微尺度薄膜热导率测试技术

随着器件尺寸进入到微／纳米尺度，其热物性与体材料相比有了很大差别。在器件热性能和可靠性研究过程中，对热导率的测量成为了关键技术之一。本文概述了SiO2、SiNx、金刚石等薄膜在微小型器件中的用途及其热导率测试技术的发展，并进一步总结了用于薄膜热导率测量的常用方法。     

分子动力学模拟铜薄膜的热导率

采用分子动力学(MD)方法模拟铜薄膜的热导率,给出了厚度在100~400nm、温度在100~600K范围内铜薄膜热导率对尺寸及温度的依赖关系.     

氢化非晶硅薄膜的热导率研究

采用铂电极为加热电阻,研究了厚度为300—370nm等离子体化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氢化非晶硅(a-Si：H)薄膜的热导率随衬底温度的变化规律.用光谱式椭偏仪拟合测量薄膜的厚度,得到了沉积速率随衬底温度变化规律,傅里叶红外(FTIR)表征了在KBr晶片衬底上制备的a-Si：H薄膜的红外光谱特性,SiH原子团键合模的震动对热量的吸收降低了薄膜热导率.从动力学角度分析了薄膜热导率随平均温度升高而增大的原因,并比较了声子传播和自由电子移动在a-Si：H薄膜热导率变化上的作用差异. 关键词： 非晶硅 热导率 薄膜 热能     

二氧化硅纳米薄膜非平衡热导率研究

二氧化硅纳米绝缘薄膜的传热是靠声子在薄膜的振动实现的.声子在纳米薄膜结构中传输的非平衡性影响了薄膜的热导率,3ω实验方法是一种可以对薄膜热导率进行瞬时测量的方法,本文采用3ω方法分别测量低频率段和高频段的二氧化硅薄膜温升及二氧化硅薄膜的热导率,对二氧化硅薄膜的非平衡热导率进行了分析.     

单晶硅薄膜面向热导率分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法(NEMD)研究了室温(300 K)下厚度为2～32 nm的单晶硅薄膜的沿膜平面方向的热导率,并使用Debye-Einstein模型对模拟温度进行了量子修正。模拟表明薄膜面向热导率小于相应的大体积值,并随膜厚度减小而减小,具有显著的尺寸效应。在模拟范围内膜面向热导率略大于其法向热导率;与声子气动力论的定性结果一致。晶体的表面弛豫和表面重构现象导致了MD模拟中体系总内能的升高。     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

纳米多孔氩薄膜热导率的分子动力学模拟

利用经典的Lennard-Jones势能模型,采用分子动力学模拟方法研究纳米多孔氩薄膜热导率.结果表明,纳米多孔氩薄膜热导率明显小于同温度下纯纳米氩薄膜热导率,并且孔隙率越大热导率减小越多.借助基于并联方法的有效热导率模型,对纳米多孔氩薄膜的热导率随孔隙率的变化进行解释.模拟结果还发现,薄膜内的多孔分布对薄膜的热导率有影响.     

单晶硅薄膜法向热导率分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法（NEMD）研究了平均温度为 500K、厚度为 2～32nm的单晶硅薄膜的法向热导率。模拟结果表明,薄膜热导率显著低于对应温度下的体硅单晶的实验值,并随膜厚度减小以接近线性的规律减小。用声子气动力论模型的分析结果与NEMD模拟相一致,表明纳米单晶硅薄膜中声子平均自由程显著减小。     

GaN薄膜的热导率模型研究

准确预测GaN半导体材料的热导率对GaN基功率电子器件的热设计具有重要意义.本文基于第一性原理计算和经典Debye-Callaway模型,通过分析和完善Debye-Callaway模型中关于声子散射率的子模型,建立了用于预测温度、同位素、点缺陷、位错、薄膜厚度、应力等因素影响的GaN薄膜热导率的理论模型.具体来说,对声...     

硅纳米薄膜法向热导率的进一步分析

应用非平衡分子动力学方法进一步研究了平均温度为300K、厚度为2.715nm-43.44nm的单晶硅薄膜的法向热导率,模拟结果表明,薄膜热导率低于同温度下单晶硅的实验值,存在显著的尺寸效应,当膜厚度在20nm以下时,法向热导率随尺度减小而线性减小,当膜厚度大于20nm时法向热导率随尺度呈现二阶多项式变化。法向热导率的变化规律与面向热导率的变化规律类似,表明薄膜厚度和表面晶格结构对声子传热影响的复杂性。     

用扫描热显微镜测量微小区域热导性质的探讨

随着高新技术的迅速发展,许多研究对象已进入亚微米和纳米范畴。在对这些对象的热性能和热可靠性的研究中,亚微米尺度的热物性测量已成为关键技术之一。例如：在微电子、微电子机械系统（MEMS）领域中,已使用纳米量级厚度的材质和做出纳米尺度线宽的器件。在材料科学、生物学、医学和化学等许多领域,高空间分辨率下的热物性测量也具有重要意义。本文经过实验;初步用扫描热显微镜判定了微小区域材料热导性质的差别,并从理论上探讨了用该仪器测量微小区域热导性质的方法原理。     

碲化铋取向纳米柱状薄膜热导率测量

将热电材料制作成纳米柱状薄膜结构是一种理论上能有效降低热导率、从而大幅提升热电优值的操控手段。但是随之而来的问题是纳米柱状薄膜热导率的精确获取困难,因为常规的热物性测试手段已无法适用于该类表面多孔、厚度为微米量级结构热输运特性的表征。本文提出利用3ω方法可实现Bi_2Te_3取向纳米柱状薄膜热导率实验表征的测量结构,并且获得了纳米柱状薄膜的热导率和热扩散率值。该方法有望用于微米厚纳米柱状薄膜结构热输运性能的实验评价。     

铝纳米薄膜热导率的实验研究

金属纳米薄膜作为一种典型的纳米材料,已广泛应用于信息技术领域。研究表明,随着金属薄膜特征尺寸的减小,金属薄膜体现出与常规不同的热输运特性。本文采用飞秒激光泵浦-探测实验方法,结合抛物两步模型和修正的抛物两步模型,对铝纳米薄膜热导率进行研究。结果表明,考虑了声子热导率修正的抛物两步模型比抛物两步模型更能准确描述热反射信号。拟合得到铝膜热导率分别为98 W·m~(-1)·K~(-1)和94 W.m~(-1)·K~(-1),小于铝的体材料热导率,铝纳米薄膜热导率具有尺度效应,同时拟合得到声子热导率为2.8 W·m~(-1)·K~(-1),提出一种利用飞秒激光泵浦-探测测量声子热导率的方法。     

氮化硅纳米薄膜非平衡热导率实验研究

3ω实验方法是一种可以对薄膜热导率进行瞬时测量的方法。根据3ω方法测试原理,搭建了薄膜导热系数测试平台,并且分别测试低频率段和高频段薄膜与基底的温升以及薄膜热导率。测试结果表明:Si3N4薄膜的热导率随温度的升高而增大;高频段下,热导率受频率影响大,误差大;在低频段下薄膜热导率与频率变化基本无关;基于电子与声子的局部热平衡运输方程假设,S i3N4薄膜的热导率具有极度非平衡性;通过比较电阻、热导率与温度的关系可以看出加热器的尺寸大小会影响薄膜的热导率,最佳加热器的宽度选用20μm左右。     

扫描热显微镜测量机理的研究

从理论上分析了扫描热显微镜的传热过程和测量原理,建立了两种工作模式下的热阻网络模型,并对热阻网络中各热阻进行了具体分析,得出了样品本身热阻的表达式;用多种参考材料样品进行了系列实验,结果表明仪器的输出信号与热导率的倒数成线性关系,对理论分析作出了部分验证,为亚微米尺度的热导率测试打下了基础。     

微尺度下硅锗合金热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学（NEMD）方法研究了微尺度下硅锗合金的热导率变化情况。结果表明,硅锗合金热导率具有明显的尺寸效应,显著小于大体积晶体的实验值;并且受边界散射效应的影响,热导率值随硅锗原子百分比的不同发生变化;同时热导率随温度的升高而增大,与实验值比较大致吻合。     

微尺度下硅锗合金热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法研究了微尺度下硅锗合金的热导率变化情况.结果表明,硅锗合金热导率具有明显的尺寸效应,显著小于大体积晶体的实验值;并且受边界散射效应的影响,热导率值随硅锗原子百分比的不同发生变化;同时热导率随温度的升高而增大,与实验值比较大致吻合.     

氩晶体薄膜法向热导率的分子动力学模拟

结合卫星“微型核”的特点，研究电介质薄膜中的导热机理以及薄膜厚度对导热系数的影响.以结构较为简单、具有可靠势能函数，实验数据较为丰富和可靠的氩的(fcc)晶体为模型,采用平衡分子动力学方法(EMD)和各向异性非平衡分子动力学方法(NEMD)计算了氩晶体及其法向薄膜的热导率,并与实验结果进行比较.模拟结果表明，氩晶体纳米薄膜的热导率显著小于对应大体积晶体的实验值，具有明显的尺寸效应.在氩薄膜厚度为2.124—5.310nm的模拟范围内,薄膜的法向热导率随着薄膜厚度的增加而呈近似线性增加. 关键词： 热导率 纳米薄膜 尺寸效应 平衡分子动力学 非平衡分子动力学     

直流法测试薄膜热导的数值模拟研究

薄膜的热导率是薄膜热学性能的最重要参数之一, 相对于多数文献的二维或三维测试结构, 本文采用一维双端支撑悬臂梁结构研究了薄膜热导率的测试方法. 悬臂梁包含上层的兼做加热电阻及测温电阻的金属条和下层的待测试薄膜. 利用一维热传导方程推导并获得了在直流电流加热条件下, 悬臂梁的温升分布(Δ T)及加热电阻两端电压增量(Δ U) 表达式与薄膜热导率之间的关系. 采用ANSYS有限元软件仿真了不同仿真参数时的Δ T及Δ U, 仿真结果与温升表达式计算结果符合得很好. 与常用的3倍频率法(3ω) 薄膜热学性能测试方法相比, 一维悬臂梁直流法测试结构及手段较为简单且可以获得更为精确的结果.