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Méthode de détermination 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 dans une plage d'épaisseur de l'ordre du nanomètre

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

La méthode de détermination 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 dans la gamme d'épaisseur du nanomètre

Avec les progrès significatifs dans la conception des appareils électroniques et le besoin associé d'une gestion thermique efficace, des mesures précises 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 et 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 dans le domaine du nanomètre sont plus que jamais cruciales.

L'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), au Japon, a déjà répondu aux besoins de l'industrie en mettant au point une "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" au début des années 90. La société PicoTherm Corporation a été créée en 2008 avec le lancement d'un appareil 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 nanoseconde "NanoTR"et d'un appareil 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 à pico-seconde "PicoTR", qui permet des mesures absolues 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 de films minces dans une gamme d'épaisseur de plusieurs 10 μm jusqu'à la gamme des nanomètres.

En octobre 2020, PicoTherm a rejoint le groupe NETZSCH en tant que filiale de NETZSCH Japan. En combinaison avec nos systèmes LFA, NETZSCH peut désormais offrir la solution pour les films minces dans la gamme du nanomètre jusqu'aux matériaux en vrac dans la gamme du mm.

Essai de conductivité thermique d'un câble ruban à couche mince

L'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), au Japon, a déjà répondu aux besoins de l'industrie en développant une "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" au début des années 90. La société PicoTherm Corporation a été créée en 2008 avec le lancement d'un appareil 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 nanoseconde "NanoTR"et d'un appareil 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 à pico-seconde "PicoTR", qui permet des mesures absolues de la diffusivité thermique de films minces dans une gamme d'épaisseur de plusieurs 10 μm jusqu'à la gamme des nanomètres.

Méthode

Avec le site PicoTR, des impulsions laser (laser de pompe) d'une largeur d'impulsion de 0,5 ps et d'une période de 50 ns peuvent être appliquées à l'échantillon. Le temps de réponse de la température est également détecté par le laser de l'échantillon.

PicoTR permet à l'utilisateur de passer facilement du mode RT au mode FF.

PicoTR est conforme aux normes industrielles japonaises JIS R 1689 et JIS R 1690.

Diagramme illustrant une installation de spectroscopie laser avec les lasers de pompe et de sonde, l'interaction avec l'échantillon et les composants de détection.

Méthodes de thermoréflectance

Méthode du flash laser ultrarapide - Chauffage arrière/détection avant (RF)

Détermination de la diffusivité thermique et de la résistance thermique interfaciale

Le fait que les propriétés thermophysiques des couches minces et des films diffèrent considérablement de celles du matériau en vrac correspondant nécessite une technique qui surmonte les limites de la méthode classique du flash laser (LFA). Cette technique de flash laser ultrarapide est également connue sous le nom de méthode de chauffage arrière/détection avant.
Le dispositif de mesure est similaire à la méthode LFA classique : le détecteur et le laser se trouvent sur les côtés opposés de l'échantillon, qui est placé sur un substrat transparent. La diffusivité thermique mesurée est la composante à travers l'épaisseur perpendiculaire à la surface de l'échantillon. Le laser de pompage irradie la face arrière de l'échantillon.

Au fur et à mesure que l'échantillon se réchauffe, sa 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 de surface varie. La diffusivité thermique est calculée à partir de l'augmentation de température (graphique du bas). Ici, la diffusivité thermique d'un film métallique mince (Mo) a été déterminée à 1,59 - ^10-5^m2/s.

Diagramme de configuration RF illustrant les interactions du laser avec un échantillon sur un substrat transparent pour l'analyse des matériaux. — Configuration RF spécifique pour les substances transparentes

Courbe d'évolution de la température d'un film mince de Mo de 90 nm montrant la diffusivité thermique et les mesures de conductivité. — Courbe d'évolution de la température et diffusivité thermique mesurée d'un film mince de Mo (90 nm) avec la méthode RF

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 - Chauffage frontal/détection frontale (FF)

Détermination de la diffusivité et de l'effusivité thermiques

Outre la méthode RF, les mesures peuvent également être effectuées dans une configuration de chauffage frontal/détection frontale (FF). Le terme "avant" désigne la surface ouverte de la couche mince déposée sur un substrat, tandis que le terme "arrière" désigne la limite entre la couche mince et le substrat.

Dans la configuration de mesure FF (image du haut), le détecteur et le laser se trouvent du même côté de l'échantillon. Une zone de la face avant de la couche mince d'un diamètre de plusieurs dizaines de micromètres est chauffée par un laser de pompe, et un laser de sonde pointe à la même position. La variation de la température de surface est observée.

Cette méthode peut être appliquée à des couches minces sur des substrats non transparents pour lesquels la technique RF n'est pas adaptée.

Dans l'exemple de gauche, la diffusivité thermique d'un film métallique mince (Mo) a été déterminée à 1,61 - 10-5 m2/s en appliquant la méthode FF. Les résultats prouvent la grande concordance entre les modes RF et FF (écart < 2 %).

Schéma de la méthode FF illustrant la configuration pour l'analyse de substrats opaques et transparents avec des lasers et un photodétecteur. — Configuration FF spécifique pour les substrats opaques

Graphique représentant l'analyse de l'adsorption de gaz avec les mesures TG et NH₃, illustrant la dynamique de la réaction dans l'analyse thermique. — Courbe d'évolution de la température et diffusivité thermique mesurée d'un film mince de Mo (90 nm) avec la méthode FF

NanoTR est conforme aux normes JIS R 1689 et JIS R 1690, et est traçable par l'étalon de temps de 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 des films minces (RM1301-a), fourni par l'AIST.

JIS R 1689 "Détermination de la diffusivité thermique des films céramiques fins par 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 lumière pulsée"
JIS R 1690 "Détermination de la résistance thermique interfaciale entre un film céramique fin et un film métallique"

"Méthodes de thermoréflectance par chauffage par impulsions lumineuses pour la mesure des propriétés thermophysiques des films minces"
Tetsuya BABA

"Développement d'un matériau de référence pour la diffusivité thermique des films minces"
Takashi YAGI, Naoyuki TAKETOSHI, Tetsuya BABA

"Observation directe du transfert d'énergie thermique à travers le film métallique mince sur des substrats de silicium par une technique de thermoréflectance à détection de front de chauffage arrière "
Shakhawat H. FIROZ, Takashi YAGI, Naoyuki TAKETOSHI, Kazuko ISHIKAWA, Tetsuya BABA

"Mesure de la diffusivité thermique dans une cellule à enclume de diamant à l'aide d'une technique de thermoréflectance par impulsion lumineuse "
Takashi YAGI, Tetsuya BABA, et al.

Spécifications

		`PicoTR`
Laser à pompe	Largeur d'impulsion Longueur d'onde Diamètre du faisceau	0.5 ps 1550 nm 45 μm
Laser d'échantillonnage	Largeur d'impulsion Longueur d'onde Diamètre du faisceau	0.5 ps 775 nm 25 μm
Valeurs mesurées		Coefficients de diffusivité thermique et de pénétration de la chaleur, résistance thermique des couches intermédiaires
Épaisseur de la couche de l'échantillon (méthode RF)	Résine Céramique Métal	10 nm ... 100 nm 10 nm ... 300 nm 100 nm ... 900 nm
Épaisseur de la couche de l'échantillon (méthode FF)		Épaisseur supérieure à 100 nm
Substrats	Matériau Taille Épaisseur	Opaque/transparent 10 ... 20 mm carré 1 mm max.
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	Gamme de produits	0.01 ... 1000 mm²/s
	Précision	± 6,2 % avec un temps de mesure de 40 min, pour CRM 5808A en mode RF, épaisseur 400 nm
	Reproductibilité	± 5%
Logiciel		Calcul des propriétés thermiques, analyse multicouche, base de données

Brochures et fiches techniques

Logiciel

Affichage in situ et analyse de 100 000 clichés

Le logiciel de mesure/analyse de pointe de NanoTR/PicoTR a une interface utilisateur facile à utiliser qui permet une détermination précise des propriétés thermiques des films minces. La focalisation du faisceau laser peut être réglée par le logiciel et l'image CCD peut être obtenue.

NanoTR/ Le logicielPicoTR fonctionne sous Microsoft Windows.

Le graphique montre qu'une courbe de mesure peut être obtenue en 1 μs de temps de mesure.