Введение
Японский национальный институт передовой промышленной науки и технологии (AIST) разработал методику измерения "метод терморефлектанса с импульсным световым нагревом", которая является более быстрой версией метода лазерной вспышки, и таким образом преуспел в измерении теплофизических свойств тонких пленок раньше других компаний в мире.
Импульсный метод терморефлектометрии, один из методов терморефлектометрии во временной области (TDTR), представляет собой метод, в котором тонкая пленка, сформированная на подложке, мгновенно нагревается путем облучения пикосекундным или наносекундным импульсным лазером, а высокоскоростное изменение температуры вследствие тепловой диффузии после нагрева измеряется по изменению интенсивности отраженного лазерного излучения для измерения температуры.
Уникальной особенностью TDTR, разработанного в AIST, является широкий диапазон времени наблюдения до 50 нс благодаря уникальной электрической системе задержки, в то время как в большинстве TDTR используется оптическая система задержки, способная наблюдать явления только до 10 нс; это обязывает пользователя каждый раз выполнять очень сложную оптическую настройку.
Задний обогрев/передний обогрев в сравнении с передним обогревом/переднимОбнаружение
Существует два типа этого метода: Метод, при котором образец нагревается со стороны прозрачной подложки (в случае инфракрасного излучения Si также является прозрачной подложкой) и измеряется повышение температуры на поверхности образца (режим заднего нагрева / переднего обнаружения (RF), рис. 1a), и метод, при котором нагревается поверхность образца и измеряется повышение температуры в одном и том же месте на поверхности образца (режим переднего нагрева / переднего обнаружения (FF), рис. 1b).
В принципе, режим RF идентичен методу лазерной вспышки, который является стандартным методом измерения теплопроводности сыпучих материалов, и отличается превосходной количественной надежностью. В отличие от RF-режима, FF-режим позволяет измерять тонкие пленки на непрозрачных подложках и важен как практический метод измерения.
В данном примере алмазная пленка толщиной 4 мкм была измерена с помощью PicoTR (рис. 2) на основе принципа TDTR.
Алмазная пленка обладает беспрецедентно высокой теплопроводностью, что перспективно для применения в силовых устройствах с высокой плотностью тока, таких как теплораспределители.
Образец был изготовлен на бесщелочном стекле толщиной 1 мм. На поверхность алмаза была напылена пленка Mo толщиной 100 нм.
Ключевым моментом этого измерения было определение того, гладкая поверхность или нет. Если поверхность шероховатая, лазер зонда рассеивается, и отраженный свет не может быть обнаружен. Как показано на рисунке 3, несмотря на то, что поверхность алмазной пленки немного шероховатая, удалось получить хороший сигнал теплового отражения S/N.
Результаты измерений
Измерения проводились в режиме FF и анализировались с помощью программы PicoTR Thermal Simulator (таблица 1). Из трехслойного анализа теплопроводность алмазного слоя была рассчитана как 90 Вт/(м-К), а тепловое сопротивление границы раздела между слоями Mo и алмаза было определено как 6,0x10-9м2-К/Вт.
Время тепловой диффузии алмазной пленки может быть оценено в 200 нс по уравнению:
Время диффузии тепла = (толщина)2/(температуропроводность)
что представляет собой время охлаждения этого слоя.
Таблица 1: Результаты анализа
Образец название | Мо/алмаз Межфазное термическое сопротивление Rm-f м²-К/Вт | Алмаз Тепловая эффузия bf Дж/(м²-с0,5-К) | Алмаз Теплопроводность λf Вт/(м-К) | Алмаз/стекло Межфазное термическое сопротивление Rf-s м²-К/Вт |
|---|---|---|---|---|
Алмаз | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Заключение
Теплопроводность алмазной пленки толщиной 4 мкм на стеклянной подложке была измерена с помощью прибора PicoTR.
Как видно из рисунка 4, полученная теплопроводность составляет 1/10 от литературного значения для объемного материала алмаза. Этого следовало ожидать из-за рассеяния фононов между границами зерен алмаза или несовершенной структуры. Этот пример показывает важность измерения тонких пленок для точного теплового расчета электрических устройств.
Из-за высокой теплопроводности алмаза этот образец можно измерить только в режиме FF на приборе PicoTR.
При измерении алмазных пленок с помощью NanoTR покрытие обеих сторон алмазного слоя молибденом позволяет использовать ВЧ-метод.
