Johdanto
Japanin kansallinen AIST-instituutti (Advanced Industrial Science and Technology) on kehittänyt mittaustekniikan nimeltä "pulssivalon lämmityksen lämpöheijastusmenetelmä", joka on nopeampi versio laser-salamamenetelmästä, ja on näin onnistunut mittaamaan ohutkalvojen termofysikaalisia ominaisuuksia ennen muita yrityksiä maailmassa.
Pulssivalon lämmityksen termoreflektanssimenetelmä, joka on yksi TDTR-menetelmistä (Time Domain Thermoreflectance), on tekniikka, jossa alustalle muodostettua ohutkalvoa lämmitetään välittömästi säteilyttämällä sitä piko- tai nanosekunnin pulssilaserilla, ja lämpödiffuusiosta johtuva nopea lämpötilan muutos lämmittämisen jälkeen mitataan laservalon heijastuneen intensiteettimuutoksen avulla lämpötilan mittaamiseksi.
AIST:n kehittämän TDTR:n ainutlaatuinen piirre on sen laaja, jopa 50 ns:n havaintoaika-alue ainutlaatuisen sähköisen viivejärjestelmän avulla, kun taas useimmissa TDTR-järjestelmissä käytetään optista viivejärjestelmää, joka pystyy havainnoimaan ilmiöitä vain 10 ns:n ajan; tämä velvoittaa käyttäjän suorittamaan erittäin vaikean optisen säädön joka kerta.
Takalämmitys / etulämmitys verrattuna etulämmitykseen / etulämmitykseenDetection
Tätä menetelmää on kahta tyyppiä: Infrapunavalon tapauksessa Si on myös läpinäkyvä substraatti) ja näytteen pinnan lämpötilan nousu mitataan (Rear heating / Front detection (RF) -tila, kuva 1a), ja järjestely, jossa näytteen pintaa lämmitetään ja mitataan lämpötilan nousu samassa kohdassa näytteen pinnalla (Front heating / Front detection (FF) -tila, kuva 1b).
Periaatteessa RF-tila on identtinen laser-salamamenetelmän kanssa, joka on irtotavaran materiaalien lämpödiffuusiokyvyn vakiomittausmenetelmä, ja sen kvantitatiivinen luotettavuus on erinomainen. Toisin kuin RF-tilassa, FF-tilassa voidaan mitata ohuita kalvoja läpinäkymättömillä alustoilla, ja se on tärkeä käytännön mittaustekniikka.
Tässä esimerkissä mitattiin 4 μm:n paksuinen timanttikalvo TDTR-periaatteella PicoTR (kuva 2).
Timanttikalvolla on ennennäkemättömän korkea LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus, mikä on lupaavaa toteutettavaksi suurivirtaisissa teholaitteissa, kuten lämmönjakajissa.
Näyte valmistettiin alkalittomalle lasille, jonka paksuus oli 1 mm. Timanttipinnalle ruiskutettiin 100 nm paksu Mo-kalvo.
Tämän mittauksen keskeisin asia oli määrittää, oliko pinta sileä vai ei. Jos pinta on karhea, koettimen laser siroaa eikä heijastunutta valoa voida havaita. Kuten kuvasta 3 näkyy, vaikka timanttikalvon pinta on hieman karkea, saatiin hyvä S/N lämpöheijastussignaali.
Mittaustulokset
Mittaus suoritettiin FF-tilassa ja analysoitiin PicoTR Thermal Simulator -ohjelmistolla (taulukko 1). Kolmen kerroksen analyysin perusteella timanttikerroksen lämmönjohtavuudeksi laskettiin 90 W/(m-K) ja rajapinnan lämpöresistanssiksi Mo- ja timanttikerrosten välillä määritettiin 6,0x10-9m2-K/W.
Timanttikalvon lämmön diffuusioaika voidaan arvioida 200 ns:ksi yhtälön avulla:
Lämmön diffuusioaika = (paksuus)2/(lämpödiffuusiokyky).
joka edustaa tämän kerroksen jäähtymisaikaa.
Taulukko 1: Analyysin tulokset
Näyte nimi | Mo/Timantti Rajapinnan lämpöresistanssi Rm-f m²-K/W | Timantti Lämpötehokkuus bf J/(m²-s0,5-K) | Timantti λf W/(m-K) | Timantti/lasi Rajapinnan lämmönkestävyys Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Timantti | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Päätelmä
Lasialustalla olevan 4 μm paksun timanttikalvon LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus mitattiin PicoTR.
Kuten kuvasta 4 nähdään, saatu LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on 1/10 kirjallisuusarvosta, joka on määritetty irtotavarana olevalle timantille. Tämä on odotettavissa timantin raerajojen tai epätäydellisen rakenteen välisestä fononien sironnasta johtuen. Tämä esimerkki osoittaa ohutkalvomittauksen merkityksen sähkölaitteiden tarkan lämpösuunnittelun kannalta.
Koska timantin LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on suuri, tämä näyte voidaan mitata vain PicoTR FF-moodissa.
Kun timanttikalvoja mitataan NanoTR-laitteella, timanttikerroksen molemmin puolin molybdeenillä päällystäminen mahdollistaa RF-menetelmän käytön.
