專利名稱：一種利用直流源測試不同材料間邊界熱阻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種邊界熱阻的測試方法，尤其是一種對于不同材料薄層之間邊界熱阻的測試方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對材料的熱特性測試的研究給與了越來越多的關(guān)注，尤其是隨著器件特征尺寸的不斷減小，器件中所產(chǎn)的熱量對器件特性的影響越來越嚴重，極大地制約了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所以近年來人們對半導(dǎo)體器件材料的散熱進行了系統(tǒng)的研究，包括單根納米線熱導(dǎo)率的研究，薄膜熱導(dǎo)率的研究，和整個器件熱導(dǎo)率的研究等等。然而對兩種不同材料的邊界熱阻測試的研究卻仍然是一個挑戰(zhàn)。不同材料之間的邊界熱阻，可以定義為邊界兩邊的溫度差與流過的功率流之比， 被普遍用作描述不同材料邊界的傳熱特性。雖然到目前為止，很多材料的邊界熱阻已經(jīng)被各種研究小組所測得，比如，文獻 A. J. Schmidt, et al. Rev. Sci. Instrum. 79，114902(2008) 中對一種高度有序的石墨襯底和鋁層之間的邊界熱阻和文獻C. Yu. et al. ASME J. Heat Transfer 128，234_(2006)中對一種152nm直徑碳納米纖維和鉬金襯底之間的邊界熱阻。 然而，對邊界熱阻的測試方法仍然僅限于TDTR(Time-domian thermoreflectance)方法，或其演變出來的方法。這些方法用到的實驗設(shè)備比較昂貴，對測試材料的選擇也有一定的限制，嚴重地阻礙了人們對邊界熱阻的研究。尤其隨著器件特征尺度的不斷減小，測試的難度逐漸加大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是彌補現(xiàn)有技術(shù)的空白，提供一種對不同材料薄層之間邊界熱阻的測試方法，該測試方法設(shè)備簡易、操作簡單。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下方案1 一種利用直流源測試不同材料間邊界熱阻的方法，其特征在于，包括如下步驟1)構(gòu)建測試結(jié)構(gòu)(如圖1)，所述的測試結(jié)構(gòu)包括一個襯底，在襯底上形成樣品I(Yl)和樣品2(Y2)；其中樣品 1包含3層，從下到上依次是材料A層、材料B層和金屬條；樣品2包含5層，從下到上依次是材料A層、材料B層、厚度為a的材料A層、材料B層和金屬條；樣品1和樣品2的高度和寬度相同，并且樣品1中的金屬條和樣品2中金屬條的厚度和寬度相同。樣品1和樣品2 上層金屬條的兩端和直流源相接；2)給樣品1和樣品2中同時通入功率為P的直流電，通過測出樣品1和樣品2中金屬條的溫度波動，并利用金屬條的電阻和溫度相關(guān)系數(shù)計算出樣品2與樣品1中金屬條的溫度之差Δ T，從而計算出樣品2和樣品1的整體熱阻之差Z2-Z1 ；3)計算材料A和材料B之間的邊界熱阻Ra_b ；
4)改變輸入直流電源的輸入功率P，重復(fù)執(zhí)行步驟2、3，共N(N> 0)次，得到N個邊界熱阻，取這N個邊界熱阻的算術(shù)平均值作為材料A和材料B的邊界熱阻。方案2 作為方案1的一個優(yōu)選方案，其特征在于，所述樣品1和樣品2之間的間距在50nm-IOOnm之間，樣品2中材料A層的厚度a在lnm_3nm之間。方案3 作為方案1的一個優(yōu)選方案，其特征在于，所述材料B為電隔離材料，否則，在兩個樣品的金屬條和材料B之間增加一層電隔離材料。方案4 作為方案1的一個優(yōu)選方案，其特征在于，所述金屬條選用電阻溫度相關(guān)系數(shù)明確的金屬材料，這樣會使實驗結(jié)果更加準確。方案5 作為方案4的一個優(yōu)選方案，其特征在于，所述金屬材料為Cr或者Au。方案6 作為方案1的一個優(yōu)選方案，其特征在于，所述步驟2)中的測算樣品2與樣品1整體熱阻之差的方法為利用公SZ2-Z1= Δ T/P計算出樣品2與樣品1的整體熱阻之差；其中Δ T為樣品2和樣品1中金屬條的溫度之差，P為所測物體的輸入功率。方案7:作為方案1的一個優(yōu)選方案，其特征在于，步驟3)中所述材料A和材料B 之間的邊界熱阻ra-b的計算方法為Ra-b = (Z2-Z1)^0對該公式的說明如下由于樣品1和樣品2在結(jié)構(gòu)上存在的差別，所以樣品2和樣品1整體熱阻Z2和Z1之差就可以表示為樣品2中上層材料A和材料B之間的邊界熱阻加中間層材料A和材料B之間的邊界熱阻加下層材料A和材料B之間的邊界熱阻加厚度為a 的材料A層的熱阻與樣品1中材料A和材料B之間的邊界熱阻加厚度為a的材料B層熱阻之差。用公式表示為Z2-Z1 一 I^A-top.B+RA-mid. B+I^A-bot. B+Ra. bulk~^A-B~^B· bulk其中RA_t。p.B是樣品2中上層材料A和材料B之間的邊界熱阻，RA_mid.B是樣品2中中間層材料A和材料B之間的邊界熱阻，RA_b。t.B是樣品2中下層材料A和材料B之間的邊界熱阻，RA.bulk是厚度為a的材料A層的熱阻，RB.bulk是樣品1中厚度為a的材料B層熱阻。當a小到一定程度時，可以認為 (尺A-top.B+RA-mid.B+RA-bot.B_RA-B)》(尺A. bulk_I^B· bulk)，并且認為RA-t。P.B = RA-bot.B = RA-mid.B = RA-B，其中Ra-b為材料A和材料B之間的邊界熱阻。這時候就可以簡化上述公式，得Z2-Z1 = RA-top. B+RA-mid. B+RA-bot. B_RA-B = 2RA-B即材料A和材料B之間的邊界熱阻Ra_b就可以表示為Ra_b = (Z2-Z1) /2方案8 作為方案1的一個優(yōu)選方案，其特征在于，所述N的取值為3 5。本發(fā)明所提供的邊界熱阻的測試方法能夠非常簡便而且有效地測試出不同材料薄層之間的邊界熱阻，得到不同材料之間的熱傳輸情況，對儀器設(shè)備要求簡單，且方便易操作，測試成本低廉，在普通的實驗室就能進行，并且適用范圍非常廣泛，其測試結(jié)果對半導(dǎo)體器件的設(shè)計有直接的指導(dǎo)作用。


圖1 測試樣品結(jié)構(gòu)示意圖。其中Yl-樣品1 ；Y2-樣品2。
具體實施例方式下邊結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明，給出一種直流源方法，采用差動思想，通過利用一種特殊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)不同材料薄層之間邊界熱阻的測試。一、測試結(jié)構(gòu)的形成工藝步驟1、襯底為多晶硅襯底，將襯底從中間分為左右兩個位置，淀積厚度為200 A的二氧化硅。2、繼續(xù)在二氧化硅層上淀積20A多晶硅，并將左邊的刻掉，在二氧化硅層上的左右兩個位置留下厚度分別為0、20A厚的多晶硅。3、淀積厚度為300 A的二氧化硅，然后用CMP工藝磨平，使得20 A多晶硅上方留下厚度為100 A的二氧化硅；4、淀積50A-60A的金屬層，然后刻成條金屬條，其中條寬大約在100nm-500nm之間。5、采用光刻技術(shù)并過刻大約IOOA的多晶硅，在襯底上形成2種樣品。二、利用直流源法測出測試結(jié)構(gòu)中樣品1和樣品2的整體熱阻Z1和Z2。三、計算材料A和材料B之間的邊界熱阻Ra_b。其中材料A是多晶硅，材料B是二
氧化硅。Z2-Z1 一 I^A-top.B+RA-mid. B+I^A-bot. B+Ra. bulk—bulk其中RA_t。p.B是樣品2中上層材料A和材料B之間的邊界熱阻，RA_mid.B是樣品2中中間層材料A和材料B之間的邊界熱阻，RA_b。t.B是樣品2中下層材料A和材料B之間的邊界熱阻，RA.bulk是厚度為a的材料A層的熱阻，RB.bulk是樣品1中厚度為a的材料B層熱阻。取a = 2nm，可以認為(RA-t。p.B+RA-mid.B+RA-b。t.B-RA-B)》(RA.bulk-RB.bulk)，并且認為 RA-t。P. B = RA-bot.B = RA-fflid.B = RA-B，其中RA-B為材料A和材料B之間的邊界熱阻。這時候就可以得到材料A和材料B之間的邊界熱阻RA_B，RA_B = (Z2-Z1) /2四、改變直流電源的輸入功率，測試出N個RA_B，求其算術(shù)平均值作為材料A和材料 B薄層之間的邊界熱阻。
權(quán)利要求
1.一種利用直流源測試不同材料間邊界熱阻的方法，其特征在于，包括如下步驟1)構(gòu)建測試結(jié)構(gòu)，所述的測試結(jié)構(gòu)包括一個襯底，在襯底上形成樣品1 (Yl)和樣品2(Y2)；其中樣品1包含3層，從下到上依次是材料A層、材料B層和金屬條；樣品2包含5層，從下到上依次是材料A層、材料B層、厚度為a的材料A層、材料B層和金屬條；樣品1和樣品2的高度和寬度相同，并且樣品1中的金屬條和樣品2中金屬條的厚度和寬度相同；樣品1和樣品2上層金屬條的兩端和直流源相接；2)給樣品1和樣品2中同時通入功率為P的直流電，通過測出樣品1和樣品2中金屬條的溫度波動，并利用金屬條的電阻和溫度相關(guān)系數(shù)計算出樣品2與樣品1中金屬條的溫度之差Δ T，從而計算出樣品2和樣品1的整體熱阻之差Z2-Z1 ；3)計算材料A和材料B之間的邊界熱阻Ra_b；4)改變輸入直流電源的輸入功率P，重復(fù)執(zhí)行步驟2、3，共Ν(Ν>0)次，得到N個邊界熱阻，取這N個邊界熱阻的算術(shù)平均值作為材料A和材料B的邊界熱阻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述樣品1和樣品2之間的間距在 50nm-IOOnm之間，樣品2中材料A層的厚度a在lnm_3nm之間。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料B為電隔離材料，否則，在兩個樣品的金屬條和材料B之間增加一層電隔離材料。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬條選用電阻溫度相關(guān)系數(shù)明確的金屬材料。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述金屬材料為Cr或者Au。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中的測算樣品2與樣品1整體熱阻之差的方法為利用公式Z2-Z1 = ΔΤ/Ρ計算出樣品2與樣品1的整體熱阻之差；其中 Δ T為樣品2和樣品1中金屬條的溫度之差，P為所測物體的輸入功率。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中所述材料A和材料B之間的邊界熱阻Ra-b的計算方法為RA-B = (Z2-Z1)/2。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述N的取值為3 5。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種利用直流源測試不同材料間邊界熱阻的方法，具體包括構(gòu)建一種特殊的測試結(jié)構(gòu)；通過直流方法測出測試結(jié)構(gòu)中樣品2(Y2)和樣品1(Y1)的整體熱阻之差；計算材料A和材料B之間的邊界熱阻；改變輸入直流電源的輸入功率，重復(fù)上述步驟共N次，得到N個邊界熱阻，取這N個邊界熱阻的算術(shù)平均值作為材料A和材料B的邊界熱阻。本發(fā)明所提供的方法能夠非常簡便而且有效地測試出不同材料薄層之間的邊界熱阻，對儀器設(shè)備要求簡單，且方便易操作，測試成本低廉，適用范圍廣泛，其測試結(jié)果對半導(dǎo)體器件的設(shè)計有直接的指導(dǎo)作用。
文檔編號G01N25/20GK102221566SQ201110079809
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者孫帥, 林增明, 黃如, 黃欣 申請人:北京大學(xué)