JPH0593700A - 薄膜熱物性値測定方法 - Google Patents
薄膜熱物性値測定方法Info
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- JPH0593700A JPH0593700A JP25328791A JP25328791A JPH0593700A JP H0593700 A JPH0593700 A JP H0593700A JP 25328791 A JP25328791 A JP 25328791A JP 25328791 A JP25328791 A JP 25328791A JP H0593700 A JPH0593700 A JP H0593700A
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- Japan
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- thin film
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】薄膜上に形成した細線をパルス発生器によりス
テップ関数的に加熱し、薄膜の熱物性値を測定する方法
において、パルス発生器から発生されるパルス電圧やパ
ルス電流の時間依存性によらず細線の温度変化を正確に
測定する方法を提供する。 【構成】細線の発熱量を小さくした測定を行うことによ
り、パルス電圧やパルス電流の時間依存性を求め、その
結果を、細線の発熱量を大きくした際の測定に用いる。
テップ関数的に加熱し、薄膜の熱物性値を測定する方法
において、パルス発生器から発生されるパルス電圧やパ
ルス電流の時間依存性によらず細線の温度変化を正確に
測定する方法を提供する。 【構成】細線の発熱量を小さくした測定を行うことによ
り、パルス電圧やパルス電流の時間依存性を求め、その
結果を、細線の発熱量を大きくした際の測定に用いる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、基板上に形成された薄
膜材料の熱物性値（熱伝導率，熱拡散率，熱容量）を測
定する方法に関するものである。
膜材料の熱物性値（熱伝導率，熱拡散率，熱容量）を測
定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】薄膜材料の熱伝導率や熱拡散率などの測
定方法としては、従来、光交流法（八田ら、固体物理、
２１、（５）、１９８６、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、６
１３（９）、１９８７．）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より薄膜
試料の熱拡散率を測定する方法である。ヒートパルス法
は短冊状試料上に加熱源およ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
察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。
定方法としては、従来、光交流法（八田ら、固体物理、
２１、（５）、１９８６、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、６
１３（９）、１９８７．）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より薄膜
試料の熱拡散率を測定する方法である。ヒートパルス法
は短冊状試料上に加熱源およ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
察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。
【０００３】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
ことにより基板の薄膜の複合的な熱伝導率、熱拡散率を
測定し、基板の熱伝導の効果をそれから差し引くことに
より薄膜の熱伝導率、熱拡散率を求める。光交流法の場
合には薄膜、基板の熱拡散率をそれぞれａf ，ａf ，薄
膜，基板の厚さをｔf ，ｔfとすると、測定より得られ
る見かけの熱拡散率ａは近似的に次式のように表され
る。
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
ことにより基板の薄膜の複合的な熱伝導率、熱拡散率を
測定し、基板の熱伝導の効果をそれから差し引くことに
より薄膜の熱伝導率、熱拡散率を求める。光交流法の場
合には薄膜、基板の熱拡散率をそれぞれａf ，ａf ，薄
膜，基板の厚さをｔf ，ｔfとすると、測定より得られ
る見かけの熱拡散率ａは近似的に次式のように表され
る。
【０００４】
【０００５】上記に示したような薄膜材料の熱物性値測
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
薄膜の熱伝導率や熱拡散率を測定する場合には、基板の
熱伝導率あるいは熱拡散率が薄膜に比べて大きい場合に
は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などの
問題があり、特に熱伝導率、熱拡散率の小さな絶縁体薄
膜の測定は非常に困難である。
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
薄膜の熱伝導率や熱拡散率を測定する場合には、基板の
熱伝導率あるいは熱拡散率が薄膜に比べて大きい場合に
は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などの
問題があり、特に熱伝導率、熱拡散率の小さな絶縁体薄
膜の測定は非常に困難である。
【０００６】これに対し、薄膜の熱物性値のより精密な
測定方法として、薄膜上に発熱源及び温度センサとして
機能する細線を形成し、該細線をパルス発生器によりス
テップ関数的に通電加熱したときの細線の温度の時間変
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
物性値を測定する方法が提案されている（特開平０３−
０３３８１５）。この方法では、細線の温度上昇ΔＴの
時間変化を表す次の論理式と測定結果をフィッティング
することにより薄膜の熱物性値を測定する。
測定方法として、薄膜上に発熱源及び温度センサとして
機能する細線を形成し、該細線をパルス発生器によりス
テップ関数的に通電加熱したときの細線の温度の時間変
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
物性値を測定する方法が提案されている（特開平０３−
０３３８１５）。この方法では、細線の温度上昇ΔＴの
時間変化を表す次の論理式と測定結果をフィッティング
することにより薄膜の熱物性値を測定する。
【０００７】
【０００８】なお（２）式において、λ，ａは薄膜の熱
伝導率及び熱拡散率、２ｄ，２ｈは細線の幅と長さ、ｑ
は細線の単位長さあたりの発熱量をそれぞれ表してい
る。
伝導率及び熱拡散率、２ｄ，２ｈは細線の幅と長さ、ｑ
は細線の単位長さあたりの発熱量をそれぞれ表してい
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、細線の
通電加熱するためにパルス発生器から発生されるパルス
電圧やパルス電流は、パルス立ち上がり時に図２−ａに
示すような時間依存性を持っており、図２−ｂに示した
ような時間依存性を持っており、図２−ｂに示したよう
な理想的なパルスとして扱うため、パルスの時間依存性
が正確な細線の温度測定の妨げとなっていた。その結
果、細線の加熱開始直後の測定にばらつきが大きく、熱
伝導率の大きな膜や膜厚の非常に薄い膜の熱物性値が正
確に測定できないという問題点があった。
通電加熱するためにパルス発生器から発生されるパルス
電圧やパルス電流は、パルス立ち上がり時に図２−ａに
示すような時間依存性を持っており、図２−ｂに示した
ような時間依存性を持っており、図２−ｂに示したよう
な理想的なパルスとして扱うため、パルスの時間依存性
が正確な細線の温度測定の妨げとなっていた。その結
果、細線の加熱開始直後の測定にばらつきが大きく、熱
伝導率の大きな膜や膜厚の非常に薄い膜の熱物性値が正
確に測定できないという問題点があった。
【００１０】本発明の目的は、パルスの時間依存性に影
響されずに細線の温度変化を正確に測定し、正確な薄膜
の熱物性値測定を可能にする方法を提供することにあ
る。
響されずに細線の温度変化を正確に測定し、正確な薄膜
の熱物性値測定を可能にする方法を提供することにあ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、薄膜上に発熱源及び温度センサとして機能する細
線を形成し、該再選をパルス発生器によりステップ関数
的に通電加熱したときの細線の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前記薄膜の熱物性値
を測定する方法において、細線の発熱量を変化させて測
定を複数回行うことにより、パルス発生器の時間依存性
により生じる測定誤差を除去することを特徴とする。
めに、薄膜上に発熱源及び温度センサとして機能する細
線を形成し、該再選をパルス発生器によりステップ関数
的に通電加熱したときの細線の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前記薄膜の熱物性値
を測定する方法において、細線の発熱量を変化させて測
定を複数回行うことにより、パルス発生器の時間依存性
により生じる測定誤差を除去することを特徴とする。
【００１２】
【作用】図１のような装置構成において細線をステップ
関数的に加熱し、薄膜の熱物性値を測定する場合、細線
の温度上昇ΔＴは次式で表される。
関数的に加熱し、薄膜の熱物性値を測定する場合、細線
の温度上昇ΔＴは次式で表される。
【００１３】
【００１４】なお（３）式においてαは細線の抵抗の温
度係数、Ｒintはパルス発生器の内部抵抗、Ｒ0 は細線
の室温における抵抗、Ｖは細線部における電圧降下をそ
れぞれ表している。（３）式におけるパルス発生器２の
内部電圧Ｖint は、 Ｖint ＝ｆ（ｔ）×Ｖ0 ……（４） のように表すことができる。ここでＶ0 は図２−ａに示
した定常値であり、ｆ（ｔ）はＶint の時間依存を表し
ている。ｆ（ｔ）は細線の抵抗に強く依存し、普遍的な
式で表すことは難しい。従来の測定方法ではｆ（ｔ）を
考慮せず、Ｖintを一定値Ｖ0 として扱うため、図３の
ように測定結果が大きくばらついていた。そのため、特
に２０ｎｓ程度の短時間での測定が必要とされる熱伝導
率の大きな膜や、膜厚の非常に薄い膜の正確な熱物性値
を求めることが困難となっていた。
度係数、Ｒintはパルス発生器の内部抵抗、Ｒ0 は細線
の室温における抵抗、Ｖは細線部における電圧降下をそ
れぞれ表している。（３）式におけるパルス発生器２の
内部電圧Ｖint は、 Ｖint ＝ｆ（ｔ）×Ｖ0 ……（４） のように表すことができる。ここでＶ0 は図２−ａに示
した定常値であり、ｆ（ｔ）はＶint の時間依存を表し
ている。ｆ（ｔ）は細線の抵抗に強く依存し、普遍的な
式で表すことは難しい。従来の測定方法ではｆ（ｔ）を
考慮せず、Ｖintを一定値Ｖ0 として扱うため、図３の
ように測定結果が大きくばらついていた。そのため、特
に２０ｎｓ程度の短時間での測定が必要とされる熱伝導
率の大きな膜や、膜厚の非常に薄い膜の正確な熱物性値
を求めることが困難となっていた。
【００１５】ｆ（ｔ）は細線１の発熱量を非常に小さく
することによって求めることが可能となる。Ｖ0 が非常
に小さく、細線１の発熱量が非常に小さい場合には、細
線１の温度及び抵抗がほとんど変化しないので、ｆ
（ｔ）次のように求めることができる。
することによって求めることが可能となる。Ｖ0 が非常
に小さく、細線１の発熱量が非常に小さい場合には、細
線１の温度及び抵抗がほとんど変化しないので、ｆ
（ｔ）次のように求めることができる。
【００１６】
【００１７】したがって、細線１の発熱量を非常に小さ
くした測定を行いＶint の時間依存性ｆ（ｔ）を求め、
その結果を、細線１の発熱量を大きくし実際に細線の温
度を上昇させた場合に用いることにより、細線１の温度
変化を正確に求めることができる。
くした測定を行いＶint の時間依存性ｆ（ｔ）を求め、
その結果を、細線１の発熱量を大きくし実際に細線の温
度を上昇させた場合に用いることにより、細線１の温度
変化を正確に求めることができる。
【００１８】以上説明したように、細線１の発熱量を変
化させて測定を複数回行うことにより、細線１を加熱す
るためにパルス発生器から発生される電圧や電流の時間
依存性を知ることができ、細線１の温度の時間変化を正
確に測定することが可能となる。
化させて測定を複数回行うことにより、細線１を加熱す
るためにパルス発生器から発生される電圧や電流の時間
依存性を知ることができ、細線１の温度の時間変化を正
確に測定することが可能となる。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明に係る、薄膜熱物性値測定装
置の構成を示す図であり、図４は測定試料の断面図であ
る。細線１は薄膜１０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される。細
線１を加熱するための電圧はパルス発生器３によりステ
ップ関数的に発生され、プローブ４より電圧供給用兼電
圧測定用パッド５を介して細線１に供給される。細線部
における電圧降下はパッド５にプローブ４を接触させる
ことで、電圧測定装置７により測定される。電圧降下を
計算機８にとりこんで細線の抵抗変化を算出し、さらに
細線抵抗の温度係数より細線温度上昇を求める。
て説明する。図１は本発明に係る、薄膜熱物性値測定装
置の構成を示す図であり、図４は測定試料の断面図であ
る。細線１は薄膜１０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される。細
線１を加熱するための電圧はパルス発生器３によりステ
ップ関数的に発生され、プローブ４より電圧供給用兼電
圧測定用パッド５を介して細線１に供給される。細線部
における電圧降下はパッド５にプローブ４を接触させる
ことで、電圧測定装置７により測定される。電圧降下を
計算機８にとりこんで細線の抵抗変化を算出し、さらに
細線抵抗の温度係数より細線温度上昇を求める。
【００２０】測定には、シリコン基板上にＲＦスパッタ
法により、厚さ８０ｎｍのＳｉ3 Ｎ4 膜を形成し、その
上に線幅２μｍ，長さ１００μｍ，厚さ３ｎｍ，抵抗５
０Ωのアルミ細線を形成した試料を用いた。はじめに、
Ｖ0 ＝０．２（Ｖ）で測定を行いｆ（ｔ）を求め、その
結果をもとに、Ｖ0 ＝４（Ｖ）で細線を加熱した際の細
線の温度変化を測定した。結果を図５に示す。
法により、厚さ８０ｎｍのＳｉ3 Ｎ4 膜を形成し、その
上に線幅２μｍ，長さ１００μｍ，厚さ３ｎｍ，抵抗５
０Ωのアルミ細線を形成した試料を用いた。はじめに、
Ｖ0 ＝０．２（Ｖ）で測定を行いｆ（ｔ）を求め、その
結果をもとに、Ｖ0 ＝４（Ｖ）で細線を加熱した際の細
線の温度変化を測定した。結果を図５に示す。
【００２１】加熱開始からばらつきの少ない正確な測定
ができている。５０ｎｓ以後温度上昇が一定となってい
るのは、細線で発生した熱が基板に伝わった影響による
ものである。加熱開始から５０ｎｓまでの測定結果に
（２）式をフィッティングさせることにより求められた
Ｓｉ3 Ｎ4 の熱伝導率は１．６Ｗ／ｍ・Ｋ，熱容量は２
×１０6 Ｊ／ｍ3 ・Ｋであった。
ができている。５０ｎｓ以後温度上昇が一定となってい
るのは、細線で発生した熱が基板に伝わった影響による
ものである。加熱開始から５０ｎｓまでの測定結果に
（２）式をフィッティングさせることにより求められた
Ｓｉ3 Ｎ4 の熱伝導率は１．６Ｗ／ｍ・Ｋ，熱容量は２
×１０6 Ｊ／ｍ3 ・Ｋであった。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、細線の発熱量を変
化させて測定を複数回行うことにより、パルス発生器か
ら発生されるパルス電圧やパルス電流の時間依存性を原
因とする測定誤差を除去し、細線の温度変化を正確に測
定することが可能となる。さらに、細線の加熱開始直後
から正確な測定ができるので短時間の測定が必要とされ
る熱伝導率の大きな膜や膜厚の非常に薄い膜の熱物性値
を測定することが可能となる。
化させて測定を複数回行うことにより、パルス発生器か
ら発生されるパルス電圧やパルス電流の時間依存性を原
因とする測定誤差を除去し、細線の温度変化を正確に測
定することが可能となる。さらに、細線の加熱開始直後
から正確な測定ができるので短時間の測定が必要とされ
る熱伝導率の大きな膜や膜厚の非常に薄い膜の熱物性値
を測定することが可能となる。
【図１】本発明に係る熱物性測定装置の構成を示す図で
ある。
ある。
【図２】（ａ）は、パルス発生器から発生されるパルス
電圧の時間変化を表す図である。 （ｂ）は、理想的なパルス電圧の時間変化を表す図であ
る。
電圧の時間変化を表す図である。 （ｂ）は、理想的なパルス電圧の時間変化を表す図であ
る。
【図３】従来の測定方法による細線の温度変化の測定結
果を示す図である。
果を示す図である。
【図４】測定試料の断面図である。
【図５】本発明による細線の温度変化の測定結果を示す
図である。
図である。
【符号の説明】 １ 細線 ３ パルス発生器 ７ 電圧測定装置 １０ 薄膜
Claims (1)
- 【請求項１】 薄膜上に発熱源及び温度センサとして機
能する細線を形成し、該細線をパルス発生器によりステ
ップ関数的に通電加熱したときの細線の温度の時間変化
を細線の抵抗変化として観察することにより前記薄膜の
熱物性値を測定する方法において、細線の発熱量を変化
させて測定を複数回行い、細線の発熱量を小さくした測
定で、パルス電圧やパルス電流の時間依存性を求め、そ
の結果を、細線の発熱量を大きくした際の測定に用いる
ことを特徴とする薄膜熱物性値測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25328791A JP2734831B2 (ja) | 1991-10-01 | 1991-10-01 | 薄膜熱物性値測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25328791A JP2734831B2 (ja) | 1991-10-01 | 1991-10-01 | 薄膜熱物性値測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0593700A true JPH0593700A (ja) | 1993-04-16 |
| JP2734831B2 JP2734831B2 (ja) | 1998-04-02 |
Family
ID=17249189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25328791A Expired - Lifetime JP2734831B2 (ja) | 1991-10-01 | 1991-10-01 | 薄膜熱物性値測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2734831B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007024603A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Toyota Motor Corp | 薄膜状試料の測定方法 |
-
1991
- 1991-10-01 JP JP25328791A patent/JP2734831B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007024603A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Toyota Motor Corp | 薄膜状試料の測定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2734831B2 (ja) | 1998-04-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19971202 |