(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に部分的に薄膜が形成された試料上に温度変化に光反射率変化が比例する金属からなる金属薄膜を形成し、薄膜の端部上の位置にプローブ・レーザー光を照射すると同時に、その照射領域から外れた薄膜が形成されていない基板上の該金属薄膜に周期的に該プローブ・レーザー光とは波長の異なるレーザー光を照射して該薄膜試料を加熱する第１加熱と、続いてその照射領域から外れた薄膜が形成されている基板上の該金属薄膜に周期的に該レーザー光を照射して該薄膜試料を加熱する第２加熱を行い、該プローブ・レーザー光の反射光を波長を選択して透過させる光学フィルターを介してフォトダイオード等の光学センサーで受光し、その受光信号をロックイン増幅器で検波することにより該プローブ・レーザー光の照射点の温度変化を非接触式に測定し、温度振幅の対数減衰率及び位相変化率を求めて該薄膜の面内方向の熱拡散率を測定することを特徴とするレーザー加熱オングストローム法による薄膜の熱拡散率測定方法。
【請求項２】
一様なレーザー光を上記金属薄膜に照射し、上記プローブ・レーザー光をレンズにより集光させて該金属薄膜に照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザー加熱オングストローム法による薄膜の熱拡散率測定方法。
【請求項３】
基板上に部分的に薄膜が形成され温度変化に光反射率変化が比例する金属からなる金属薄膜を形成した試料の薄膜の端部上の位置に集光レンズにより集光されたレーザー光を照射するプローブ・レーザー光源と、該試料の該プローブ・レーザー光の照射領域から外れた薄膜が形成されていない基板上の位置および薄膜が形成されている基板上の位置に一様なレーザー光を移動照射可能なレーザー光源と、該集光されたレーザー光の該照射領域からの反射光の波長を選択して透過させる光学フィルターと、該光学フィルターで選択された該反射光を受光するフォトダイオード等の光学センサーと、該光学センサーに接続してその受光信号を検波することにより該照射領域の経時的な温度変化を測定するロックイン増幅器と、温度振幅の対数減衰率及び位相変化率を求める演算器とを設けたことを特徴とするレーザー加熱オングストローム法による薄膜の熱拡散率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの電気絶縁膜などの薄膜試料であって厚さ依存性のある薄膜の熱拡散率をレーザー加熱オングストローム法により測定する方法とその測定に使用される装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザー光を自立した短冊状の厚さ３μｍ〜０．５ｍｍ程度の薄膜試料に周期的に照射し、熱拡散率を測定することは行われており、レーザー加熱オングストローム法（ＡＣ法、交流法、或いはＡＣカロリーメトリー法）と呼ばれている。この測定方法では、図１に示したように、一様な帯状のレーザー光ａを薄膜試料ｂの一部に周期的に照射してＡＣ加熱（交流加熱）し、これにより一次元ＡＣ熱流を該薄膜試料ｂ中に発生させる。そして該試料ｂのＡＣ温度をロックイン増幅器に接続した熱電対ｃで測定しながらＡＣ加熱位置ｘを変化させ、これで得られる図２のようなＡＣ加熱の周期ｆと、ＡＣ加熱位置ｘに対するＡＣ温度振幅の対数減衰率ｋａ（熱拡散長）および位相変化率ｋｐ（波長）から、下記の方程式（１）および方程式（２）に従って試料ｂの面内方向熱拡散率Ｄを求める方法が知られている。ＡＣ加熱の周期ｆを適当に選択することにより、ダイアモンドからプラスチックスまでの広範囲の自立した試料ｂの面内方向熱拡散率Ｄの測定が行える。
ｋ＝√（πｆ／Ｄ）……………（１）
ｋ＝√（ｋａ×ｋｐ）…………（２）
従来のレーザー加熱オングストローム法（ＡＣ法）による低熱伝導基板上の薄膜の熱伝導率を測定する原理として、次のものが知られている。まず、２枚の同じ低熱伝導性の基板を用意し、そのうちの１枚の基板上にのみ薄膜を成膜する。そして成膜のない該基板から基板の熱拡散率Ｄ1、成膜した該基板から基板＋薄膜の見かけの熱拡散率Ｄ12を実測する。Ｄ12は次式（３）で与えられる。
Ｄ12＝（Ｄ1Ｃ1ｄ1＋Ｄ2Ｃ2ｄ2）／（Ｃ1ｄ1＋Ｃ2ｄ2）…（３）
これをＤ2Ｃ2ｄ2について解くと、方程式（４）が得られる。
Ｄ2Ｃ2ｄ2＝Ｄ12Ｃ1ｄ1＋Ｄ12Ｃ2ｄ2−Ｄ1Ｃ1ｄ1     …（４）
従って、薄膜の熱伝導率κ2は方程式（５）又は（６）で与えられる。κ1は基板の熱伝導率である。
κ2＝κ1［Ｃ2／Ｃ1＋（ｄ1/ｄ2＋Ｃ2／Ｃ1）（Ｄ12／Ｄ1−１）］…（５）
κ1＝Ｃ1Ｄ1                 ………………………………………（６）
ただし、Ｃは体積あたりの比熱容量（Ｊ／ｍ3・Ｋ）、ｄは厚さ（ｍ）、添字１及び添字２はそれぞれ基板層及び薄膜層を表す。この場合、基板と薄膜それぞれの体積あたり比熱容量Ｃ1、Ｃ2を別の手段で実測するか、或いは既知である必要がある。また、基板と薄膜それぞれの厚さｄ1、ｄ2は別の手段で実測する必要がある。この測定方法では、測定対象となる薄膜の熱伝導率κ2が基板の熱伝導率κ1より大であれば原理的に測定可能であるが、その測定感度は基板の熱伝導率κ1、基板と薄膜それぞれの厚さｄ1、ｄ2、そして自立した薄板の熱拡散率測定精度に依存する。
【０００３】
厚さが３０００オングストローム程度の薄膜の場合は、薄膜の体積あたり比熱容量Ｃ2が一般にバルクと異なり、また既に存在する文献値がないため、個々に測定する必要がある。しかし、その測定は極めて困難である。従って、上記従来の方法は厚膜の熱伝導率の測定にしか適用できない。
【０００４】
仮に、Ｃ2の測定が容易に行えるようになったとしても、一般に基板の熱拡散率が個々に異なる（例えば±０．０３の偏差がある）ため、方程式（５）に従って薄膜の熱伝導率κ2を求めるとき、一定の誤差が避けられない。また、各基板の熱拡散率の測定条件を同一にすることが困難であるため（例えば±０．０１の偏差がある）、一定の誤差が避けられない。表１に示すような条件の下では、薄膜の熱伝導率測定誤差は±３Ｗｍ-1Ｋ-1になる。従って、例えば厚さ３０００オングストロームのＡｌＮ薄膜の熱伝導率（３Ｗｍ-1Ｋ-1程度と推定される）は測定できない。
（表１）
熱拡散率の測定精度：            ±１．０％
基板材料：                       Borosilicate glass
基板の熱伝導率とその不均一度：  １．０±０．０３Ｗｍ-1Ｋ-1
基板の厚さ：                    ３０μｍ
こうした不都合を解決するため、先に出願人は、図３に示すような、小さな１つの基板ｄ上に該基板よりも十分に薄い薄膜ｅを部分的に成膜し、光加熱オングストローム法により該基板の基板自体の部分の熱拡散率Ｄ1と該基板の薄膜成膜部分の見かけの熱拡散率Ｄ12を測定し、その測定値を基に該薄膜ｅの熱伝導率を算出する方法を開発した。該基板ｄと薄膜ｅの厚さｄ1、ｄ2は、実測により求められる。基板の熱伝導率κ1（または体積あたり比熱容量Ｃ1）と基板と薄膜の体積あたり比熱容量比Ｃ2／Ｃ1が既知であれば、薄膜ｅの熱伝導率κ2は、(5)(6)式から算出される。この測定には、該薄膜上を含めた基板上全面に受光薄膜ｇを成膜した試料を使用することが好都合である。
【０００５】
また、この提案の方法では、薄膜ｅの熱伝導率κ2が基板ｄの熱伝導率κ1よりも十分大きければ、薄膜の体積あたり比熱容量Ｃ2が未知でも薄膜の熱伝導率κ2が求まる。なぜなら、一般に固体の体積あたり比熱容量は物質間で大きな違いがなくＣ1／Ｃ2＝１が約±３０％以下の誤差で成立するからである。また、薄膜の熱伝導率κ2の測定感度は、基板の熱伝導率κ1、基板と薄膜の厚さ比ｄ1／ｄ2、そして自立した薄板の熱拡散率測定精度に依存する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の測定にはＡＣ温度応答の測定は熱電対を用いて行われている。この熱電対ｃは試料もしくは基板に銀ペースト等の接着剤ｆで接着するのが一般的である。しかし、このような熱電対と銀ペーストとが存在すると、これらの熱容量・熱抵抗が存在するため、ＡＣ温度が減衰して正確な温度の測定の妨げになる不都合がある。また、熱電対と銀ペーストが存在する領域は測定対象外となるが、基板の一部に薄膜を形成した試料を使用して示差法により熱拡散率を測定する場合には、基板のみの領域と薄膜を形成した領域との境界に熱電対を取り付けると、測定する両領域間に必然的に一定の距離が生じ、その結果基板の熱伝導率分布の影響を受けやすくなり、基板上に一層薄い薄膜例えば数百オングストロームの薄膜を形成して測定することの障害になる。更に、熱電対を銀ペーストで接着する作業やその接着剤の熱抵抗が安定するまでに時間が掛かり、迅速な測定を行えない欠点があり、基板が薄いとその接着力で基板や薄膜に変形や損傷を生じる不都合も見られた。
【０００７】
本発明は、基板や測定する薄膜を損傷することなく簡単な作業で迅速且つ正確に薄膜の熱拡散率を測定する方法を提供すること及びその測定に適した装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、基板上に部分的に薄膜が形成された試料上に温度変化に光反射率変化が比例する金属からなる金属薄膜を形成し、薄膜の端部上の位置にプローブ・レーザー光を照射すると同時に、その照射領域から外れた薄膜が形成されていない基板上の該金属薄膜に周期的に該プローブ・レーザー光とは波長の異なるレーザー光を照射して該薄膜試料を加熱する第１加熱と、続いてその照射領域から外れた薄膜が形成されている基板上の該金属薄膜に周期的に該レーザー光を照射して該薄膜試料を加熱する第２加熱を行い、該プローブ・レーザー光の反射光を波長を選択して透過させる光学フィルターを介してフォトダイオード等の光学センサーで受光し、その受光信号をロックイン増幅器で検波することにより該プローブ・レーザー光の照射点の温度変化を非接触式に測定し、温度振幅の対数減衰率及び位相変化率を求めて該薄膜の面内方向の熱拡散率を測定することにより、上記の目的を達成するようにした。該金属薄膜には一様なレーザー光を照射し、該プローブ・レーザー光をレンズにより集光させて該金属薄膜に照射することが好ましい。本発明の方法は、基板上に部分的に薄膜が形成され温度変化に光反射率変化が比例する金属からなる金属薄膜を形成した試料の薄膜の端部上の位置に集光レンズにより集光されたレーザー光を照射するプローブ・レーザー光源と、該試料の該プローブ・レーザー光の照射領域から外れた薄膜が形成されていない基板上の位置および薄膜が形成されている基板上の位置に一様なレーザー光を移動照射可能なレーザー光源と、該集光されたレーザー光の該照射領域からの反射光の波長を選択して透過させる光学フィルターと、該光学フィルターで選択された該反射光を受光するフォトダイオード等の光学センサーと、該光学センサーに接続してその受光信号を検波することにより該照射領域の経時的な温度変化を測定するロックイン増幅器と、温度振幅の対数減衰率及び位相変化率を求める演算器とを設けた構成の装置を使用して簡単迅速且つ正確に測定できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明すると、図４に於いて符号１は熱拡散率が測定される電気的絶縁性などの薄膜試料を示し、この試料１は、厚さ３０μｍのホウケイ酸ガラスなどの短冊状の基板２の表面に、スパッタリングや蒸着などの成膜方法によりほぼ均一な例えば３０００オングストロームの厚さで部分的に形成してテストピース３に構成され、該基板２が露出した表面及び該薄膜試料１の表面を覆って温度変化に光反射率変化が比例する金属、例えばビスマスやニッケルなどからなる金属薄膜４を形成したもので、測定対象の該薄膜試料１は、実態に適合するように、例えば半導体デバイスに形成する薄膜と同一の組成で同一の厚さに形成される。該金属薄膜４の金属には、光透過率が小さく、熱伝導率が基板と同等かそれ以下の材料を用いることが好ましく、その厚さは任意であり、数百オングストローム乃至１ｍｍ程度に形成される。該薄膜試料１は、必要に応じて該基板２の全面に形成してもよい。
【００１０】
該テストピース３は、大気圧或いは真空圧の測定容器１６の中に設置され、図５に示すようにレーザー光源１４からの一様な光束のレーザー光５を該テストピース３の表面の該金属薄膜４に例えば周期ｆの周波数で周期的に照射して加熱する。周期的に照射するためシンセサイザー１５を用いた。この周期的な照射と同時に該レーザー光５が照射された照射領域１７から外れた位置の該表面に向けてプローブ・レーザー光源６から該レーザー光５とは波長が異なる波長のプローブ・レーザー光８を集光レンズ７で集中照射し、その反射光９を集光レンズ１０により集光したのち光学フィルター１１により波長を選択して透過させ、フォトダイオードやフォトセルなどの光学センサー１２で受光する。該光学フィルター１１には例えば干渉フィルターなどが使用され、該プローブ・レーザー光８の波長の光が選択されるようにする。該光学センサー１２には公知のロックイン増幅器１３を接続し、プローブ・レーザー光８の照射位置における金属薄膜４の温度変化を測定する。１６は演算器である。
【００１１】
該プローブ・レーザー光８はテストピース３の中心部の測定位置１８にスポット状に照射され、レーザー光５は図４のようにテストピース３を横断した帯状の照射領域１７を照射し且つゆっくりと該測定位置１８を越えて照射位置１７ａへ移動される。該レーザー光５の周期的な照射により該薄膜試料１には面内方向へ周期的な熱流が生じ、プローブ・レーザー光８を照射した測定位置１８では該薄膜試料１の温度が時間遅れを伴って周期的に変化する。該金属薄膜４は温度変化に比例して反射率が変化する金属で形成されているから、光学センサー１２には温度変化に比例した光量の変化が波状に測定され、ロックイン増幅器１３において検波してレーザー光５の照射位置に対する位相変化率（波長）と振幅の対数減衰率（熱拡散長）とを算出する。該レーザー光５は、基板２の表面と薄膜試料１の表面とに照射領域を変えて照射し、その夫々の照射時について前記位相変化率および対数減衰率を算出する。そして、これらの値と別個に測定した基板２と薄膜試料１の厚さｄ1、ｄ2を前記式（１）（２）に代入することにより基板２の熱拡散率Ｄ1と基板＋薄膜の熱拡散率Ｄ12が算出される。また、該薄膜試料１の熱伝導率κ2は前記式（５）（６）から求められ、薄膜試料１の熱伝導率κ2が基板２の熱伝導率κ1よりも十分大きければ、薄膜の体積あたり比熱容量Ｃ2が未知でも薄膜の熱伝導率κ2が前記式から求まる。
【００１２】
該プローブ・レーザー光８は、測定雰囲気が室温ないし２００℃程度の低温であっても熱輻射測定のように減衰しないから温度検出感度の低下を来すことがなく、しかも温度変化に対する微分直線性が優れているから、正確なＡＣ温度の測定ができる。また、集光して局所的なＡＣ温度の測定ができるから、正確な位相変化率と対数減衰率が測定できる。特に、該プローブ・レーザー光８の波長を一様なレーザー光５の波長と相違させ、該プローブ・レーザー光８の光のみを選択透過させる光学フィルター１１を設けてあるから、照射領域に照射した加熱用の一様なレーザー光５が散乱しても該光学フィルター１１においてカットされて光学センサー１２には受光されることがなく、測定位置からの反射光だけが光学センサー１２で受光され、ノイズのない正確な温度変化を測定できる。
【００１３】
尚、薄膜試料１を真空の測定容器１６内で測定する場合は、プローブ・レーザー光源６の過熱を防ぐために、該プローブ・レーザー光源６のみを測定容器１６の外部に設置し、該光源６と集光レンズ７までの光学系を光ファイバーで接続することが好ましい。
【００１４】
【実施例】
長さ１５ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ３０μｍのホウケイ酸ガラスの基板２の表面の半分に、厚さ３０００オングストロームの電気絶縁性のＡｌＮの薄膜試料１を蒸着により形成し、全面に温度変化に光反射率変化が比例するビスマスの金属薄膜４を厚さ１０００オングストロームに蒸着により形成してテストピース３を作製した。このテストピース３を大気圧の測定容器１６内にセットし、レーザー光源１４から一様な帯状の平行光線の光束となった波長６８５ｎｍ、５０ｍＷのレーザー光５を、該基板２の照射領域１７ａにシンセサイザー１５により周期１０秒で照射し、これと同時にプローブ・レーザー光源６から波長１４００ｎｍ、１５ｍＷのプローブ・レーザー光８を該照射領域１７から外れた測定位置１８に連続して照射した。これにより該照射領域１７ａから測定位置１８に向かう熱流が生じ、該測定位置１８には時間遅れで温度変化が生じる。そして、該測定位置１８へのプローブ・レーザー光８の照射を続けながら、該レーザー光５の照射を薄膜試料１を設けた基板２上の照射領域１７へ移動させた。該測定位置１８では温度変化に伴う該金属薄膜３の光反射率変化が生じ、フォトダイオードなどの光学センサー１２の受光量も温度変化に応じた変化を生じるので、これをロックイン増幅器１３で増幅することで経時的な温度変化を測定できる。
【００１５】
該基板２の体積あたりの熱容量Ｃ１は２．０Ｊｃｍ−３Ｋ−１で既知である。また、該金属薄膜４の熱容量は、厚さが非常に薄いので無視することができる。この測定により、演算器１６でＡＣ温度振幅の対数減衰率ｋａ及び位相変化率ｋｐを求め、方程式（１）（２）から基板２の面内方向熱拡散率Ｄ１及び基板プラス薄膜領域の熱拡散率Ｄ１２を求めた。Ｄ１は５．６７×１０−３ｃｍ２ｓ−１、Ｄ１２は６．０９×１０−３ｃｍ２ｓ−１であった。これらＤ１及びＤ１２の値と方程式（５）（６）から該薄膜３の熱伝導率κ２を求めたところ、８．４Ｗｍ−１Ｋ−１になった。これらの値は、基板に熱電対を取り付けて測定した結果と殆ど同じであった。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、薄膜試料上に形成した温度変化に光反射率変化が比例する金属からなる金属薄膜に周期的にレーザー光を照射して該薄膜試料を加熱し、その照射領域から外れた位置に照射した該レーザー光とは波長の異なるプローブ・レーザー光の反射光を、波長を選択して透過させる光学フィルターを介して光学センサーで受光し、その受光信号をロックイン増幅器で検波することにより該プローブ・レーザー光の照射点の温度変化を非接触式に測定して該薄膜試料の熱拡散率を測定するようにしたので、測定のために熱電対を取り付ける必要がないから、測定作業が簡単になり、薄膜試料の基板や薄膜を損傷することなく正確に薄膜の熱拡散率を測定できる等の効果があり、請求項３の構成とすることにより本発明の方法を適切に実施できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の測定方法の説明図
【図２】熱拡散率の測定のための対数減衰率および位相変化率を求める曲線図
【図３】先に提案した熱拡散率の測定法に使用する薄膜試料の截断側面図
【図４】本発明の実施に使用した薄膜材料の截断側面図
【図５】本発明の方法の実施に使用した測定装置の説明図
【符号の説明】
１  薄膜試料、２  基板、４  金属薄膜、５  レーザー光、７・１０  集光レンズ、８  プローブ・レーザー光、９  反射光、１１  光学フィルター、１２  光学センサー、１３  ロックイン増幅器、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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