專利名稱：一種用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法
技術領域：
本發明屬于微尺度半導體器件測量領域，尤其涉及一種用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法。
背景技術：
目前，微納米器件中由于納米接觸形成的界面熱阻隨著半導體器件的日益微型化而成為微系統熱管理和熱設計研究的熱點和難點。微處理器芯片、場效應傳感器、熱電能量轉換器等大量使用半導體薄膜作為功能元件，通過堆積疊加形成大量的界面。由于半導體納米復合熱電材料內存在的大量界面增強了聲子散射，對界面熱阻的調控是進一步提高熱電能量轉換效率的關鍵。相比金屬膜，半導體薄膜界面上的微觀熱輸運具有新的特點，這也使半導體膜界面熱阻的機理分析較金屬膜的要復雜得多。低頻下諧波法中的三次諧波法已被用于測試Ge膜與Si基底間的界面熱阻，但對比試樣增大了測量結果的不確定度。頻帶范圍拓展到MHz的三次諧波法在高頻下已用于基體表面金剛石薄膜、基體表面Si02熱導率測量，但是都沒有考慮諧波探測器與被測試薄膜之間界面熱阻的影響，測試誤差大。飛秒激光抽運-探測法測試半導體薄膜界面熱阻受限。 由于金屬薄膜表面反射率與其電子溫度有較為簡單的函數關系，一般近似為線性關系。半導體薄膜表面反射率隨其電子溫度的函數關系將不再簡單；由于泵浦光和探測光間相互干擾，光斑直徑大，測試的Au膜表面的電子溫度相互重疊，空間分辨率低，僅用于金屬薄膜研究。由于表面反射率和粗糙度的影響，周期激光光熱反射法主要用于測量金屬膜與非金屬薄膜間的界面熱阻。低頻下三次諧波法測量基體表面薄膜熱導率的技術方案在待測試薄膜表面直接沉積金屬膜，同時用作加熱器和測溫器，施加微弱正弦電流信號加熱，在低頻下利用差動放大電路和鎖相放大器測量金屬膜產生的三次諧波，利用金屬膜溫升與頻率曲線的斜率得到基體的熱導率，利用金屬膜溫升與基體溫升的差值求出薄膜的熱導率，利用對比試樣測量界面熱阻。高頻下三次諧波法測量基體表面薄膜熱導率的技術方案在高頻下利用差動放大電路和鎖相放大器測量待測試薄膜表面金屬膜的溫升，利用高頻下溫升的解析解擬合得到待測試薄膜的熱導率。低頻下二次諧波測量基體熱導率的技術方案在低頻下直接利用鎖相放大器測量金屬膜產生的二次諧波，利用低頻下二次諧波實部和虛部的斜率得到基體的熱導率。三次諧波的測試頻率低，雖然借助對比試樣能夠實現界面熱阻的分離，但是對比試樣增大了測量結果的不確定度；高頻下三次諧波的測量采用的差動放大電路的差動放大器的響應速度慢，難以濾除高頻干擾信號，再加上常用鎖相放大器自身倍頻頻率范圍的限制，高頻諧波通常會超出儀器測量范圍，高頻下三次諧波測量精度差；高頻下利用三次諧波測得的溫升擬合薄膜熱導率時沒有考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，結果誤差大；二次諧波和三次諧波孤立測量，沒有實現多次諧波聯合實現界面熱阻的測量。
當前缺乏測量半導體薄膜與基體之間界面熱阻的有效方法，在半導體薄膜熱物性的表征方面，三次諧波法主要用于測量半導體薄膜的熱導率和熱擴散率，但是測試頻率比較低，頻帶范圍比較窄，頻帶范圍一般為幾Hz 幾千Hz，無法實現界面熱阻的測量；二次諧波法目前只能在低頻下測量薄膜與基體構成的復合結構的熱導率。由于半導體表面對激光的反射率與溫度關系的非線性，基于激光加熱探測的光熱探測技術不能準確測量半導體薄膜表面的溫度響應，亦難于測量半導體薄膜的熱導率與界面熱阻。

發明內容
本發明提供了一種用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法，旨在解決現有技術提供的測量半導體薄膜界面熱阻的方法，沒有考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻， 二次諧波和三次諧波孤立測量，結果誤差大，不能實現多次諧波聯合、精確測量界面熱阻的問題。本發明的目的在于提供一種用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法，所述方法包括以下步驟在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率；在中低頻下測量半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合熱導率；將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離。本發明提供的用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法，首先在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率，然后在中低頻下測量半導體薄膜與基體構成的復合結構的等效熱導率，最后將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離，通過采用電阻溫度系數小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號對三次諧波的影響，同時頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度，借助周期激光光熱反射法測量的鉬膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，解決了諧波探測器與半導體薄膜絕緣與附著問題，考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，提高了半導體薄膜熱導率和熱擴散率的高頻測量精度，利用多次諧波聯合測量，在單個試樣上實現半導體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。


圖I示出了本發明實施例提供的用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法的實現流程圖；圖2示出了本發明實施例提供的利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間界面熱阻抗的實現方法的流程圖；圖3示出了本發明實施例提供的采用三次諧波法測量半導體薄膜的熱導率、熱擴散率及采用二次諧波法測量半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合熱導率的實現方法的流程圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定發明。圖1示出了本發明實施例提供的用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法的實 現流程。該方法包括以下步驟在步驟SlOl中，在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率；在步驟S102中，在中低頻下測量半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合 熱導率；在步驟S103中，將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離。在本發明實施例中，在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率的實現方法 為利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面 熱阻杭；采用三次諧波法測量半導體薄膜的熱導率、熱擴散率。如圖2所示，在本發明實施例中，利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測 量鉬膜與金剛石薄膜之間界面熱阻抗的實現方法為在步驟S201中，在半導體薄膜表面沉積金剛石薄膜；在步驟S202中，采用磁控濺射技術在金剛石薄膜表面沉積鉬膜；在步驟S203中，利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱 阻；在步驟S204中，利用光刻法加工出諧波探測器。如圖3所示，在本發明實施例中，采用三次諧波法測量半導體薄膜的熱導率、熱擴 散率的實現方法為在步驟S301中，對諧波探測器施加沒有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系 數可忽略的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量高頻下三次諧波的幅值并轉換為頻域內的 測試熱阻抗；在步驟S302中，在熱阻抗理論公式加入測量的鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱 阻，得到改進的熱阻抗理論模型；在步驟S303中，利用改進的熱阻抗理論模型和測試熱阻抗擬合出半導體薄膜的 熱導率、熱擴散率。在本發明實施例中，在中低頻下測量半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的 綜合熱導率的實現方法為在步驟S304中，對諧波探測器施加有直流分量的微弱交流電；在步驟S305中，采用電阻溫度系數可忽略的純電阻電橋電路和鎖相放大器測量 低頻下二次諧波的實部和虛部分量；在步驟S306中，利用二次諧波的實部和虛部分量得到半導體薄膜、界面及基體構 成的復合結構的綜合熱導率。在本發明實施例中，將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離的實現方法為半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合導熱熱阻中減去半導體薄膜和基 體的熱阻，得到半導體薄膜與基體之間的界面熱阻。
下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。如圖I所示，本發明實施例提供的用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法包括以下步驟①在半導體薄膜表面沉積金剛石薄膜，實現諧波探測器與半導體薄膜之間的絕緣；②利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻；在步驟①的基礎上采用磁控濺射技術在金剛石薄膜表面沉積鉬膜，然后利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻，最后利用光刻法加工出諧波探測器。③采用三次諧波法測量半導體薄膜的熱導率、熱擴散率；首先，在步驟①和②的基礎上，給步驟②中加工的諧波探測器施加沒有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系數可忽略的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量高頻下三次諧波的幅值并轉換為頻域內的測試熱阻抗；然后，在熱阻抗理論公式加入步驟②中測量的鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻，得到改進的熱阻抗理論模型；最后，利用改進的熱阻抗理論模型和測試熱阻抗擬合出半導體薄膜的熱導率、熱擴散率。④利用二次諧波法得到半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合熱導率；在步驟③之后，給步驟②中加工的諧波探測器施加有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系數可忽略的純電阻電橋電路和鎖相放大器測量低頻下二次諧波的實部和虛部分量，得到半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合熱導率。⑤從半導體薄膜、界面及基體構成的合結構的綜合導熱熱阻中得到半導體薄膜界面熱阻。在步驟③和④的基礎上，從薄膜+界面+基底的綜合導熱熱阻中減去半導體薄膜和基體的熱阻，得到半導體薄膜與基體之間的界面熱阻。本發明實施例提供的用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法，在超過IMHz的高頻區域，利用電阻溫度系數小于20PPM的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量三次諧波； 半導體薄膜表面沉積金剛石薄膜實現諧波探測器與半導體薄膜之間的絕緣；利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻；在IHz 20MHz寬頻范圍內，利用頻率低于4kHz下的二次諧波和頻率高于IMHz的三次諧波聯合測量半導體薄膜與基體之間的界面熱阻。由于采用電阻溫度系數小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號對三次諧波的影響，同時頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度；借助周期激光光熱反射法測量的鉬膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，提高了半導體薄膜熱導率和熱擴散率的高頻測量精度；利用多次諧波聯合測量，在單個試樣上實現半導體薄膜與基體之間界面熱阻的測量，提高高頻下三次諧波的測量精度，利用二次諧波和三次諧波聯合測量， 考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，在單個試樣上實現半導體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。本發明實施例提供的用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法，首先在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率，然后在中低頻下測量半導體薄膜與基體構成的復合結構的等效熱導率，最后將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離，通過采用電阻溫度系數小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號對三次諧波的影響，同時頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度，借助周期激光光熱反射法測量的鉬膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，解決了諧波探測器與半導體薄膜絕緣與附著問題，考慮金屬膜探測器與試樣之間的界面熱阻，提高了半導體薄膜熱導率和熱擴散率的高頻測量精度，利用多次諧波聯合測量，在單個試樣上實現半導體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率；在中低頻下測量半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合熱導率；將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率的實現方法為利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻抗；采用三次諧波法測量半導體薄膜的熱導率、熱擴散率。
3.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述利用金剛石薄膜與鉬膜加工出諧波探測器，并測量鉬膜與金剛石薄膜之間界面熱阻抗的實現方法為在半導體薄膜表面沉積金剛石薄膜；采用磁控濺射技術在金剛石薄膜表面沉積鉬膜；利用周期激光光熱反射法測量鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻；利用光刻法加工出諧波探測器。
4.如權利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述采用三次諧波法測量半導體薄膜的熱導率、熱擴散率的實現方法為對諧波探測器施加沒有直流分量的微弱交流電，采用電阻溫度系數可忽略的純電阻電橋電路和頻譜分析儀測量高頻下三次諧波的幅值并轉換為頻域內的測試熱阻抗；在熱阻抗理論公式加入測量的鉬膜與金剛石薄膜之間的界面熱阻，得到改進的熱阻抗理論模型；利用改進的熱阻抗理論模型和測試熱阻抗擬合出半導體薄膜的熱導率、熱擴散率。
5.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述在中低頻下測量半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合熱導率的實現方法為對諧波探測器施加有直流分量的微弱交流電；采用電阻溫度系數可忽略的純電阻電橋電路和鎖相放大器測量低頻下二次諧波的實部和虛部分量；利用二次諧波的實部和虛部分量得到半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合熱導率。
6.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離的實現方法為半導體薄膜、界面及基體構成的復合結構的綜合導熱熱阻中減去半導體薄膜和基體的熱阻，得到半導體薄膜與基體之間的界面熱阻。
全文摘要
本發明屬于微尺度半導體器件測量領域，提供了一種用于精確測量半導體薄膜界面熱阻的方法，首先在高頻下測量半導體薄膜的熱導率與熱擴散率，然后在中低頻下測量半導體薄膜與基體構成的復合結構的等效熱導率，最后將界面熱阻從復合結構總熱阻抗中剝離，通過采用電阻溫度系數小的純電阻電橋電路，減弱了高頻下干擾信號對三次諧波的影響，同時頻譜分析儀測試諧波的頻率范圍遠大于常用鎖相放大器的倍頻范圍，提高了高頻下三次諧波的測量精度，借助周期激光光熱反射法測量的鉑膜探測器與金剛石薄膜之間的界面熱阻，提高了半導體薄膜熱導率和熱擴散率的高頻測量精度，利用多次諧波聯合測量，在單個試樣上實現半導體薄膜與基體之間界面熱阻的測量。
文檔編號G01N25/18GK102590724SQ20121002226
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月8日 優先權日2012年1月8日
發明者王照亮 申請人:中國石油大學(華東)