株式会社東レリサーチセンター（東京都中央区日本橋本町一丁目7番2号、代表取締役社長：真壁芳樹）は、TDTR（Time-Domain Thermoreflectance：時間領域サーモリフレクタンス法）を用いて、ナノメートルオーダーの薄膜材料の熱伝導率および異種材料間の界面熱抵抗を定量評価する受託分析サービスを開始しました。

本サービスにより、生成AIやスーパーコンピューター、自動運転システムなどに用いられる先端半導体の熱課題解決に向けた熱特性評価が可能になります。

生成AIやスーパーコンピューターの普及、電動車向けパワー半導体の高性能化などにより、半導体や電子デバイスの消費電力は増大しています。投入された電力の多くは熱となるため、デバイス内部で局所的に熱が蓄積し、性能低下や信頼性の低下につながることから、熱マネジメントが重要な課題となっています。

デバイスにはLow-k膜やHigh-k膜、窒化ケイ素（SiN）など多様な薄膜材料が用いられますが、熱伝導率は膜厚や成膜条件、結晶構造などで大きく変化します。また、複数材料が積層するデバイスでは界面の熱抵抗も放熱性能に影響します。従来の熱物性測定法ではナノメートルオーダーの薄膜や界面の熱特性を直接評価することが難しく、文献値や厚みのある材料（バルク材料）の物性値に依存せざるを得ないケースがあり、実際のプロセスで形成された薄膜や界面を直接評価する技術が求められていました。

TDTR法による測定と分析事例

同社は超短パルスレーザーを利用した熱特性評価法であるTDTR法を用い、薄膜の熱伝導率と界面熱抵抗を評価する体制を構築しました。

厚さ150 nmのニッケル（Ni）薄膜を評価した事例では、熱伝導率が約50 W/m·Kとなり、一般的な厚みのあるニッケル材料の熱伝導率である約90 W/m·Kを大きく下回る結果が得られました。これは薄膜化に伴い結晶の境界や材料の境目など界面の影響が相対的に大きくなるためと考えられています。

また、成膜条件による影響評価として、成膜温度の異なる100 nm厚SiN薄膜を測定したところ、成膜温度の上昇に伴って熱伝導率が増加することが確認されました。成膜温度の上昇に伴う緻密化により、空隙が少なくなった可能性が示されています。

薄膜と界面の直接評価による支援と今後の展望

本サービスでは、実際の製造プロセスで形成された薄膜の熱伝導率と界面熱抵抗を直接評価することで、放熱性能低下の要因解明や熱設計の最適化を支援します。さらに、同社が有する構造解析・組成分析技術と組み合わせ、熱特性変化の要因解析まで一貫して対応します。

同社は今後、本サービスを通じて先端半導体や電子材料の熱設計に必要な実測データを提供するとともに、熱特性評価と総合材料分析を組み合わせたソリューションにより、材料開発・プロセス開発・デバイス開発に貢献していくとしています。

本記事は株式会社東レリサーチセンターの発表をもとに作成されています。

Dellows News編集部

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