12.06.2023 von Aileen Sammler
NanoTR und PicoTR – Die Geräteserie für die Thermische Charakterisierung von dünnen Schichten
Nanotechnologie ist ein wachsender Zweig für verschiedenste Anwendungen. In den Bereichen Kommunikation, Medizin, Umwelt, Energie, Luft- und Raumfahrt etc. „packen“ die Hersteller immer mehr auf immer kleineren Raum, und die freigesetzte Wärme wird zu einem immer größeren Problem. Die Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften der Materialien spielt daher eine wesentliche Rolle, um einen optimalen Wärmefluss zu ermöglichen. Mithilfe der NETZSCH Time Domain ThermoreflectanceThermoreflectance ist eine Methode zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit von Proben mit Dicken im Nano- und Mikrometer-Bereich.Thermoreflectance Methode können wir diese messen.
Über das Wärmemanagement dünner Schichten
Die Bestimmung der Temperatur-/ WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit von Materialien lässt sich mit der etablierten Laser-Flash-Methode (LFA) realisieren. Die LFA-Methode kann dabei typischerweise für Proben mit einer Dicke zwischen 0,1 und 6 mm angewandt werden. Allerdings sind mit dem steigenden Fortschritt im Design elektronischer Geräte und der damit verbundenen Nachfrage nach einem effizienten thermischen Management präzise Messungen von TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Übergangskontaktwiderstand im Nanometer-Bereich wichtiger denn je. In diesem Anwendungsbereich liegen die Materialien in einem Dickenbereich zwischen 10 nm und 2 µm vor. Sie kommen in Phasenwechsel-Speichern (PCM), thermoelektrischen dünnen Schichten, Leuchtdioden (LED), dielektrischen Zwischenschichten und auch in Form von transparenten leitfähigen Folien (PFD) vor.
Dünne Schichten (Nanometer-Bereich) besitzen oftmals eine Dicke, die unterhalb typischer Korngrößen liegt. Folglich unterscheiden sich ihre thermophysikalischen Eigenschaften erheblich von den Werten eines Massenguts: Mit abnehmender Korngröße (Schichtdicke) nimmt die Temperaturleitfähigkeit ab – besonders im Bereich der mittleren freien Weglänge der Elektronen. Deshalb kann die Temperaturleitfähigkeit von Bulkmaterialien um ein Vielfaches höher liegen als die von dünnen Schichten. Aufgrund dieser Tatsache ist es erforderlich, auch die Temperaturleitfähigkeit dünner Schichten genau zu bestimmen.
Thermoreflectance mittels Pulsed Light Heating – Die LFA-Methode für dünne Schichten
Die Analysegeräte NanoTR und PicoTRsind die Time Domain Thermoreflectance Methoden der Wahl für dünne Schichten. Sie sind die ersten kommerziellen Messsysteme weltweit, die die thermophysikalischen Eigenschaften von metallischen, oxidischen und organischen Schichten schnell und hochpräzise ermitteln. Ursprünglich wurden diese vom National Metrology Institute of Japan (NMIJ) des AIST entwickelt. Es können die Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeindringkoeffizient sowie der Wärmewiderstand an den Grenzflächen an Schichten auf einem beliebigen Substrat, mit einer Dicke von einigen Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern bestimmt werden.
Wie funktioniert es?
Die Vorder- oder Rückseite einer dünnen Schicht auf einem Substrat wird durch einen Laserpuls aufgeheizt (Pumplaser). Gleichzeitig wird die Vorderseite der dünnen Schicht mit einer Laserquelle zur Temperaturüberwachung bestrahlt (Probelaser). In Verbindung mit dem Detektor kann das Reflexionsvermögen in Abhängigkeit von der Zeit ausgewertet und die Kurve des Temperaturanstiegs ermittelt werden. Durch Anpassung des mathematischen Modells an die Temperaturverlaufskurve wird die Temperaturleitfähigkeit bestimmt.
Durch Messung der von einem Probelaser ausgesandten konstanten und an der Probe reflektierten Energie können die Temperaturänderungen der Oberfläche genau und schneller als mittels herkömmlicher IR-Strahlungsdetektoren aufgezeichnet werden.
Die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit und des Grenzflächen-Wärmewiderstands kann durch die Modi „Aufheizung Rückseite/Detektion Vorderseite“ (RF-Modus) und „Aufheizung Vorderseite/Detektion Vorderseite“ (FF-Modus) erfolgen.
Sowohl NanoTR als auch das PicoTR erlauben absolute Messungen der Temperaturleitfähigkeit dünner Schichten in einem Dickenbereich von mehreren 10 μm bis in den Nanometerbereich.
Vorteile auf einen Blick:
- Thermophysikalische Analyse von dünnen Schichten, einschließlich Mehrschichtstrukturen: Mittels NanoTR und PicoTR können Sie die Temperaturleitfähigkeit, den Wärmeeindringkoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit von dünnen Schichten sowie den Wärmewiderstand an Grenzflächen zwischen dünnen und mehrschichtigen Schichten messen. NanoTR und PicoTR ermöglichen hochentwickelte thermische Designs für Halbleiterbauelemente.
- Hochgeschwindigkeitsmessung: Die moderne Signalverarbeitungstechnologie von NanoTR ermöglicht Hochgeschwindigkeitsmessungen.
- RF- und FF-Konfigurationen: NanoTR und PicoTR können sowohl für RF- (Aufheizung Rückseite/Detektion Vorderseite) als auch für FF-Messungen (Aufheizung Vorderseite/Detektion Vorderseite) konfiguriert werden, was die Messung einer Vielzahl an Proben ermöglicht.
- Hochpräzise Analyse: Diese Geräte ermöglichen hochpräzise Messungen der thermophysikalischen Eigenschaften von metallischen, oxidischen, organischen und anderen Schichten. Die hohe Genauigkeit kann durch das NMIJ Certified Reference Materials (NMIJ CRMs) bestätigt werden.
- Größter Dickenbereich: In Kombination mit unseren LFA-Geräten sind wir in der Lage, Lösungen für dünne Schichten im Nanometer-Bereich bis hin zu Bulkmaterialien im Millimeter-Bereich anzubieten.
