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1、(10)申请公布号 CN 102221566 A (43)申请公布日 2011.10.19 CN 102221566 A *CN102221566A* (21)申请号 201110079809.4 (22)申请日 2011.03.31 G01N 25/20(2006.01) G01N 1/28(2006.01) (71)申请人 北京大学 地址 100871 北京市海淀区颐和园路 5 号 (72)发明人 黄如 林增明 黄欣 孙帅 (74)专利代理机构 北京万象新悦知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11360 代理人 贾晓玲 (54) 发明名称 一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的 方法 。
2、(57) 摘要 本发明公布了一种利用直流源测试不同材 料间边界热阻的方法， 具体包括 ： 构建一种特殊 的测试结构 ； 通过直流方法测出测试结构中样品 2(Y2) 和样品 1(Y1) 的整体热阻之差 ； 计算材料 A 和材料 B 之间的边界热阻 ； 改变输入直流电源的 输入功率， 重复上述步骤共 N 次， 得到 N 个边界热 阻， 取这N个边界热阻的算术平均值作为材料A和 材料 B 的边界热阻。本发明所提供的方法能够非 常简便而且有效地测试出不同材料薄层之间的边 界热阻， 对仪器设备要求简单， 且方便易操作， 测 试成本低廉， 适用范围广泛， 其测试结果对半导体 器件的设计有直接的指导作用。 。
3、(51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 CN 102221577 A1/1 页 2 1. 一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 1) 构建测试结构， 所述的测试结构包括一个衬底， 在衬底上形成样品 1(Y1) 和样品 2(Y2) ； 其中样品 1 包 含 3 层， 从下到上依次是材料 A 层、 材料 B 层和金属条 ； 样品 2 包含 5 层， 从下到上依次是材 料 A 层、 材料 B 层、 厚度为 a 的材料 A 层、 材料 B 层和金属条 ； 样品 1 和样。
4、品 2 的高度和宽度 相同， 并且样品 1 中的金属条和样品 2 中金属条的厚度和宽度相同 ； 样品 1 和样品 2 上层金 属条的两端和直流源相接 ； 2) 给样品 1 和样品 2 中同时通入功率为 P 的直流电， 通过测出样品 1 和样品 2 中金属 条的温度波动， 并利用金属条的电阻和温度相关系数计算出样品 2 与样品 1 中金属条的温 度之差 T， 从而计算出样品 2 和样品 1 的整体热阻之差 Z2-Z1； 3) 计算材料 A 和材料 B 之间的边界热阻 RA-B； 4) 改变输入直流电源的输入功率 P， 重复执行步骤 2、 3， 共 N(N 0) 次， 得到 N 个边界 热阻， 取。
5、这 N 个边界热阻的算术平均值作为材料 A 和材料 B 的边界热阻。 2. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述样品 1 和样品 2 之间的间距在 50nm-100nm 之间， 样品 2 中材料 A 层的厚度 a 在 1nm-3nm 之间。 3.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述材料B为电隔离材料， 否则， 在两个样品 的金属条和材料 B 之间增加一层电隔离材料。 4. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述金属条选用电阻温度相关系数明确的 金属材料。 5. 如权利要求 4 所述的方法， 其特征在于， 所述金属材料为 Cr 或者 Au。 6. 如权利要求 1 所。
6、述的方法， 其特征在于， 所述步骤 2) 中的测算样品 2 与样品 1 整体 热阻之差的方法为 ： 利用公式 Z2-Z1 T/P 计算出样品 2 与样品 1 的整体热阻之差 ； 其中 T 为样品 2 和样品 1 中金属条的温度之差， P 为所测物体的输入功率。 7. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述步骤 3) 中所述材料 A 和材料 B 之间的 边界热阻 RA-B的计算方法为 ： RA-B (Z2-Z1)/2。 8. 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述 N 的取值为 3 5。 权 利 要 求 书 CN 102221566 A CN 102221577 A1/3 页。
7、 3 一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种边界热阻的测试方法， 尤其是一种对于不同材料薄层之间边界热 阻的测试方法。 背景技术 0002 随着半导体产业的不断发展， 人们对材料的热特性测试的研究给与了越来越多的 关注， 尤其是随着器件特征尺寸的不断减小， 器件中所产的热量对器件特性的影响越来越 严重， 极大地制约了半导体产业的发展。所以近年来人们对半导体器件材料的散热进行了 系统的研究， 包括单根纳米线热导率的研究， 薄膜热导率的研究， 和整个器件热导率的研究 等等。然而对两种不同材料的边界热阻测试的研究却仍然是一个挑战。 0003 不同材料之间的边界。
8、热阻， 可以定义为边界两边的温度差与流过的功率流之比， 被普遍用作描述不同材料边界的传热特性。虽然到目前为止， 很多材料的边界热阻已经被 各种研究小组所测得， 比如， 文献 A.J.Schmidt.et al.Rev.Sci.Instrum.79， 114902(2008) 中对一种高度有序的石墨衬底和铝层之间的边界热阻和文献 C.Yu.et al.ASME J.Heat Transfer 128， 234_(2006) 中对一种 152nm 直径碳纳米纤维和铂金衬底之间的边界热阻。 然而， 对边界热阻的测试方法仍然仅限于TDTR(Time-domian thermoreflectance)方。
9、法， 或 其演变出来的方法。这些方法用到的实验设备比较昂贵， 对测试材料的选择也有一定的限 制， 严重地阻碍了人们对边界热阻的研究。 尤其随着器件特征尺度的不断减小， 测试的难度 逐渐加大。 发明内容 0004 本发明的目的是弥补现有技术的空白， 提供一种对不同材料薄层之间边界热阻的 测试方法， 该测试方法设备简易、 操作简单。 0005 本发明提供的技术方案如下 ： 0006 方案 1 ： 一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法， 其特征在于， 包括如下 步骤 ： 0007 1) 构建测试结构 ( 如图 1)， 0008 所述的测试结构包括一个衬底， 在衬底上形成样品 1(Y1) 和样品。
10、 2(Y2) ； 其中样品 1 包含 3 层， 从下到上依次是材料 A 层、 材料 B 层和金属条 ； 样品 2 包含 5 层， 从下到上依次 是材料 A 层、 材料 B 层、 厚度为 a 的材料 A 层、 材料 B 层和金属条 ； 样品 1 和样品 2 的高度和 宽度相同， 并且样品 1 中的金属条和样品 2 中金属条的厚度和宽度相同。样品 1 和样品 2 上层金属条的两端和直流源相接 ； 0009 2) 给样品 1 和样品 2 中同时通入功率为 P 的直流电， 通过测出样品 1 和样品 2 中 金属条的温度波动， 并利用金属条的电阻和温度相关系数计算出样品 2 与样品 1 中金属条 的温度。
11、之差 T， 从而计算出样品 2 和样品 1 的整体热阻之差 Z2-Z1； 0010 3) 计算材料 A 和材料 B 之间的边界热阻 RA-B； 说 明 书 CN 102221566 A CN 102221577 A2/3 页 4 0011 4) 改变输入直流电源的输入功率 P， 重复执行步骤 2、 3， 共 N(N 0) 次， 得到 N 个 边界热阻， 取这 N 个边界热阻的算术平均值作为材料 A 和材料 B 的边界热阻。 0012 方案 2 ： 作为方案 1 的一个优选方案， 其特征在于， 所述样品 1 和样品 2 之间的间 距在 50nm-100nm 之间， 样品 2 中材料 A 层的厚度。
12、 a 在 1nm-3nm 之间。 0013 方案 3 ： 作为方案 1 的一个优选方案， 其特征在于， 所述材料 B 为电隔离材料， 否 则， 在两个样品的金属条和材料 B 之间增加一层电隔离材料。 0014 方案 4 ： 作为方案 1 的一个优选方案， 其特征在于， 所述金属条选用电阻温度相关 系数明确的金属材料， 这样会使实验结果更加准确。 0015 方案 5 ： 作为方案 4 的一个优选方案， 其特征在于， 所述金属材料为 Cr 或者 Au。 0016 方案 6 ： 作为方案 1 的一个优选方案， 其特征在于， 所述步骤 2) 中的测算样品 2 与 样品 1 整体热阻之差的方法为 ： 利。
13、用公式 Z2-Z1 T/P 计算出样品 2 与样品 1 的整体热阻 之差 ； 其中 T 为样品 2 和样品 1 中金属条的温度之差， P 为所测物体的输入功率。 0017 方案 7 ： 作为方案 1 的一个优选方案， 其特征在于， 步骤 3) 中所述材料 A 和材料 B 之间的边界热阻 RA-B的计算方法为 ： RA-B (Z2-Z1)/2。 0018 对该公式的说明如下 ： 由于样品1和样品2在结构上存在的差别， 所以样品2和样 品 1 整体热阻 Z2和 Z1之差就可以表示为样品 2 中上层材料 A 和材料 B 之间的边界热阻加 中间层材料 A 和材料 B 之间的边界热阻加下层材料 A 和材。
14、料 B 之间的边界热阻加厚度为 a 的材料 A 层的热阻与样品 1 中材料 A 和材料 B 之间的边界热阻加厚度为 a 的材料 B 层热阻 之差。用公式表示为 ： 0019 Z2-Z1 RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B+RA.bulk-RA-B-RB.bulk 0020 其中 RA-top.B是样品 2 中上层材料 A 和材料 B 之间的边界热阻， RA-mid.B是样品 2 中 中间层材料 A 和材料 B 之间的边界热阻， RA-bot.B是样品 2 中下层材料 A 和材料 B 之间的边 界热阻， RA.bulk是厚度为 a 的材料 A 层的热阻， RB.bulk是样品 。
15、1 中厚度为 a 的材料 B 层热阻。 0021 当 a 小到一定程度时， 可以认为 (RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B-RA-B) (RA.bulk-RB.bulk)， 并且 认为 RA-top.B RA-bot.B RA-mid.B RA-B， 其中 RA-B为材料 A 和材料 B 之间的边界热阻。这时候 就可以简化上述公式， 得 ： 0022 Z2-Z1 RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B-RA-B 2RA-B 0023 即材料 A 和材料 B 之间的边界热阻 RA-B就可以表示为 ： RA-B (Z2-Z1)/2 0024 方案 8 ： 作为方案 。
16、1 的一个优选方案， 其特征在于， 所述 N 的取值为 3 5。 0025 本发明所提供的边界热阻的测试方法能够非常简便而且有效地测试出不同材料 薄层之间的边界热阻， 得到不同材料之间的热传输情况， 对仪器设备要求简单， 且方便易操 作， 测试成本低廉， 在普通的实验室就能进行， 并且适用范围非常广泛， 其测试结果对半导 体器件的设计有直接的指导作用。 附图说明 0026 图 1 ： 测试样品结构示意图。其中 Y1- 样品 1 ； Y2- 样品 2。 具体实施方式 0027 下边结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明， 给出一种直流源方法， 采用 说 明 书 CN 102221566 A C。
17、N 102221577 A3/3 页 5 差动思想， 通过利用一种特殊结构来实现不同材料薄层之间边界热阻的测试。 0028 一、 测试结构的形成工艺步骤 0029 1、 衬底为多晶硅衬底， 将衬底从中间分为左右两个位置， 淀积厚度为的二氧 化硅。 0030 2、 继续在二氧化硅层上淀积多晶硅， 并将左边的刻掉， 在二氧化硅层上的左右 两个位置留下厚度分别为厚的多晶硅。 0031 3、 淀积厚度为的二氧化硅， 然后用 CMP 工艺磨平， 使得多晶硅上方留下 厚度为的二氧化硅 ； 0032 4、 淀积的金属层， 然后刻成条金属条， 其中条宽大约在 100nm-500nm 之 间。 0033 5、 。
18、采用光刻技术并过刻大约的多晶硅， 在衬底上形成 2 种样品。 0034 二、 利用直流源法测出测试结构中样品 1 和样品 2 的整体热阻 Z1和 Z2。 0035 三、 计算材料 A 和材料 B 之间的边界热阻 RA-B。其中材料 A 是多晶硅， 材料 B 是二 氧化硅。 0036 Z2-Z1 RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B+RA.bulk-RA-B-RB.bulk 0037 其中 RA-top.B是样品 2 中上层材料 A 和材料 B 之间的边界热阻， RA-mid.B是样品 2 中 中间层材料 A 和材料 B 之间的边界热阻， RA-bot.B是样品 2 中下层材料 。
19、A 和材料 B 之间的边 界热阻， RA.bulk是厚度为 a 的材料 A 层的热阻， RB.bulk是样品 1 中厚度为 a 的材料 B 层热阻。 0038 取 a 2nm， 可以认为 (RA-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B-RA-B) (RA.bulk-RB.bulk)， 并且认为 RA-top. B RA-bot.B RA-mid.B RA-B， 其中 RA-B为材料 A 和材料 B 之间的边界热阻。这时候就可以得 到材料 A 和材料 B 之间的边界热阻 RA-B， 0039 RA-B (Z2-Z1)/2 0040 四、 改变直流电源的输入功率， 测试出N个RA-B， 求其算术平均值作为材料A和材料 B 薄层之间的边界热阻。 说 明 书 CN 102221566 A CN 102221577 A1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102221566 A 。