Introduktion
Det japanske National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) har udviklet en måleteknik kaldet "pulsed light heating thermoreflectance method", som er en hurtigere version af laser flash-metoden, og det er dermed lykkedes at måle de termofysiske egenskaber af tynde film før andre virksomheder i verden.
Termoreflektansmetoden med pulserende lys, en af TDTR-metoderne (Time Domain Thermoreflectance), er en teknik, hvor en tynd film, der er dannet på et substrat, øjeblikkeligt opvarmes ved at bestråle den med en pikosekund- eller nanosekund-pulserende laser, og den hurtige temperaturændring på grund af termisk diffusion efter opvarmning måles ved den reflekterede intensitetsændring af laserlys til temperaturmåling.
Det unikke ved TDTR udviklet af AIST er det brede observationstidsområde på op til 50 ns via et unikt elektrisk forsinkelsessystem, mens de fleste TDTR-systemer bruger et optisk forsinkelsessystem, der kun er i stand til at observere fænomener i op til 10 ns; dette forpligter brugeren til at udføre en meget vanskelig optisk justering hver gang.
Bageste opvarmning/forreste opvarmning versus forreste opvarmning/forresteOpdagelse
Der findes to typer af denne metode: Et arrangement, hvor prøven opvarmes fra den gennemsigtige substratside (i tilfælde af infrarødt lys er Si også et gennemsigtigt substrat), og temperaturstigningen på prøveoverfladen måles (Rear heating / Front detection (RF) mode, figur 1a), og et arrangement, hvor prøveoverfladen opvarmes, og temperaturstigningen på det samme sted på prøveoverfladen måles (Front heating / Front detection (FF) mode, figur 1b).
I princippet er RF-tilstanden identisk med laserflashmetoden, som er standardmetoden til måling af Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet for bulkmaterialer, og den har en fremragende kvantitativ pålidelighed. I modsætning til RF-metoden kan FF-metoden måle tynde film på uigennemsigtige substrater og er vigtig som en praktisk måleteknik.
I dette eksempel blev en diamantfilm med en tykkelse på 4 μm målt ved hjælp af PicoTR (figur 2) baseret på TDTR-princippet.
Diamantfilmen har en uovertruffen høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, som er lovende for implementering i enheder med høj strømtæthed som f.eks. varmespredere.
Prøven blev fremstillet på et alkalifrit glas med en tykkelse på 1 mm. En 100 nm tyk Mo-film blev sputteret på diamantoverfladen.
Det vigtigste ved denne måling var at afgøre, om overfladen var glat eller ej. Hvis overfladen er ru, spredes sondelaseren, og det reflekterede lys kan ikke registreres. Som det fremgår af figur 3, var det muligt at opnå et godt S/N-signal for termisk refleksion, selv om diamantfilmens overflade er lidt ru.
Resultater af målinger
Målingen blev udført i FF-tilstand og analyseret med softwaren PicoTR Thermal Simulator (tabel 1). Ud fra trelagsanalysen blev diamantlagets Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne beregnet til at være 90 W/(m-K), og grænsefladens termiske modstand mellem Mo- og diamantlagene blev bestemt til at være 6,0x10-9m2-K/W.
Varmediffusionstiden for diamantfilmen kan anslås til at være 200 ns ved hjælp af ligningen:
Diffusionsvarmetid = (tykkelse)2/(Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet)
hvilket repræsenterer afkølingstiden for dette lag.
Tabel 1: Analyseresultater
Prøve navn | Mo/Diamant Termisk modstand ved grænsefladen Rm-f m²-K/W | Diamant Termisk effusivitet bf J/(m²-s0,5-K) | Diamant λf W/(m-K) | Diamant/glas Termisk modstand mellem grænseflader Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamant | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Konklusion
Varmeledningsevnen for en diamantfilm med en tykkelse på 4 μm på et glassubstrat blev målt ved hjælp af PicoTR.
Som det fremgår af figur 4, er den opnåede Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne 1/10 af litteraturværdien for bulkmateriale af diamant. Dette kan forventes på grund af fononspredning mellem korngrænserne i diamant eller ufuldkommen struktur. Dette eksempel viser vigtigheden af tyndfilmmåling for nøjagtigt termisk design af elektriske enheder.
På grund af diamants høje Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne kan denne prøve kun måles i FF-tilstand på PicoTR.
Ved måling af diamantfilm med NanoTR gør belægning af begge sider af diamantlaget med molybdæn det muligt at bruge RF-metoden.
