Aktywny mikroskop bliskiego pola termicznego

Na rysunku 11.14 przedstawiono topografię powierzchni struktur platynowych1, które są osadzone na podłożu krzemowym. Szerokość linii platynowej, zmierzona za pomocą kalibrowanego mikroskopu sił atomowych, wynosi 1 μm, a jej wysokość 80 nm (rys. 11.15). Podwyższenia struktury, widoczne w okolicy jej ścianek bocz-nych, są związane z technologią lift off osadzania warstw metalicznych i są pozostało-ścią platyny po przeprowadzonym procesie elektronolitografii i trawienia. Opisane

_____________

1 Struktury takie są wykonywane w celu sprawdzania jakości i rozdzielczości przeprowadzanych procesów elektronolitografii. Próbki udostępnione dzięki uprzejmości I. Kosticia z Instytutu Informatyki Słowackiej Akademii Nauk w Bratysławie.

Rozdział 11

180

struktury zastosowano do testowania zdolności rozdzielczej skaningowego mikrosko-pu bliskiego pola termicznego.

Rys. 11.14. Topografia struktur platynowych osadzonych na powierzchni krzemu

(pole skanowania 4 × 4 μm)

Rys. 11.15. Wysokość struktur platynowych zmierzona za pomocą skaningowego mikroskopu

sił atomowych

Wynik pomiaru topografii struktur testowych, przeprowadzonego za pomocą mi-kroskopu termicznego, przedstawiono na rysunku 11.16. Na jakość obrazu topografii powierzchni, uzyskaną za pomocą mikroskopu termicznego wpływa w tym przypadku większy promień końcówki ostrza pomiarowego sondy Wollastona. Ostrze to jest

bowiem na tyle duże, że nie jest w sta-nie wniknąć w obszary między liniami i ściankami bocznymi pasków platy-nowych.

209.29

Rys. 11.16. Topografia powierzchni struktur platynowych, osadzonych na podłożu krzemowym,

zarejestrowana za pomocą skaningowego mikroskopu termicznego bliskiego pola

Na rysunku 11.17 zaprezentowano natomiast wyniki pomiaru obrazu rezystancji termicznych struktury. Temperatura ostrza była stabilizowana na poziomie 335 K (tzn. była podniesiona o 35 °C ponad

tempera-turę otoczenia). W obszarach linii platy-nowych zaobserwowano mniejszą rezy-stancję cieplną aniżeli w polach podłoża krzemowego (różnica mocy koniecznej do utrzymania tej samej temperatury ostrza wynosiła 67 μW).

Rys. 11.17. Obraz rezystancji cieplnych struktur platynowych, osadzonych na podłożu krzemowym,

zarejestrowany za pomocą skaningowego mikroskopu termicznego bliskiego pola

Przeprowadzone pomiary wykazały, że termiczna i lokalna zdolność rozdziel-cza skonstruowanego mikroskopu pozwala na odwzorowanie właściwości termicz-nych układu platynowa linia paskowa–podłoże krzemowe w skali submikrometro-wej [359].

Przedstawione wyniki pomiarów prowadzonych za pomocą aktywnego mikro-skopu bliskiego pola termicznego związane były z pomiarami struktur, w których przewodność cieplna metalizacji była mniejsza od przewodności cieplnej podłoża (przenikalność cieplna platyny wynosi 71 W/mK, a przewodność cieplna krzemu jest równa 140 W/mK [281]).

Na rysunkach 11.18 i 11.19 przedstawiono wyniki pomiaru właściwości termicz-nych struktury MOS, którą tworzy warstwa metalizacji aluminiowej (grubości około 1,5 μm), warstwa dwutlenku krzemu (grubości 60 nm) i podłoże krzemowe. Tempera-tura ostrza w czasie skanowania wynosiła, podobnie jak w poprzednich eksperymen-tach, 335 K (tzn. 35 °C powyżej temperatury otoczenia). Analiza obrazu termicznego wskazuje, że na powierzchni aluminium zaobserwowano większą rezystancję cieplną struktury aniżeli na powierzchni cienkiego tlenku podbramkowego.

Zaobserwowany efekt jest związany ze sposobem rozpływu ciepła w warstwie me-talizacji aluminiowej i w podłożu krzemowym. Można bowiem rozpatrzyć następujące przypadki transportu ciepła w badanej strukturze:

♦ Warstwa aluminium jest osadzona na doskonałym przewodniku ciepła (rys. 11.20a). W tym przypadku można rozważać transport energii na wskroś struktury (ang. Out-of Plane Heat Transport)2. Załóżmy, że warstwa metalizacji jest

stosunko-_____________

Rozdział 11

182

wo cienka, w porównaniu z założonym promieniem kontaktu cieplnego (500 nm), ale na tyle gruba, aby do obliczeń móc zastosować prawo Fouriera rozpływu ciepła. Kon-duktancja cieplna takiego kontaktu G′ , określona równaniem _ss

d K b G_ss π 2 Al = ′ , wynosi

dla K_Al = 234 W/mK 0,12·10–3 K/W, a jego rezystancja R′ jest równa 8160 W/K. _ss

Rys. 11.18. Topografia struktury MOS; pole skanowania 26×26 μm, 256×256 linii

Rys. 11.19. Obraz rezystancji cieplnych struktury MOS obserwowany za pomocą aktywnego

mikroskopu bliskiego pola termicznego

♦ Warstwa aluminium jest osadzona na podłożu cieplnie izolującym (rys. 11.20b). W tym przypadku można rozważać transport ciepła w płaszczyźnie metalizacji struk-tury (ang. In plane heat transfer). Wartość konduktancji cieplnej G ′′ można oszaco-_ss

wać przy założeniu, że ciepło jest transportowane cylindrycznie przez strukturę. Kon-duktacja ta wyraża się zależnością

b b dK G_ss 2 ln 1 2π _Al =

′′ i przy założeniu, że promień b

jest równy promieniowi struktury b = 200 μm, wynosi ona 0,37·10–3 K/W, a rezystan-cja cieplna kontaktu R ′′_ss jest równa 2720·103 W/K.

♦ Ostrze pomiarowe znajduje się w kontakcie z powierzchnią litego podłoża alu-miniowego (rys. 11.20c). Konduktancję cieplną oblicza się, modelując kontakt cieplny ostrza z powierzchnią kontaktem sferycznym G_ss′′′=2πK_Alb. W tym przypadku kon-duktancja ta wynosi 0,74·10–3 K/W, równoważna zaś jej rezystancja cieplna jest równa 1360 K/W.

ss

♦ Ostrze pomiarowe znajduje się w kontakcie z litym podłożem krzemowym (rys. 11.20d). Konduktancja takiego kontaktu, obliczona na podstawie wzoru3

wynosi 0,53·10–3 W/K, jego rezystancja jest równa 1872 K/W. , 2 K b Giv _Si ss = π iv ss R Podłoże ^{T , K ’}0 1 Al^{2b=1 mμ} K_Al T_p d Podłoże T , K ’’_{0 1} Al K_Al 2b=1 mμ T_p d a) b) Al T , K0 Al 2b=1 mμ T_p Podłoże SiO2 T , K ’0 1 2b=1 mμ T_p c) d)

Rys. 11.20. Rozpływ ciepła w układzie cienkowarstwowym

Z przedstawionej analizy wynika, że:

Warstwa metalizacji aluminiowej nie jest podłożem litym dla ciepła transportowa-nego od mikroostrza do podłoża. Zaobserwowano bowiem, że rezystancja cieplna widziana na podłożu metalicznym jest mniejsza niż zarejestrowana na podłożu z tlen-ku, podczas gdy wynik obliczeń wskazuje na odwrotną relację.

Transport ciepła w metalizacji aluminiowej badanej struktury MOS może zachodzić nie tylko na wskroś struktury, ale i w jej płaszczyźnie. O wartości rezystancji cieplnej, która jest widziana przez skanujące ostrze, decydują także rezystancje cieplne obszarów przykontaktowych między poszczególnymi warstwami. W opisywanym przypadku zjawi-ska zachodzące między warstwą aluminium a cienkim tlenkiem mogą być również zwią-zane z przyleganiem metalizacji do gładkiego podłoża. Widoczna na rysunku 11.18 duża chropowatość powierzchni aluminium, która zapewne charakteryzuje też warstwę metali-zacji od strony tlenku, może w istotny sposób utrudniać odprowadzanie ciepła na wskroś do podłoża krzemowego i stymulować przewodzenie po powierzchni metalicznej.

_____________

3 Ponieważ grubość tlenku podbramkowego jest równa 80 nm i ponieważ osadzony on jest na podło-żu krzemowym o dobrej przewodności pominięto w obliczeniach jego rezystancję.