Introducción
El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) de Japón ha desarrollado una técnica de medición denominada "método de TermorreflexiónLa termorreflexión es un método para determinar la difusividad térmica y la conductividad térmica de películas finas con espesores en el rango nanométrico.termorreflexión por calentamiento con luz pulsada", que es una versión más rápida del método de flash láser, y ha conseguido así medir las propiedades termofísicas de las películas finas antes que otras empresas del mundo.
El método de TermorreflexiónLa termorreflexión es un método para determinar la difusividad térmica y la conductividad térmica de películas finas con espesores en el rango nanométrico.termorreflexión por calentamiento con luz pulsada, uno de los métodos de TermorreflexiónLa termorreflexión es un método para determinar la difusividad térmica y la conductividad térmica de películas finas con espesores en el rango nanométrico.termorreflexión en el Dominio del tiempoUn análisis en el dominio del tiempo se basa en los cambios de las señales físicas relacionados con el tiempo. Un gráfico en el dominio del tiempo muestra cómo cambia una señal a lo largo del tiempo. En el caso de la termorreflexión o del método del destello láser, la señal del detector (cambio de tensión) se registra -como mínimo- en el intervalo de tiempo entre la entrada de energía y el máximo de la señal (por ejemplo, en el modo RF) o en función del tiempo previsto de difusión del calor (por ejemplo, en el modo FF).dominio del tiempo (TDTR), es una técnica en la que una película fina formada sobre un sustrato se calienta instantáneamente irradiándola con un láser pulsado de picosegundos o nanosegundos, y el cambio de temperatura a alta velocidad debido a la difusión térmica tras el calentamiento se mide mediante el cambio de intensidad reflejado de la luz láser para medir la temperatura.
La característica exclusiva del TDTR desarrollado por el AIST es su amplio rango de tiempo de observación de hasta 50 ns mediante un sistema de retardo eléctrico único, mientras que la mayoría de los sistemas TDTR utilizan un sistema de retardo óptico capaz de observar fenómenos sólo durante un máximo de 10 ns; esto obliga al usuario a realizar cada vez un ajuste óptico muy difícil.
Calefacción Trasera/Calefacción Delantera Frente a Calefacción Delantera/Calefacción DelanteraDetección
Existen dos tipos de este método: Una disposición en la que la muestra se calienta desde el lado del sustrato transparente (en el caso de la luz infrarroja, el Si también es un sustrato transparente) y se mide el aumento de temperatura de la superficie de la muestra (modo de calentamiento posterior / detección frontal (RF), figura 1a), y una disposición en la que la superficie de la muestra se calienta y se mide el aumento de temperatura del mismo lugar de la superficie de la muestra (modo de calentamiento frontal / detección frontal (FF), fig. 1b).
En principio, el modo RF es idéntico al método de flash láser, que es el método estándar de medición de la difusividad térmica para materiales a granel, y presenta una excelente fiabilidad cuantitativa. A diferencia del modo RF, el modo FF puede medir películas finas sobre sustratos opacos y es importante como técnica de medición práctica.
En este ejemplo, se midió una película de diamante de 4 μm de grosor mediante PicoTR (figura 2) basándose en el principio de TDTR.
La película de diamante presenta una alta conductividad térmica sin precedentes, lo que resulta prometedor para su aplicación en dispositivos de potencia de alta DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad de corriente, como los disipadores de calor.
La muestra se fabricó sobre un vidrio sin álcalis de 1 mm de espesor. Se pulverizó una película de Mo de 100 nm de espesor sobre la superficie de diamante.
El punto clave de esta medición era determinar si la superficie era lisa o no. Si la superficie es rugosa, el láser de la sonda se dispersa y no se puede detectar la luz reflejada. Como se muestra en la figura 3, aunque la superficie de la película de diamante es un poco rugosa, fue posible conseguir una buena señal de reflectancia térmica S/N.
Resultados de las mediciones
La medición se realizó en el modo FF y se analizó con el software PicoTR Thermal Simulator (tabla 1). A partir del análisis de tres capas, la conductividad térmica de la capa de diamante se calculó en 90 W/(m-K), y la resistencia térmica de la interfaz entre las capas de Mo y diamante se determinó en 6,0x10-9m2-K/W.
El tiempo de difusión del calor de la película de diamante puede estimarse en 200 ns mediante la ecuación de:
Tiempo de difusión del calor = (espesor)2/(difusividad térmica)
que representa el tiempo de enfriamiento de esta capa.
Cuadro 1: Resultados de los análisis
Muestra nombre | Mo/Diamante Resistencia térmica interfacial Rm-f m²-K/W | Diamante Eficacia térmica bf J/(m²-s0,5-K) | Diamante Conductividad térmica λf W/(m-K) | Diamante/Vidrio Resistencia térmica interfacial Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamante | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Conclusión
La conductividad térmica de una película de diamante de 4 μm de espesor sobre un sustrato de vidrio se midió mediante PicoTR.
Como se puede ver en la figura 4, la conductividad térmica obtenida es 1/10 del valor de la literatura para el material a granel de diamante. Esto es de esperar debido a la dispersión de fonones entre los límites de grano del diamante o a una estructura imperfecta. Este ejemplo muestra la importancia de la medición de películas finas para el diseño térmico preciso de dispositivos eléctricos.
Debido a la alta conductividad térmica del diamante, esta muestra sólo puede medirse en el modo FF del PicoTR.
Cuando se miden películas de diamante con el NanoTR, el recubrimiento de ambas caras de la capa de diamante con molibdeno permite utilizar el método RF.
