[发明专利]一种测试多层薄膜结构热物理性质的无损电测方法

说明书

本发明涉及一种测试多层薄膜结构热物理性质的无损电测方法，包括以下步骤：通过实验测试得到微加热器的实际温度变化；根据温度和热流连续性假设求解热扩散方程，结合热散射矩阵，得到微加热器理论温度变化的解析表达式，解析表达式与通入微加热器的交流电流的幅值与频率、多层薄膜结构的各层薄膜厚度、导热系数及体积比热关联；将实验测试中微加热器的相关参数作为已知量以及每一交流电流的频率点下假设的热物理参数，代入解析表达式，计算得到理论温度变化；将实际温度变化和理论温度变化进行拟合，即可提取出各层的热物理性质。本发明避免对样品进行多次磨片、剖光，实现精确快速实时检测多层结构材料各层热物理性质。

技术领域

本发明涉及微尺度下热物理性质检测技术领域，尤其是一种测试多层薄膜结构热物理性质的无损电测方法。

背景技术

随着半导体芯片技术的发展，越来越小的芯片结构上集成越来越多的元器件，导致芯片工作时的热流密度已达到100W/m²以上，超过了航天器返回地球时与大气摩擦产生的热流密度。散热成为制约芯片性能的关键问题之一。导热系数和比热容是评价一个材料传热能力和储热能力的重要指标。芯片后道(BEOL)成型为多层结构，精确测定多层薄膜结构的各层热物理性质(各层材料热学性质包括导热系数、比热容以及层间界面热阻)，对芯片热设计与热防护有极其重要的指导意义。

微纳米多层薄膜结构的热物理性质(导热系数、比热容、界面热阻)的测试技术主要分两类：电测法和光测法。经典的光测法包括时域激光热反射法(Time Domain ThermalReflectance；TDTR)和频域热反射法(Frequency Domain Thermal Reflectance；FDTR)，但光测法的光路相对复杂，成本高，且只能在待测样品表面进行加热；电测法有自加热法、热桥法、T型桥法，3omega法等，其中传统3omega法热学模型与芯片符合度高，但传统3omega法将微型加热器生长在样品表面，测试的灵敏度会因芯片材料和结构的复杂性而降低，若要精确测量每一层材料的热物理性质，需对多层结构进行多次磨片、剖光处理，再在表面制备微加热器。该有损测试技术缺点较为明显：1)对样品造成了结构上的破坏；2)对磨片、剖光等加工工艺提出了较高的要求，使得测试过程繁复，测试周期延长，对测试结果的精确程度造成了一定的影响；3)更为关键的是，无法在芯片工作过程中进行实时测试，而实时的热物理性质才是指导芯片设计最关键的数据。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种测试多层薄膜结构热物理性质的无损电测方法，实现在不磨片的前提下，无损检测微纳米尺度多层薄膜结构热物理性质。

本发明采用的技术方案如下：

一种测试多层薄膜结构热物理性质的无损电测方法，包括以下流程：

S1：实验测试：对微加热器通以交流电流使其产生焦耳热，测得所述微加热器两端的一倍频电压信号、三倍频电压信号，基于3omega法计算实验中微加热器的实际温度变化ΔT_{heater-实验}；

S2：建立热学理论模型，包括以下步骤：

S21、在多层薄膜结构中的任意位置放置至少一个已预先获得电阻-温度特性的微加热器，基于温度和热流连续性假设，求解热扩散方程，然后建立多层薄膜结构内温度及热流量在层内与层间的传递关系；

S22、基于热学模型，结合热散射矩阵，求解微加热器的理论温度变化ΔT_{heater-理论}的解析表达式，所述解析表达式与所述微加热器的加热电流的幅值与频率、各层薄膜厚度、导热系数、以及体积比热关联；将实验测试中所述交流电流、所述三倍频电压信号及所述电阻-温度特性的已知量，以及每一交流电流的频率点下假设的热物理参数，代入所述解析表达式，计算得到理论温度变化ΔT_{heater-理论}；