Bevezetés
A japán Nemzeti Korszerű Ipari Tudományos és Technológiai Intézet (AIST) kifejlesztett egy mérési technikát, az "impulzusfény-fűtéses TermoreflexióA termoreflexió a nanométeres vastagságú vékonyrétegek hővezető képességének és hővezető képességének meghatározására szolgáló módszer.termoreflexiós módszert", amely a lézervillantásos módszer gyorsabb változata, és ezzel sikerült a világ más vállalatai előtt mérni a vékonyrétegek termofizikai tulajdonságait.
Az impulzusfény-fűtéses TermoreflexióA termoreflexió a nanométeres vastagságú vékonyrétegek hővezető képességének és hővezető képességének meghatározására szolgáló módszer.termoreflexiós módszer, amely az időtartománybeli TermoreflexióA termoreflexió a nanométeres vastagságú vékonyrétegek hővezető képességének és hővezető képességének meghatározására szolgáló módszer.termoreflexiós módszerek (Time Domain Thermoreflectance, TDTR) egyike, egy olyan technika, amelyben egy hordozón kialakított vékonyréteget pikoszekundumos vagy nanoszekundumos impulzuslézerrel történő besugárzással azonnal felmelegítenek, és a felmelegítés után a hődiffúzió miatti nagy sebességű hőmérsékletváltozást a hőmérsékletméréshez a lézerfény visszavert intenzitásváltozásával mérik.
Az AIST által kifejlesztett TDTR egyedülálló tulajdonsága, hogy egy egyedülálló elektromos késleltetési rendszer révén széles, akár 50 ns-os megfigyelési időtartományt biztosít, míg a legtöbb TDTR rendszer optikai késleltetési rendszert használ, amely csak 10 ns-ig képes a jelenségek megfigyelésére; ez arra kötelezi a felhasználót, hogy minden alkalommal nagyon bonyolult optikai beállítást végezzen.
Hátsó fűtés/elülső fűtés az elülső fűtéssel/elülsővel szembenDetection
Ennek a módszernek két típusa van: (infravörös fény esetén a Si szintén egy átlátszó szubsztrát), és a minta felületének hőmérséklet-emelkedését mérjük (hátsó fűtés / elülső érzékelés (RF) mód, 1a. ábra), és egy olyan elrendezés, amelyben a minta felületét fűtjük, és a minta felületének ugyanazon helyének hőmérséklet-emelkedését mérjük (elülső fűtés / elülső érzékelés (FF) mód, 1b. ábra).
Az RF üzemmód elvileg megegyezik a lézervillantásos módszerrel, amely az ömlesztett anyagok hődiffúziós képességének standard mérési módszere, és kiváló mennyiségi megbízhatósággal rendelkezik. Az RF üzemmóddal ellentétben az FF üzemmód átlátszatlan hordozókon lévő vékony filmek mérésére alkalmas, és fontos gyakorlati mérési technikaként.
Ebben a példában egy 4 μm vastagságú gyémántfilmet mértünk a PicoTR segítségével (2. ábra) a TDTR elve alapján.
A gyémántfilm páratlanul magas hővezető képességgel rendelkezik, ami ígéretes a nagy áramsűrűségű teljesítményű eszközökben, például hőelosztókban való alkalmazás szempontjából.
A mintát lúgmentes üvegre gyártották 1 mm vastagságban. A gyémánt felületére 100 nm vastag Mo filmet porlasztottak.
A mérés lényege az volt, hogy megállapítsuk, hogy a felület sima-e vagy sem. Ha a felület érdes, a szondalézer szóródik, és a visszavert fény nem detektálható. Amint a 3. ábrán látható, bár a gyémántfilm felülete kissé érdes, mégis sikerült jó S/N hővisszaverődési jelet elérni.
Mérési eredmények
A mérést FF üzemmódban végeztük, és a PicoTR Thermal Simulator szoftverrel elemeztük (1. táblázat). A háromrétegű elemzésből a gyémántréteg Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét 90 W/(m-K) értéknek, a Mo és a gyémántréteg közötti határfelületi hőellenállást pedig 6,0x10-9m2-K/Wértéknek határoztuk meg.
A gyémántréteg hődiffúziós ideje 200 ns-ra becsülhető a következő egyenlet alapján:
Hődiffúziós idő = (vastagság)2/(hődiffúziós tényező).
ami ennek a rétegnek a lehűlési idejét jelenti.
1. táblázat: Elemzési eredmények
Minta név | Mo/gyémánt Hőellenállás a határfelületen Rm-f m²-K/W | Gyémánt Hőhatás bf J/(m²-s0,5-K) | Gyémánt λf W/(m-K) | Gyémánt/üveg Felületközi hőellenállás Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Gyémánt | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Következtetés
Az üvegszubsztrátumon lévő 4 μm vastagságú gyémántfilm Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét a PicoTR segítségével mértük.
Amint az a 4. ábrán látható, a kapott hővezetési tényező a gyémánt ömlesztett anyagára vonatkozó irodalmi érték 1/10-ének felel meg. Ez a gyémánt szemcsehatárai közötti fononszórás vagy a tökéletlen szerkezet miatt várható. Ez a példa mutatja a vékonyréteg-mérés fontosságát az elektromos eszközök pontos termikus tervezéséhez.
A gyémánt nagy hővezető képessége miatt ezt a mintát csak a PicoTR FF üzemmódjában lehet mérni.
A NanoTR gyémántfilmek mérésekor a gyémántréteg mindkét oldalának molibdénnel való bevonása lehetővé teszi az RF-módszer alkalmazását.
