Introduzione
L'Istituto Nazionale Giapponese di Scienza e Tecnologia Industriale Avanzata (AIST) ha sviluppato una tecnica di misurazione chiamata "metodo di termoriflettanza con riscaldamento a luce pulsata", che è una versione più veloce del metodo del flash laser, riuscendo così a misurare le proprietà termofisiche dei film sottili prima di altre aziende nel mondo.
Il metodo di termoriflettanza con riscaldamento a luce pulsata, uno dei metodi di termoriflettanza nel Dominio del tempoL'analisi nel dominio del tempo si basa sui cambiamenti dei segnali fisici in relazione al tempo. Un grafico nel dominio del tempo mostra come un segnale cambia nel tempo. Nel caso della termoreflettanza o del metodo del flash laser, il segnale del rivelatore (variazione di tensione) viene registrato - al minimo - nell'intervallo di tempo tra l'immissione di energia e il massimo del segnale (ad esempio, modalità RF) o in funzione del tempo di diffusione del calore previsto (ad esempio, modalità FF).dominio del tempo (TDTR), è una tecnica in cui un film sottile formato su un substrato viene riscaldato istantaneamente irradiandolo con un laser pulsato a picosecondi o nanosecondi, e la variazione di temperatura ad alta velocità dovuta alla diffusione termica dopo il riscaldamento viene misurata dalla variazione di intensità riflessa della luce laser per la misurazione della temperatura.
La caratteristica unica del TDTR sviluppato dall'AIST è il suo ampio intervallo di tempo di osservazione, fino a 50 ns, grazie a un esclusivo sistema di ritardo elettrico, mentre la maggior parte dei sistemi TDTR utilizza un sistema di ritardo ottico in grado di osservare i fenomeni solo fino a 10 ns; ciò obbliga l'utente a effettuare ogni volta una regolazione ottica molto difficile.
Riscaldamento posteriore/riscaldamento anteriore rispetto a riscaldamento anteriore/riscaldamento anterioreRilevamento
Esistono due tipi di questo metodo: Una disposizione in cui il campione viene riscaldato dal lato del substrato trasparente (nel caso della luce infrarossa, anche il Si è un substrato trasparente) e viene misurato l'aumento di temperatura della superficie del campione (modalità di riscaldamento posteriore/rilevamento anteriore (RF), figura 1a), e una disposizione in cui la superficie del campione viene riscaldata e viene misurato l'aumento di temperatura della stessa posizione sulla superficie del campione (modalità di riscaldamento anteriore/rilevamento anteriore (FF), figura 1b).
In linea di principio, la modalità RF è identica al metodo laser flash, che è il metodo standard di misurazione della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica per i materiali sfusi, e presenta un'eccellente affidabilità quantitativa. A differenza della modalità RF, la modalità FF può misurare film sottili su substrati opachi ed è importante come tecnica di misura pratica.
In questo esempio, un film di diamante dello spessore di 4 μm è stato misurato tramite il sito PicoTR (figura 2) basato sul principio del TDTR.
Il film di diamante è caratterizzato da un'elevata Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica senza pari, che è promettente per l'implementazione in dispositivi di potenza ad alta densità di corrente, come i diffusori di calore.
Il campione è stato fabbricato su un vetro privo di alcali con uno spessore di 1 mm. Sulla superficie del diamante è stato spruzzato un film di Mo dello spessore di 100 nm.
Il punto chiave di questa misurazione era determinare se la superficie fosse liscia o meno. Se la superficie è ruvida, il laser della sonda si disperde e la luce riflessa non può essere rilevata. Come mostrato nella figura 3, sebbene la superficie del film di diamante sia un po' ruvida, è stato possibile ottenere un buon segnale di riflettanza termica S/N.
Risultati della misurazione
La misura è stata eseguita in modalità FF e analizzata con il software PicoTR Thermal Simulator (tabella 1). Dall'analisi a tre strati, la conducibilità termica dello strato di diamante è stata calcolata pari a 90 W/(m-K) e la resistenza termica dell'interfaccia tra gli strati di Mo e di diamante è stata determinata pari a 6,0x10-9m2-K/W.
Il tempo di diffusione del calore del film di diamante può essere stimato in 200 ns dall'equazione di:
Tempo di diffusione del calore = (spessore)2/(Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica)
che rappresenta il tempo di raffreddamento di questo strato.
Tabella 1: Risultati dell'analisi
Campione nome | Mo/Diamante Resistenza termica interfacciale Rm-f m²-K/W | Diamante Effusività termica bf J/(m²-s0,5-K) | Diamante Conducibilità termica λf W/(m-K) | Diamante/Vetro Resistenza termica interfacciale Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamante | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Conclusione
La conducibilità termica di un film di diamante dello spessore di 4 μm su un substrato di vetro è stata misurata mediante PicoTR.
Come si può vedere nella figura 4, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica ottenuta è pari a 1/10 del valore di letteratura per il materiale sfuso di diamante. Ciò è prevedibile a causa della diffusione dei fononi tra i confini dei grani del diamante o di una struttura imperfetta. Questo esempio dimostra l'importanza della misurazione del film sottile per un'accurata progettazione termica dei dispositivi elettrici.
A causa dell'elevata Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del diamante, questo campione può essere misurato solo nella modalità FF di PicoTR.
Quando si misurano film di diamante con NanoTR, il rivestimento di entrambi i lati dello strato di diamante con molibdeno consente di utilizzare il metodo RF.
