定薄膜上に形成した細線を示す図、
第３図は被測定薄膜上に形成した細線の断面図、第４図
は測定された細線の温度上昇と対数時間の関係を示す図
である。 １……測定試料、２……細線 ３……電流供給用プローブ ４……電圧測定用プローブ、５……電源 ６……電圧測定装置、７……計算機
Claims (1)
- 【請求項１】発熱源から被測定薄膜に熱を与え、その熱
によって薄膜内部に生じる過渡的温度変化の測定により
薄膜の熱伝導率を測定する測定方において、熱源及び温
度センサとして被測定薄膜上に被測定薄膜厚以下の幅を
もち、両端に電流供給用端子及び電圧測定用端子を有す
る金属細線を形成し、これをステップ関数的に通電加熱
し、熱が被測定薄膜と基板の境界に到達するまでの時間
範囲において細線部温度の時間変化を細線の抵抗変化と
して観察することにより薄膜の熱伝導率測定を行うこと
を特徴とする薄膜熱伝導率測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2207871A JP2570478B2 (ja) | 1990-08-06 | 1990-08-06 | 薄膜熱伝導率測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2207871A JP2570478B2 (ja) | 1990-08-06 | 1990-08-06 | 薄膜熱伝導率測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0493645A JPH0493645A (ja) | 1992-03-26 |
| JP2570478B2 true JP2570478B2 (ja) | 1997-01-08 |
Family
ID=16546933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2207871A Expired - Lifetime JP2570478B2 (ja) | 1990-08-06 | 1990-08-06 | 薄膜熱伝導率測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2570478B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103576035B (zh) * | 2013-11-15 | 2016-01-20 | 安徽金月电子科技有限公司 | 一种加热瓦测试台 |
-
1990
- 1990-08-06 JP JP2207871A patent/JP2570478B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0493645A (ja) | 1992-03-26 |
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