JPH04273144A - 薄膜温度伝導率測定方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に形成された薄
膜材料の温度伝導率（熱拡散率）を測定する方式に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】薄膜材料の熱物性値（熱伝導率，温度伝
導率）の測定方法としては、従来、光交流法（八田ら、
固体物理，２１（５），１９８６，２９．），ヒートパ
ルス法（Ｌ．Ｊ．ボルトナー，ジャーナル・アプライド
・フィジックス，６１（９），１９８７，４４５２．）
，放射冷却法（小野ら、ジャパニーズ・ジャーナル・ア
プライド・フィジックス，２５，１９８６，Ｌ８０８．
）などが知られている。光交流法は短冊状試料の一部分
を光照射により交流的に加熱し、加熱部分から離れた点
での温度応答の観測より薄膜試料の温度伝導率を測定す
る方法である。ヒートパルス法は短冊試料上に加熱源お
よび温度センサをある距離をもって形成し、試料をパル
ス的に加熱したときの温度観測点における温度応答より
試料の熱伝導率を測定する方法である。放射冷却法は短
冊状被測定薄膜の両端を加熱源として働くクランプで固
定し、試料を真空中において定常的に加熱した際の試料
内の温度分布を放射温度計により測定し、試料の熱伝導
率を求める方法である。

【０００３】上記測定法を基板上に形成した薄膜の測定
に適用する場合には、試料断面内での温度は均一と考え
ることにより基板と薄膜の複合的な熱伝導率，温度伝導
率を測定し、基板の熱伝導の効果をそれから差し引くこ
とにより薄膜の熱伝導率，温度伝導率を求める。光交流
法の場合には薄膜，基板の温度伝導率をそれぞれａｆ　
，ａｓ　，薄膜，基板の厚さをｔｆ　，ｔｓ　とすると
、測定より得られる見かけの温度伝導率ａは近代的に次
式のように関係づけられる。

【０００４】

【０００５】また基板上に形成された薄膜の熱伝導率を
基板の物性，厚さの関係なく測定を行える方法として、
被測定薄膜上に膜厚に較べて十分幅の小さな金属細線を
形成し、これをステップ関数的に通電加熱した際の細線
温度変化を観測することにより熱伝導率測定を行う方法
を考案されている。この方法では、被測定薄膜の熱伝導
率λは単位長さ当たりの細線の発熱量をｑとしたとき、
熱が基板に達する前の時間範囲において

【０００６】

【０００７】として得ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記に示したような薄
膜材料の熱物性値測定に従来用いられてきた方法のほと
んどは、薄膜自体が自立できる膜の測定に適したもので
あり、基板上に形成された薄膜の熱伝導率や温度伝導率
を測定する場合には、基板の熱伝導率あるいは温度伝導
率が薄膜に較べて大きい場合には測定精度が極めて悪化
すること、測定精度を上げるためには基板の厚さを極力
薄くする必要があること、基板の熱物性値の正確な値が
必要なこと、薄膜−基板境界の熱接触が測定結果に影響
することなどの問題があり、特に熱伝導率，温度伝導率
の小さな絶縁体薄膜の測定は非常に困難である。

【０００９】また細線加熱を用いた方法は、基板の物性
，厚さに影響させることなく測定を行うことができるが
、細線の幅は被測定薄膜の厚さに較べて十分に小さくな
ければならないため、厚さ１μｍ以下の薄膜の判定に適
用することは困難である。また、この方法では熱が薄膜
内部を伝わる極めて短い時間範囲における細線温度変化
を絶対値として正確に測定する必要があるが、観測シス
テムの性能，外乱の影響，ノイズ等の原因により測定が
困難な場合も多い。

【００１０】そこで本発明は、基板上に形成した薄膜材
料の温度伝導率を、基板の物性や厚さ、薄膜−基板間の
熱抵抗に関係なく測定が可能で、厚さ１μｍ以下の薄膜
の測定にも適用できる測定方法を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜温度伝導率
測定方式は、発熱源から被測定薄膜に熱を与え、その熱
によって薄膜内部に生じる過渡的温度変化の測定により
薄膜の温度伝導率を測定する測定方式において、熱源お
よび温度センサとして被測定薄膜上に、一方の端同士は
電気的に接続され、他方の端には電流供給用端子および
電圧測定用端子を有する２本の帯状金属細線を膜厚以下
の間隔をもって並行に形成し、これをステップ関数的に
通電加熱したときの細線温度の時間変化を細線の抵抗変
化として観察することにより薄膜の温度伝導率測定を行
うことを特徴とする。

【００１２】また本発明の薄膜温度伝導率測定方式は、
熱源および温度センサとして働く細線と被測定薄膜の間
に絶縁膜を形成することを特徴とする。

【００１３】また本発明の薄膜温度伝導率測定方法は、
熱源および温度センサとして働く細線として、上記の帯
状平行細線と、両端に電流供給用端子および電圧測定用
端子を有する単独の帯状細線の２種類の細線を用い、そ
れぞれをステップ関数的に加熱したときの細線温度変化
の差を検出することにより、被測定薄膜の温度伝導率測
定を行うことを特徴とする。

【００１４】

【作用】以下、図面を参照しながら本発明の作用を説明
する。図２，図３に示すように被測定薄膜上に間隔２Ｗ
をもって並行に形成した２本の帯状金属細線（幅２ｄ，
長さ２ｈ）を同時にステップ関数的に通電加熱すること
により薄膜を加熱したとき、両細線の中間位置ｃ面（図
２，図３参照）においては断熱条件が満たされることに
なる。また、薄膜表面からの熱の逃げは無視できるとす
ると、熱伝導のモデルは図６の通りとなり、これより細
線の平均温度上昇ΔＴは熱が基板に伝わる前の時間範囲
において次式のように表される。

【００１５】

【００１６】ここでＰ０　は細線の総発熱量、λ，ａは
それぞれ被測定薄膜の熱伝導率，温度伝導率であり、ｔ
は加熱開始からの時間である。

【００１７】（３）式の右辺第１項は帯状熱源が単独に
存在する場合の温度変化を表しており、右辺第２項は平
行にもう１本の帯状熱源があることによる効果を表して
いる。熱源により発生した熱が、両細線の中間位置ｃ面
に達する前の時間範囲においてはｇ（τ）零と見なすこ
とができ、細線温度は単独細線で加熱した場合と等しく
変化する。熱がｃ面に達するとｇ（τ）が大きくなり、
細線温度上昇の速度は増大する。ｇ（τ）は被測定薄膜
の温度伝導率ａ，細線間距離（２Ｗ），細線の幅（２ｄ
），および時間ｔにより決定されるので、Ｗ，ｄがわか
っていれば、細線温度の上昇速度が変化する時間ｔｃ　
を測定することにより薄膜の温度伝導率ａを求めるこが
できる。

【００１８】また、上述した測定方法では被測定薄膜上
に直接細線を形成するために、被測定薄膜が導電性をも
つ場合には測定は不可能である。そこで図３に示すよう
に、被測定薄膜と細線の間に、被測定薄膜の膜厚に較べ
て十分薄い絶縁膜を形成することにより導電性薄膜につ
いても同様に、上述した測定原理によって薄膜温度伝導
率の測定が可能となる。

【００１９】また、細線幅と被測定薄膜の膜厚の比（細
線幅／膜厚）が大きくなると（約１／４以上），細線温
度の上昇速度が変化する時間ｔｃ　を検知することが困
難となる。こうした場合には上述した平行細線を用いた
測定と共に、同じ細線幅，同じ抵抗値を有する単独細線
を用いた測定を行い、両者の差を求めることにより（３
）式の右辺第２項の変化を正確にとらえることが可能と
なり、薄膜温度伝導率の測定が可能となる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明を説明する
。図１は本発明の測定方法に基づいた薄膜熱伝導率測定
装置の構成を示す図である。図２は被測定薄膜上に形成
した帯状平行細線を示す平面図、図３はその断面図であ
る。細線は被測定薄膜上に金属膜を形成した後、リソグ
ラフィ等の方法によりパターニングして形成する。細線
を加熱するための定電流は電源５によりステップ関数的
に発生され、電流供給用プローブ３より電流供給用パッ
ド８を介して細線に供給される。細線部における電圧降
下は電圧測定用パッド９に電圧測定用プローブ４を接触
させ、電圧測定装置６により測定される。

【００２１】図７に線幅０．６μｍ，長さ５００μｍ，
線間隔１μｍの細線を用い、シリコン基板上に形成した
厚さ１μｍのシリコン酸化膜の測定を行ったときの、細
線の温度上昇（ΔＴ）と対数時間（ｌｎｔ）の関係を示
す。加熱開始後約１〜２０ｎｓの時間範囲では直線関係
が得られている。これは発生した熱がｃ面に到達する前
の現象を表しており、（３）式の右辺第２項が無視でき
る。従ってこの時間範囲での測定は単独細線を用いた場
合と等しくなる。約３０ｎｓ以後では直線の傾きに変化
が生じているが、これは熱がｃ面に到達し、ｃ面におけ
る断熱条件が満たされ、（３）式の右辺第２項が無視で
きなくなったことによる。

【００２２】さらに１５０ｎｓ以後では再び直線関係が
成立しなくなっているが、これは熱がシリコン基板に伝
わったためである。このように本発明の測定方法では、
熱が基板に伝わった時点を容易に検知することができる
ため、それ以前の測定データを解析することにより基板
材料に影響させることなく被測定薄膜の温度伝導率測定
を行うことができる。

【００２３】図８は様々な温度伝導率を有する薄膜につ
いて、図７で述べた直線の傾きが変化する時間ｔｃ　と
薄膜の温度伝導率ａの関係を調べた結果である（細線幅
は０．４μｍ）。同図に示されるように、被測定薄膜の
温度伝導率ａとｔｃ　が一意的に関係づけられる。従っ
て、ｄ，Ｗがわかっていれば、ｔｃ　を測定することに
よって、被測定薄膜の温度伝導率ａを求めることが可能
である。さらに、細線間距離の異なる２種類以上の細線
パターンを用いて測定を行うことによっても、測定を簡
易化あるいは高精度化することができる。

【００２４】被測定薄膜が導電性薄膜の場合には、図４
に示すように被測定薄膜上に薄い絶縁膜を形成すること
により同様に測定を行うことができる。図９はシリコン
基板上に形成した厚さ２μｍのアルミニウム薄膜につい
て、アルミニウム薄膜上の絶縁膜として厚さ１０ｎｍの
シリコン酸化膜を形成し、その上に細線を形成すること
によって測定を行った結果である。同図に示されるよう
に、細線と被測定薄膜の間に絶縁膜を形成することによ
って、通電性薄膜の判定も絶縁膜と同様に行うことがで
きる。

【００２５】図１０において実線で示した結果は細線幅
１μｍの平行細線を用いてシリコン基板上に形成した厚
さ１μｍのシリコン酸化膜の測定を行った結果である。 細線幅が大きいためにｔｃ　を求めることが困難となっ
ている。こうした場合には同じ線幅を有する図５に示し
たような単独細線を用いて測定を行うことによりｔｃ　
の決定が可能となる。図１０の破線で示した結果が細線
幅１μｍの単独細線を用いて判定を行った結果であり、
平行細線，単独細線の差を示したのが図１１である。こ
のようにして、平行細線，単独細線を合わせて用いるこ
とにより比較的幅の広い細線を用いても薄膜の温度伝導
率測定を行うことができる。また、平行細線と単独細線
の差より測定を行う方法では、供給電流の変動や観測系
のもつ系統誤差がキャンセルできるために、高い精度で
温度伝導率測定を実行することができる。

【００２６】本発明による測定方式は基板上に形成され
た単層の薄膜の測定以外にも、多層に形成された薄膜の
判定に適用することも可能であることは明白である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の薄膜
温度伝導率測定方式を用いれば、基板上に形成された薄
膜材料の温度伝導率を、基板の熱物性値や厚さによらず
に高精度に絶対測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の薄膜熱物性値測定装置を示
す図である。

【図２】被測定薄膜上に形成した帯状平行細線を示す平
面図である。

【図３】被測定薄膜上に形成した帯状平行細線を示す断
面図である。

【図４】絶縁膜上に形成した細線を示す断面図である。

【図５】被測定薄膜上に形成した帯状単独細線を示す平
面図である。

【図６】熱伝導モデルを示す図である。

【図７】シリコン酸化膜の測定をした場合の細線温度上
昇と対数時間の関係を示す図である。

【図８】被測定薄膜の温度伝導率と直線の傾きが変化す
る時間の関係を示す図である。

【図９】アルミニウム薄膜を測定した場合の細線温度上
昇と対数時間の関係を示す図である。

【図１０】幅の広い細線を用いてシリコン酸化膜の測定
をした場合の細線温度上昇と対数時間の関係を示す図で
ある。

【図１１】平行細線による測定結果と単独細線による測
定結果の差を示す図である。

【符号の説明】

１　　　　測定試料 ２　　　　細線 ３　　　　電流供給用プローブ ４　　　　電圧測定用プローブ ５　　　　電源 ６　　　　電圧測定装置 ７　　　　計算機

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　発熱源から被測定の薄膜に熱を与えそ
   の熱によって前記薄膜内部に生じる過渡的温度変化の測
   定により薄膜の温度伝導率を測定する薄膜温度伝導率測
   定方式において、前記薄膜上に一方の端同士が電気的に
   接続され他方の端が電流供給用端子および電圧測定用端
   子を有する２本の帯状金属細線を前記薄膜の膜厚以下の
   間隔をもって並行に形成し、ステップ関数的に通電加熱
   したときの前記細線の温度の時間変化を前記細線の抵抗
   変化により前記薄膜の温度伝導率測定を行う手段とを有
   することを特徴とする薄膜温度伝導率測定方式。
2. 【請求項２】　　前記細線と前記薄膜の間に絶縁膜を形
   成することを特徴とする請求項１記載の薄膜温度伝導率
   測定方式。
3. 【請求項３】　　前記細線として両端に電流供給用端子
   および電圧測定用端子を有する単独の帯状細線の２種類
   の細線を更に用い、ステップ関数的に加熱したときの前
   記細線温度変化の差を検出することにより前記薄膜の温
   度伝導率測定を行う手段とを有することを特徴とする請
   求項１記載の薄膜温度伝導率測定方式。