[发明专利]一种快速测量半导体薄膜面向导热系数的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种适用膜厚为纳米量级的快速测量半导体薄膜面向导热系数的方法。

背景技术

随着半导体薄膜材料被广泛应用于微/纳电子器件、光电子器件等领域，同时，随着集成电路系统特征尺寸的持续降低，纳米结构材料的热学性能表征技术越来越受到重视。半导体薄膜的导热特性与体材料相比有很大差异，开展纳米级半导体薄膜导热特性的研究有利于科学指导微电子器件热设计和热管理。薄膜尤其是纳米级半导体薄膜面向导热系数比法向导热系数测量难度大很多，现阶段的实验方法大多集中在纳米级半导体薄膜法向导热系数的实验测量，而且对于厚度20nm的微纳米级半导体薄膜测量，更没有能快速、精确测量的方法。

发明内容

本发明为了实现纳米级特别是微纳米级半导体薄膜面向导热系数的快速、精确测量，提出了一种快速测量半导体薄膜面向导热系数的方法。

本发明提供的一种快速测量半导体薄膜面向导热系数的方法为给低维、低导热系数的基础材料表面真空溅射厚度为δ₁的金薄膜，并通过瞬态电热技术计算其热扩散系数α_w。在现有技术的基础上，本发明还作出如下改进：给所述溅射金薄膜的基础材料上溅射n次厚度为δ₂的半导体薄膜形成n个样品，在同等环境条件下对所述n个样品分别通过瞬态电热技术计算其热扩散系数α_eff，n，对n组α_eff，n进行线性拟合得到slope，

所述slope＝4δ_max[k_c-α_w(ρc_p)_c]/πD(ρc_p)_w(1)

其中，δ_max＝n×δ₂，k是导热系数，ρ是密度，c_p是比热容，D是基础材料的直径，下标c代表半导体薄膜层，下标w代表镀金膜的基础材料，根据公式(1)即可求解厚度为δ₂的半导体薄膜的导热系数k_c。

所述通过瞬态电热技术测量α_w的方法为：将镀了金薄膜的基础材料搭在两个电极上，所述基础材料优选微米级玻璃纤维，在基础材料(下述基础材料均表示镀了金薄膜的基础材料)与电极接触点用银胶连接，测量时将基础材料置于真空腔中以降低气体传导的效果。给基础材料通入方波电流，对基础材料进行电加热，由于基础材料温度的变化会引起其电阻的变化，在通入方波电流的情况下，其电压也会发生变化。因此，基础材料温度的变化可以通过检测电压的变化来实现。

图1给出了瞬态电热技术实验原理示意图，其中，示波器和电流源并联在两电极的两端，电流源提供方波电流进行电加热，示波器记录基础材料的电压变化。图2给出了通入方波电流后对应的电压变化，从V₀到V₁的瞬态过程可以用于确定基础材料的热扩散系数α_w。

为了能从图2示出的电压随时间变化的曲线中得到热扩散系数α_w，需要结合温度变化和电压变化关系的理论解来拟合测量数据。传热模型可视为一维传热，即传热沿x方向进行，初始条件是T(x，t＝0)＝T₀，T₀为环境温度，因为电极的尺寸远大于基础材料的尺寸，在整个测量过程中可认为电极的温度恒定，所以边界条件可描述为T(x＝0，t)＝T(x＝L，t)＝T₀。对于沿x方向的热传导，忽略热辐射的影响，控制方程如下：