Εισαγωγή
Το ιαπωνικό Εθνικό Ινστιτούτο Προηγμένης Βιομηχανικής Επιστήμης και Τεχνολογίας (AIST) ανέπτυξε μια τεχνική μέτρησης που ονομάζεται "μέθοδος θερμικής ανάκλασης με τη θέρμανση με παλμικό φως", η οποία είναι μια ταχύτερη εκδοχή της μεθόδου laser flash, και έτσι κατάφερε να μετρήσει τις θερμοφυσικές ιδιότητες των λεπτών υμενίων πριν από άλλες εταιρείες στον κόσμο.
Η μέθοδος θερμικής ανάκλασης με τη θέρμανση παλμικού φωτός, μια από τις μεθόδους θερμικής ανάκλασης στο πεδίο του χρόνου (TDTR), είναι μια τεχνική στην οποία ένα λεπτό φιλμ που σχηματίζεται σε ένα υπόστρωμα θερμαίνεται ακαριαία με την ακτινοβόλησή του με ένα παλμικό λέιζερ πικοδευτερολέπτου ή νανοδευτερολέπτου και η ταχεία μεταβολή της θερμοκρασίας λόγω θερμικής διάχυσης μετά τη θέρμανση μετράται από την ανακλώμενη μεταβολή της έντασης του φωτός λέιζερ για τη μέτρηση της θερμοκρασίας.
Το μοναδικό χαρακτηριστικό του TDTR που αναπτύχθηκε από το AIST είναι το ευρύ χρονικό εύρος παρατήρησης έως και 50 ns μέσω ενός μοναδικού ηλεκτρικού συστήματος καθυστέρησης, ενώ τα περισσότερα συστήματα TDTR χρησιμοποιούν ένα οπτικό σύστημα καθυστέρησης ικανό να παρατηρεί φαινόμενα μόνο έως 10 ns- αυτό υποχρεώνει τον χρήστη να πραγματοποιεί κάθε φορά μια πολύ δύσκολη οπτική ρύθμιση.
Πίσω θέρμανση/μπροστινή θέρμανση έναντι μπροστινής θέρμανσης/μπροστινής θέρμανσηςDetection
Υπάρχουν δύο τύποι αυτής της μεθόδου: (στην περίπτωση του υπέρυθρου φωτός, το Si είναι επίσης ένα διαφανές υπόστρωμα) και μετράται η αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του δείγματος (λειτουργία Rear heating / Front detection (RF), σχήμα 1α), και μια διάταξη στην οποία θερμαίνεται η επιφάνεια του δείγματος και μετράται η αύξηση της θερμοκρασίας στο ίδιο σημείο της επιφάνειας του δείγματος (λειτουργία Front heating / Front detection (FF), σχήμα 1β).
Κατ' αρχήν, η λειτουργία RF είναι πανομοιότυπη με τη μέθοδο flash laser, η οποία είναι η τυπική μέθοδος μέτρησης της θερμικής διάχυσης για υλικά χύδην, και διαθέτει εξαιρετική ποσοτική αξιοπιστία. Σε αντίθεση με τη λειτουργία RF, η λειτουργία FF μπορεί να μετρήσει λεπτά υμένια σε αδιαφανή υποστρώματα και είναι σημαντική ως πρακτική τεχνική μέτρησης.
Σε αυτό το παράδειγμα, ένα διαμαντένιο φιλμ πάχους 4 μm μετρήθηκε με τη βοήθεια του PicoTR (σχήμα 2) με βάση την αρχή της TDTR.
Το διαμαντένιο φιλμ διαθέτει απαράμιλλη υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η οποία είναι πολλά υποσχόμενη για εφαρμογή σε διατάξεις ισχύος υψηλής πυκνότητας ρεύματος, όπως οι διαχύτες θερμότητας.
Το δείγμα κατασκευάστηκε σε γυαλί χωρίς αλκάλια με πάχος 1 mm. Ένα υμένιο Mo πάχους 100-nm εκτοξεύθηκε στην επιφάνεια του διαμαντιού.
Το βασικό σημείο αυτής της μέτρησης ήταν να προσδιοριστεί αν η επιφάνεια ήταν λεία ή όχι. Εάν η επιφάνεια είναι τραχιά, το λέιζερ του ανιχνευτή σκεδάζεται και το ανακλώμενο φως δεν μπορεί να ανιχνευθεί. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, αν και η επιφάνεια του διαμαντένιου φιλμ είναι λίγο τραχιά, ήταν δυνατό να επιτευχθεί καλό σήμα θερμικής ανάκλασης S/N.
Αποτελέσματα μέτρησης
Η μέτρηση πραγματοποιήθηκε στη λειτουργία FF και αναλύθηκε με το λογισμικό PicoTR Thermal Simulator (πίνακας 1). Από την ανάλυση τριών στρωμάτων, η θερμική αγωγιμότητα του στρώματος διαμαντιού υπολογίστηκε σε 90 W/(m-K) και η θερμική αντίσταση διεπιφάνειας μεταξύ των στρωμάτων Mo και διαμαντιού προσδιορίστηκε σε 6,0x10-9m2-K/W.
Ο χρόνος διάχυσης θερμότητας του διαμαντένιου υμενίου μπορεί να εκτιμηθεί σε 200 ns από την εξίσωση του:
Χρόνος διάχυσης θερμότητας = (πάχος)2/(θερμική ικανότητα διάχυσης)
που αντιπροσωπεύει το χρόνο ψύξης αυτού του στρώματος.
Πίνακας 1: Αποτελέσματα της ανάλυσης
Δείγμα όνομα | Mo/διαμάντι Θερμική αντίσταση διεπιφάνειας Rm-f m²-K/W | Διαμάντι Θερμική απόδοση bf J/(m²-s0.5-K) | Διαμάντι Θερμική αγωγιμότητα λf W/(m-K) | Διαμάντι/γυαλί Θερμική αντίσταση διεπιφάνειας Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Διαμάντι | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Συμπέρασμα
Η θερμική αγωγιμότητα ενός διαμαντένιου φιλμ πάχους 4 μm πάνω σε γυάλινο υπόστρωμα μετρήθηκε με τη βοήθεια του PicoTR.
Όπως φαίνεται στο σχήμα 4, η λαμβανόμενη θερμική αγωγιμότητα είναι το 1/10 της βιβλιογραφικής τιμής για το χύδην υλικό του διαμαντιού. Αυτό είναι αναμενόμενο λόγω της σκέδασης φωνονίων μεταξύ των ορίων των κόκκων του διαμαντιού ή της ατελούς δομής. Το παράδειγμα αυτό δείχνει τη σημασία της μέτρησης λεπτών υμενίων για τον ακριβή θερμικό σχεδιασμό ηλεκτρικών διατάξεων.
Λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας του διαμαντιού, αυτό το δείγμα μπορεί να μετρηθεί μόνο στη λειτουργία FF του PicoTR.
Κατά τη μέτρηση διαμαντένιων υμενίων με το NanoTR, η επικάλυψη και των δύο πλευρών του διαμαντένιου στρώματος με μολυβδαίνιο καθιστά δυνατή τη χρήση της μεθόδου RF.
