Wprowadzenie
Japoński Narodowy Instytut Zaawansowanych Nauk Przemysłowych i Technologii (AIST) opracował technikę pomiarową o nazwie "metoda termorefleksji z ogrzewaniem światłem pulsacyjnym", która jest szybszą wersją metody błysku laserowego, dzięki czemu udało się zmierzyć właściwości termofizyczne cienkich warstw przed innymi firmami na świecie.
Metoda termorefleksji z ogrzewaniem światłem impulsowym, jedna z metod termorefleksji w dziedzinie czasu (TDTR), jest techniką, w której cienka warstwa utworzona na podłożu jest natychmiastowo podgrzewana przez naświetlanie jej pikosekundowym lub nanosekundowym laserem impulsowym, a szybka zmiana temperatury spowodowana dyfuzją termiczną po podgrzaniu jest mierzona przez odbitą zmianę intensywności światła laserowego do pomiaru temperatury.
Unikalną cechą TDTR opracowanego przez AIST jest szeroki zakres czasu obserwacji do 50 ns dzięki unikalnemu elektrycznemu systemowi opóźnienia, podczas gdy większość systemów TDTR wykorzystuje optyczny system opóźnienia zdolny do obserwacji zjawisk tylko do 10 ns; zobowiązuje to użytkownika do przeprowadzania bardzo trudnej regulacji optycznej za każdym razem.
Ogrzewanie tylne/ogrzewanie przednie kontra ogrzewanie przednie/przednieWykrywanie
Istnieją dwa rodzaje tej metody: Układ, w którym próbka jest ogrzewana od strony przezroczystego podłoża (w przypadku światła podczerwonego, Si jest również przezroczystym podłożem) i mierzony jest wzrost temperatury powierzchni próbki (tryb tylnego ogrzewania / przedniej detekcji (RF), rys. 1a) oraz układ, w którym powierzchnia próbki jest ogrzewana i mierzony jest wzrost temperatury tego samego miejsca na powierzchni próbki (tryb przedniego ogrzewania / przedniej detekcji (FF), rys. 1b).
Zasadniczo tryb RF jest identyczny z metodą błysku laserowego, która jest standardową metodą pomiaru dyfuzyjności cieplnej dla materiałów sypkich i charakteryzuje się doskonałą niezawodnością ilościową. W przeciwieństwie do trybu RF, tryb FF może mierzyć cienkie warstwy na nieprzezroczystych podłożach i jest ważny jako praktyczna technika pomiarowa.
W tym przykładzie warstwa diamentowa o grubości 4 μm została zmierzona za pomocą PicoTR (rysunek 2) w oparciu o zasadę TDTR.
Folia diamentowa charakteryzuje się niezrównaną wysoką przewodnością cieplną, co jest obiecujące dla zastosowania w urządzeniach o dużej gęstości prądu, takich jak rozpraszacze ciepła.
Próbka została wytworzona na szkle bezalkalicznym o grubości 1 mm. Na powierzchnię diamentu napylono warstwę Mo o grubości 100 nm.
Kluczowym punktem tego pomiaru było określenie, czy powierzchnia jest gładka, czy nie. Jeśli powierzchnia jest chropowata, laser sondy rozprasza się, a odbite światło nie może zostać wykryte. Jak pokazano na rysunku 3, chociaż powierzchnia warstwy diamentowej jest nieco chropowata, możliwe było uzyskanie dobrego sygnału odbicia termicznego S/N.
Wyniki pomiarów
Pomiar przeprowadzono w trybie FF i przeanalizowano za pomocą oprogramowania PicoTR Thermal Simulator (tabela 1). Na podstawie analizy trójwarstwowej obliczono, że Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna warstwy diamentowej wynosi 90 W/(m-K), a opór cieplny interfejsu między warstwą Mo i warstwą diamentową wynosi 6,0x10-9m2-K/W.
Czas dyfuzji ciepła warstwy diamentowej można oszacować na 200 ns za pomocą równania:
Czas dyfuzji ciepła = (grubość)2/(dyfuzyjność cieplna)
co reprezentuje czas chłodzenia tej warstwy.
Tabela 1: Wyniki analizy
Próbka nazwa | Mo/Diament Międzyfazowy opór cieplny Rm-f m²-K/W | Diament Efektywność cieplna bf J/(m²-s0,5-K) | Diament λf W/(m-K) | Diament/szkło Międzyfazowy opór cieplny Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diament | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Wnioski
Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna warstwy diamentowej o grubości 4 μm na szklanym podłożu została zmierzona za pomocą PicoTR.
Jak widać na rysunku 4, uzyskana Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna wynosi 1/10 wartości literaturowej dla materiału sypkiego diamentu. Należy się tego spodziewać ze względu na rozpraszanie fononów między granicami ziaren diamentu lub niedoskonałą strukturę. Przykład ten pokazuje znaczenie pomiarów cienkowarstwowych dla dokładnego projektowania termicznego urządzeń elektrycznych.
Ze względu na wysoką przewodność cieplną diamentu, próbka ta może być mierzona tylko w trybie FF urządzenia PicoTR.
Podczas pomiaru warstw diamentowych za pomocą NanoTR, pokrycie obu stron warstwy diamentowej molibdenem umożliwia zastosowanie metody RF.
