소개
일본 국립산업기술종합연구소(AIST)가 레이저 플래시법을 보다 빠르게 구현한 '펄스 광 가열 열반사율법'이라는 측정 기술을 개발해 박막의 열물리학적 특성을 세계 최초로 측정하는 데 성공했다.
펄스광 가열 열반사율법은 시간영역 열반사율(TDTR) 방법 중 하나로, 기판 위에 형성된 박막에 피코초 또는 나노초 펄스 레이저를 조사해 순간적으로 가열하고 가열 후 열 확산에 의한 고속 온도 변화를 레이저 빛의 반사 강도 변화로 측정하는 기술로 온도 측정에 활용됩니다.
대부분의 TDTR 시스템이 최대 10ns까지만 현상을 관찰할 수 있는 광학 지연 시스템을 사용하는 반면, AIST가 개발한 TDTR의 특징은 독자적인 전기 지연 시스템을 통해 최대 50ns의 넓은 관찰 시간 범위를 제공하는 것인데, 이는 사용자가 매번 매우 어려운 광학 조정 작업을 수행해야 하는 번거로움이 있습니다.
후면 열선/전면 열선 대 전면 열선/전면 열선감지
이 방법에는 두 가지 유형이 있습니다: 투명 기판 측(적외선의 경우 Si도 투명 기판)에서 시료를 가열하고 시료 표면의 온도 상승을 측정하는 방식(후면 가열/전면 검출(RF) 모드, 그림 1a)과 시료 표면을 가열하고 시료 표면의 동일 위치의 온도 상승을 측정하는 방식(전면 가열/전면 검출(FF) 모드, 그림 1b)이 있습니다.
RF 모드는 원칙적으로 벌크 재료의 표준 열확산도 측정 방법인 레이저 플래시 방식과 동일하며 정량적 신뢰성이 뛰어난 것이 특징입니다. RF 모드와 달리 FF 모드는 불투명 기판의 박막을 측정할 수 있어 실용적인 측정 기법으로 중요합니다.
이 예에서는 TDTR의 원리를 기반으로 PicoTR (그림 2)를 사용하여 4μm 두께의 다이아몬드 박막을 측정했습니다.
다이아몬드 필름은 열전도율이 매우 높아 히트 스프레더와 같은 고전류 밀도 전력 장치에 적용하기에 유망한 소재입니다.
샘플은 두께가 1mm인 무알칼리 유리 위에 제작되었습니다. 다이아몬드 표면에 100nm 두께의 Mo 필름을 스퍼터링했습니다.
이 측정의 핵심은 표면이 매끄러운지 아닌지를 확인하는 것이었습니다. 표면이 거칠면 프로브 레이저가 산란되어 반사광을 감지할 수 없습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 다이아몬드 필름의 표면이 약간 거칠지만 좋은 S/N 열 반사율 신호를 얻을 수 있었습니다.
측정 결과
측정은 FF 모드에서 수행되었으며 PicoTR 열 시뮬레이터 소프트웨어로 분석되었습니다(표 1). 3개 층 분석 결과, 다이아몬드 층의 열전도율은 90W/(m-K)로 계산되었고, Mo와 다이아몬드 층 사이의 계면 열 저항은 6.0x10-9m2-K/W로결정되었습니다.
다이아몬드 필름의 열 확산 시간은 다음 식을 통해 200ns로 추정할 수 있습니다:
확산 시간 = (두께)2/(열 확산도)
는 이 층의 냉각 시간을 나타냅니다.
표 1: 분석 결과
샘플 이름 | 모/다이아몬드 계면 열 저항 Rm-f m²-K/W | 다이아몬드 열 효율 bf J/(m²-s0.5-K) | 다이아몬드 열 전도성 λf W/(m-K) | 다이아몬드/유리 계면 열 저항 Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
다이아몬드 | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
결론
유리 기판 위에 4μm 두께의 다이아몬드 필름의 열전도도를 PicoTR 을 사용하여 측정했습니다.
그림 4에서 볼 수 있듯이, 얻어진 열전도율은 다이아몬드 벌크 재료에 대한 문헌 값의 1/10입니다. 이는 다이아몬드의 입자 경계 또는 불완전한 구조 사이의 포논 산란으로 인해 예상되는 결과입니다. 이 예는 전기 장치의 정확한 열 설계를 위한 박막 측정의 중요성을 보여줍니다.
다이아몬드의 높은 열전도율로 인해 이 샘플은 PicoTR 의 FF 모드에서만 측정할 수 있습니다.
NanoTR 로 다이아몬드 박막을 측정할 때 다이아몬드 층의 양면을 몰리브덴으로 코팅하면 RF 방법을 사용할 수 있습니다.
