5 熱設計の課題と熱物性TEGの提案
Heater (Metal) AC
AC
5 熱設計の課題と熱物性TEGの提案
5.2.3 薄膜熱物性評価 TEG 開発上の課題と提言
半 導 体 素 子 内 部 で 用 い ら れ る 、厚 さ 数 nm〜 数 10 nmの 薄 膜 の 熱 物 性 を 直 接 測 定 す る 方 法 と し て 、 熱 物 性 測 定 用 の TEG を 開 発 し て い る 。 現 段 階 で は 、 成 膜 上 の 課 題 等 が あ る た め 実 際 の 物 性 測 定 に は 至 っ て い な い が 、 薄 膜 熱 物 性 に プ ロ セ ス 依 存 性 が あ る こ と を 考 え る と 、 産 業 的 に は 上 記 の よ う な 手 法 で 物 性 値 の デ ー タ ベ ー ス を デ バ イ ス 毎 に 蓄 積 す る こ と が 極 め て 重 要 で あ る 。 ま ず は セ ン サ ・ 測 定 対 象 （ 絶 縁 膜 ）・ 熱 源 の 基 本 構 造 の み を 用 い た 要 素 試 作 等 の 実 施 に よ り 、 問 題 点 を 解 明 し 、 測 定 技 術 と し て 確 立 す る こ と が 急 務 で あ る 。
な お ， 最 初 か ら 量 産 試 作 品 の マ ス ク に 熱 物 性 評 価 用 の TEG を 盛 り 込 む と い う 点 に は 技 術 的 に チ ャ レ ン ジ ン グ な 点 が 大 き い ． 試 作 回 数 が 限 ら れ る こ と や ， 熱 物 性 評 価 用 の ス ペ ー ス を 割 く こ と が 予 算 的 に も 難 し い と い う 課 題 が あ る ． そ こ で ， 代 替 案 と し て ，MEMS の フ ァ ウ ン ダ リ 企 業 が 一 般 に 公 開 し て い る 標 準 プ ロ セ ス を用 い て ，MEMSの 構 成 材 料 だ け を 用 い た 熱 物 性 評 価 TEGを 構 成 し ，熱 物 性 を ま ず 評 価 し て み る こ と を 提 案 し て お き た い ．
こ の 場 合 の 物 性 評 価 手 法 も ，必 ず し も 厚 さ 方 向 の 物 性 値 を 評 価 す る 必 要 は な い ． 薄 膜 の 面 方 向 で 構 わ な い の で ， 上 記 の 標 準 工 程 を 経 由 し た 膜 だ け を 用 い た TEGに よ っ て 熱 拡 散 率 に 代 表 さ れ る 物 性 値 を ま ず 評 価 し ， フ ァ ウ ン ダ リ 企 業 が 紹 介 し て い る 熱 物 性 の 標 準 的 な デ ー タ （ ほ と ん ど は 論 文 等 で 公 開 さ れ た 数 値 で ， そ の プ ロ セ ス に 特 化 し た デ ー タ で は な い ） と 比 較 す る こ と に よ り ， 熱 物 性 の プ ロ セ ス 依 存 性 の 問 題 点 を 定 量 的 に 評 価 ， 問 題 提 起 す る こ と で ， 物 性 評 価 の 重 要 性 の 認 識 を 喚 起 で き る と 考 え る ．
次 に ， 半 導 体 素 子 内 部 の 熱 物 性 の そ の 場 測 定 で あ る が ， 残 念 な が ら 本 論 文 執 筆 時 の 段 階 で は ， 定 量 的 な 信 号 を 検 出 す る に は 至 ら な か っ た ． 理 由 と し て は や は り 膜 付 け の 不 良 が 考 え ら れ る ． そ れ ぞ れ の 薄 膜 の 成 膜 プ ロ セ ス に お け る レ イ ア ウ ト ル ー ル か ら 極 力 逸 脱 し な い セ ン サ の 構 成 が 必 須 で あ る こ と が わ か っ た ．
本 章 で 検 討 し た よ う な ， 先 端 プ ロ セ ス を 用 い た TEG試 作 と い う 開 発 手 法 は 開 発 の 難 易 度 が 非 常 に 高 い た め ，TEG の 実 現 性 の 検 証 と し て は ， マ ス ク 枚 数 の 少 な い 標 準 プ ロ セ ス で 適 用 可 能 な TEGを 試 作 し ， 当 該 プ ロ セ ス で 使 用 さ れ る 材 料 だ け を 用 い て ， 評 価 さ れ る べ き 素 子 と 全 く 同 一 の プ ロ セ ス を 経 た サ ン プ ル を 試 作 す る 方 向 で 開 発 を 進 め る と い う 手 法 も 存 在 す る ． こ の 場 合 ， 通 電 用 の 電 極 と 温 度 計 測 用 の 電 極 を 厚 さ 方 向 に 評 価 さ れ る 薄 膜 を 挟 む 形 で 形 成 す る こ と が で き な い 場 合 も あ る た め ，ま ず は 面 方 向 の 物 性 値 を3ω法[5-3]な ど の 手 法 で 評 価 す る こ と を 検 討 し た い ．
5 熱設計の課題と熱物性TEGの提案
図 5.4 は ， あ る 標 準 の MEMS プ ロ セ ス （ ポ リ シ リ コ ン 3 層 プ ロ セ ス ） を 利 用 し て ポ リ シ リ コ ン 層 の 面 方 向 の 熱 物 性 を 3ω法[5-3]や 交 流 カ ロ リ メ ト リ[3-1]を 用 い て 測 定 す る た め のTEGを 試 作 し た 際 の マ ス ク 図 面 の 一 部 とSEM写 真 を 示 し た も の で あ る ． こ れ ら も ま だ 物 性 計 測 結 果 を 抽 出 す る に は 至 っ て い な い が ， 今 後 ， ま ず は 標 準 プ ロ セ ス で 公 表 さ れ て い る 物 性 の 指 標 と ， 実 測 の 結 果 に ど の 程 度 の ば ら つ き が あ る の か と い う 観 点 か ら 評 価 を 進 め ，MEMS デ バ イ ス の 熱 設 計 上 の デ ー タ とし て 反 映 さ せ て い く 計 画 で あ る ． 熱 物 性 評 価 TEGで 検 討 し て き た 敷 居 の 高 い 技 術 を 一 旦 ブ レ ー ク ダ ウ ン す る こ と に よ り ， 将 来 課 題 で は あ る が ， よ り 現 実 的 な 形 で ， 設 計 技 術 に 適 用 可 能 な 物 性 評 価 技 術 に 落 と し 込 ん で い く こ と を 提 案 し た い ．
TEGs for 3ω measurement
TEGs for AC Periodical Heating
図 5.4 標準 MEMS プロセスを用いたポリシリコン熱物性評価用 TEG の
マスク図面と SEM 写真
6 結論