12.06.2023 by Aileen Sammler
NanoTR およびPicoTR - 薄膜の熱特性評価用装置ライン
ナノテクノロジーは様々な分野で高い重要性を増している。通信、医療、環境、エネルギー、航空宇宙などの分野で、メーカーはますます小さなスペースに多くのものを詰め込むようになっており、放出される熱はますます大きな問題になっている。そのため、材料の熱物性に関する知識は、最適な熱の流れを可能にする上で大きな役割を果たします。NETZSCH Time Domain Thermoreflectance Methods を使えば、それらを測定することができる。
薄膜の熱管理
材料の熱伝導率と熱拡散率の測定は、確立されたレーザー/ライトフラッシュ法（LFA）で実現できます。このLFA法は通常、厚さ0.1mmから6mmのサンプルに使用できます。しかし、電子機器の設計がますます進歩し、それに伴って効率的な熱管理が求められるようになると、熱拡散率、熱伝導率、遷移接触抵抗をナノメートル領域まで正確に測定することがより重要になります。この応用分野では、材料の厚さは10 nmから2 µmに及ぶ。これらの材料は、相変化ストレージ（PCM）、熱電薄膜、発光ダイオード（LED）、誘電体界面層、あるいは透明導電膜（PFD）の形態をとることもあります。
ナノメートルの薄膜の厚さは、一般的な粒径よりも小さいことが多い。その結果、その熱物理特性はバルク材料の値とは大きく異なる。粒径（膜厚）が小さくなるにつれて、熱拡散率は、特に電子の平均自由行程の領域で低下する。従って、バルク材料の熱拡散率は薄膜の熱拡散率の数倍になる。この事実から、薄膜の熱拡散率も測定することが不可欠である。
パルス光加熱による時間領域熱反射率：薄膜のレーザーフラッシュ法
NanoTR およびPicoTR は、薄膜用の熱分析システムとして選ばれています。金属膜、酸化膜、有機膜などの熱物性を高精度に測定できる世界初の分析装置で、産業技術総合研究所計量標準総合センター（NMIJ）が独自に開発した。この装置は、あらゆる基板上に形成された厚さ数ナノメートルから数十マイクロメートルの薄膜の熱拡散率、熱膨張率、熱伝導率、界面熱抵抗を迅速かつ高精度に測定することができる。
どのように機能するのか？
基板上の薄膜の前面または後面をパルスレーザー光源（ポンプレーザー）で加熱する。同時に、薄膜の前面には温度モニター用のレーザー光源（プローブレーザー）が照射される。光検出器と組み合わせることで、反射率を時間の関数として評価し、温度上昇の曲線を得ることができる。温度の履歴曲線に数学モデルを当てはめることで、熱拡散率を求めることができる。
試料レーザーから放出され、試料で反射される一定のエネルギーを測定することで、表面の温度変化を従来の赤外線検出器よりも正確かつ迅速に記録することができる。
熱拡散率と界面熱抵抗の測定は、背面加熱/前面検出（RFモード）と前面加熱/前面検出（FFモード）で実現できます。
どちらも NanoTRと PicoTRは、数10μmからナノメートル領域までの薄膜の熱拡散率の絶対測定が可能です。
一目でわかるメリット
- 多層構造を含む薄膜の熱物理分析 NanoTRそして PicoTR薄膜の熱拡散率、熱膨張率、熱伝導率、および多層薄膜の薄膜間の界面熱抵抗を測定できます。 NanoTRそして PicoTR半導体デバイスの高度な熱設計を可能にします。
- 高速測定： NanoTR最先端の信号処理技術により、高速測定が可能です。
- RFおよびFF構成： NanoTRRFと PicoTRは、RF（後面加熱／前面検出）測定とFF（前面加熱／前面検出）測定の両方の構成が可能なため、さまざまなサンプルの測定が可能です。
- 高精度分析： 金属膜、酸化膜、有機膜などの熱物性を高精度に測定できます。高精度はNMIJ認証標準物質（NMIJ CRM）で確認できます。
- 最も広い膜厚範囲 LFA装置との組み合わせにより、ナノメーターレンジの薄膜からミリメーターレンジのバルク材料までのソリューションを提供することができます。
