Introduction
L'Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) a mis au point une technique de mesure appelée "méthode de ThermoréflectanceLa thermoréflectance est une méthode permettant de déterminer la diffusivité et la conductivité thermiques de films minces d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre.thermoréflectance par chauffage à lumière pulsée", qui est une version plus rapide de la méthode du flash laser, et a ainsi réussi à mesurer les propriétés thermophysiques des films minces avant d'autres entreprises dans le monde.
La méthode de ThermoréflectanceLa thermoréflectance est une méthode permettant de déterminer la diffusivité et la conductivité thermiques de films minces d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre.thermoréflectance par chauffage à la lumière pulsée, l'une des méthodes de ThermoréflectanceLa thermoréflectance est une méthode permettant de déterminer la diffusivité et la conductivité thermiques de films minces d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre.thermoréflectance dans le Domaine temporelUne analyse dans le domaine temporel est basée sur les changements de signaux physiques liés au temps. Un graphique du domaine temporel montre comment un signal évolue dans le temps. Dans le cas de la thermoréflectance ou de la méthode du flash laser, le signal du détecteur (variation de tension) est enregistré - au minimum - sur la plage de temps entre l'apport d'énergie et le maximum du signal (par exemple, en mode RF) ou en fonction du temps de diffusion de la chaleur prévu (par exemple, en mode FF).domaine temporel (TDTR), est une technique dans laquelle un film mince formé sur un substrat est instantanément chauffé par irradiation avec un laser pulsé picoseconde ou nanoseconde, et le changement de température à grande vitesse dû à la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusion thermique après le chauffage est mesuré par le changement d'intensité réfléchie de la lumière laser pour la mesure de la température.
La caractéristique unique du TDTR développé par l'AIST est sa large plage de temps d'observation allant jusqu'à 50 ns grâce à un système de retard électrique unique, alors que la plupart des systèmes TDTR utilisent un système de retard optique capable d'observer des phénomènes jusqu'à 10 ns seulement, ce qui oblige l'utilisateur à effectuer un réglage optique très difficile à chaque fois.
Chauffage arrière/chauffage avant par rapport au chauffage avant/au chauffage avantDétection
Il existe deux types de méthodes : Un arrangement dans lequel l'échantillon est chauffé du côté du substrat transparent (dans le cas de la lumière infrarouge, le Si est également un substrat transparent) et l'augmentation de température de la surface de l'échantillon est mesurée (chauffage arrière / mode de détection avant (RF), figure 1a), et un arrangement dans lequel la surface de l'échantillon est chauffée et l'augmentation de température du même endroit sur la surface de l'échantillon est mesurée (chauffage avant / mode de détection avant (FF), fig. 1b).
En principe, le mode RF est identique à la méthode du flash laser, qui est la méthode standard de mesure de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique pour les matériaux en vrac, et se caractérise par une excellente fiabilité quantitative. Contrairement au mode RF, le mode FF peut mesurer des films minces sur des substrats opaques et est important en tant que technique de mesure pratique.
Dans cet exemple, un film de diamant d'une épaisseur de 4 μm a été mesuré au moyen de PicoTR (figure 2) sur la base du principe de TDTR.
Le film de diamant présente une Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique élevée inégalée, ce qui est prometteur pour une mise en œuvre dans des dispositifs de puissance à haute densité de courant tels que les répartiteurs de chaleur.
L'échantillon a été fabriqué sur un verre sans alcali d'une épaisseur de 1 mm. Un film de Mo de 100 nm d'épaisseur a été pulvérisé sur la surface du diamant.
L'objectif principal de cette mesure était de déterminer si la surface était lisse ou non. Si la surface est rugueuse, le laser de la sonde se disperse et la lumière réfléchie ne peut pas être détectée. Comme le montre la figure 3, bien que la surface du film de diamant soit un peu rugueuse, il a été possible d'obtenir un bon signal de réflectance thermique S/N.
Résultats des mesures
La mesure a été effectuée en mode FF et analysée avec le logiciel PicoTR Thermal Simulator (tableau 1). D'après l'analyse des trois couches, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique de la couche de diamant a été calculée comme étant de 90 W/(m-K), et la résistance thermique de l'interface entre les couches de Mo et de diamant a été déterminée comme étant de 6,0x10-9m2-K/W.
Le temps de diffusion de la chaleur du film de diamant peut être estimé à 200 ns par l'équation suivante :
Temps de diffusion de la chaleur = (épaisseur)2/(Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique)
ce qui représente le temps de refroidissement de cette couche.
Tableau 1 : Résultats de l'analyse
Échantillon nom | Mo/Diamant Résistance thermique interfaciale Rm-f m²-K/W | Diamant Effusivité thermique bf J/(m²-s0,5-K) | Diamant λf W/(m-K) | Diamant/verre Résistance thermique interfaciale Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamant | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Conclusion
La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique d'un film de diamant d'une épaisseur de 4 μm sur un substrat de verre a été mesurée au moyen de PicoTR.
Comme on peut le voir sur la figure 4, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique obtenue est égale à 1/10 de la valeur de la littérature pour le matériau brut du diamant. Cela est dû à la diffusion des phonons entre les joints de grains du diamant ou à une structure imparfaite. Cet exemple montre l'importance de la mesure des couches minces pour la conception thermique précise des appareils électriques.
En raison de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique élevée du diamant, cet échantillon ne peut être mesuré qu'en mode FF de l'appareil PicoTR.
Lors de la mesure de films de diamant avec le NanoTR, le revêtement des deux côtés de la couche de diamant avec du molybdène permet d'utiliser la méthode RF.
