[发明专利]一种测量薄膜横向热导率的方法及装置

说明书

本发明提供一种测量薄膜横向热导率的方法，先用3ω法，以沉积在待测薄膜表面的第二金属条为加热源，测量待测薄膜的纵向热导率；待测薄膜底部设有衬底；纵向为垂直于待测薄膜的方向；再用3ω法，以第一金属条为加热源，测得待测薄膜纵向方向上的温升，结合已测得的纵向热导率推导出待测薄膜纵向方向上的热功率；同时测得第一金属条的温升，以及第一金属条的温升在待测薄膜横向产生的热场导致第二金属条的温升；最后计算厚度为d的待测薄膜的横向热导率。本发明采用“衬底/待测薄膜/金属条”样品结构，有效避免制备悬浮结构样品的工艺难点；使用双金属条可有精确地测量薄膜横向温差，测量结果精确度更高。

技术领域

本发明属于薄膜材料热物性测试技术领域，具体涉及一种测量薄膜横向热导率的方法及装置。

背景技术

热导率是表征薄膜材料热物理性能的重要参数之一。薄膜材料热导率的大小决定着薄膜导热或隔热的能力。比如，随着微电子器件向集成度更高方向发展，如果微电子器件的散热性能不好将导致器件单元局部高温，进而缩减器件的寿命甚至使器件坏掉，而热导率越高导热能力越强，散热能力越好；除此之外，隔热材料也可应用于建筑、海洋及航天等领域，比如，隔热材料可以尽可能的隔绝炎炎夏日对室内的影响，使室内保持凉爽的温度。所以热导率的研究就很有必要，而薄膜材料的各项异性导致薄膜材料各个方向的热导率有极大的差异，比如，相变存储器中超晶格相变材料，其纵向热导率由于界面热阻的影响而小于其横向热导率，如果能准确地测量出超晶格薄膜的各项热导率，那么对于相变存储器的发展有重大意义。因此研究薄膜横向热导率的测量方法及装置有很重要的现实意义。

目前常用的薄膜横向热导率测量方法分为稳态测量方法和瞬态测量方法。稳态测量方法包括悬膜法、微桥法与稳态双桥法。其中悬膜法(Phys.Status Solidi A 210,No.1,106–118(2013))与微桥法(A novel method for measuring the thermal conductivityof sub-micrometer thick dielectric films)与稳态双桥法(thermal conductivitymeasurements of thin film resist)这三种方法都因为所制备的样品需要是悬浮结构而使样品成功率极低，为测量横向热导率带来极大的困难。除此之外，悬膜法中薄膜横向传热距离假定为从金属条边沿处到热沉的距离，但是实际测量过程中如果待测薄膜热导率很低，那么实际横向传热的距离就很小，此时这种方法不适用；微桥法中所使用的传感器为热敏电阻或热电偶，无法精确地测量微小的温升；中国发明专利：一种基于热流传感器各向异性薄膜热导率测试方法及装置(公布号CN103940847A，公布日2014.07.23)中所示的测量薄膜横向热导率的方法是通过热流传感器直接测量不同位置的热流量得到横向热导率，这种方法虽然测量简单直接，但是测试时间长，忽略热对流与热辐射会影响测量结果的准确性。