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     

双波长飞秒激光抽运-探测法测量纳米薄膜及界面热物性

建立了用来研究时间空间微尺度传热现象的双波长飞秒激光抽运-探测热反射系统,与常规的单波长飞秒激光抽运探测系统相比,双波长的光路设计方案可以大幅提高信噪比,并使共线的聚焦光路更易实现,从而提高测量的准确度。建立了与实验测量过程相应的多层膜热传导模型,并实现了多参数拟合,可用于对体材料或薄膜材料的热导率以及界面热导的准确测量。本文采用这种先进的测量方法测量了SiO₂纳米薄膜的热导率及其与Si之间的界面热导。     

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。     

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.     

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。     

低温下用3ω法测量热导率的研究

3ω法是测量体材料和薄膜材料热导率的主要方法之一。低温真空条件下测量热物性往往受接触热阻以及加热器自热效应的影响比较大。文中针对低温下体材料热导率的测量,通过总结国内外近年来用3ω法测量热导率的主要研究成果,对如何选择合适的加热频率以减小这两方面所带来的影响做了一些研究,并指出了低温下用3ω法测量体材料热导率的进一步研究工作。     

红外热成像法测量薄膜热物理参数

研究了一种利用稳态红外热成像法实现自悬浮薄膜面内热导率测量的方法。从一维热传导方程出发,建立了稳态时薄膜表面温度分布的理论模型,利用稳态理论模型,只需测量薄膜边缘温度及厚度,便可同时得到面内热导率、发射率及热流,无需测量薄膜对可见光的吸收率。仿真表明,当薄膜的温升不超过5K时,可以保证拟合得到的面内热导率与理论值的误差低于3%,薄膜样品x方向的最小尺寸为6mm。对厚度为900nm的自悬浮聚酰亚胺薄膜进行实验测量,拟合得到的面内热导率为2.04W/mK、红外发射率为0.92、x=0处的热流为1.77×10~4W/m~2。实验结果与查阅文献的测量值一致,证明方法可以用来测量自悬浮薄膜的面内热导率。     

Al/GaN/Al_2O_3微纳米多层结构界面热阻实验重构

通过GaN基微纳米器件中纳米尺度界面的热输运成为微系统热管理和热设计的热点和难点,而通过GaN/Al_2 O_3之间界面热阻尚未测试。首先采用双波长TDTR方法测量了Al膜与GaN薄膜之间的界面热阻,然后借助热阻抗网络和参数敏感性分析,利用宽频3ω法对Al/GaN/Al_2 O_3多层薄膜结构内部界面热阻进行实验重构。两种方法测量的GaN/Al_2 O_3之间界面热阻量级相同,相互验证了测试结果的合理性。两种方法结合可实现微纳米多层结构多个热物性参数的精细描述。     

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。     

方波热脉冲法测定低温下固体材料的热物性

提高了一种采用方波热脉冲测量低温下固体结构材料的比热和热导率的非稳态方法。选用玻璃钢作为实验试样，所测量度范围为７７－１５０Ｋ。通过一简单的方波热脉冲可直接测得试样的比热，由温升动态曲线可计算出试样的热导率，中给出了求解热导率的数学方法。     

Ge-Sb-Se硫系薄膜制备及光学特性研究

介绍了几种常见的硫系薄膜制备方法, 根据现有实验条件采用热蒸发法和磁控溅射法制备出Ge-Sb-Se三元体系硫系薄膜, 通过台阶仪测试薄膜的厚度和表面粗糙度, 计算出两种制备方法的成膜速率, 并通过X射线光电子能谱测试了两种制备方法所得薄膜与块体靶材组分的差别. 利用Z扫描技术和分光光度计测试了热蒸发法制备所得薄膜的三阶非线性性能和透过光谱, 计算出非线性折射率、非线性吸收系数和薄膜厚度等参数. 结果表明热蒸发法制备Ge-Sb-Se薄膜具有良好的物理结构和光学特性, 在集成光学器件方面很高的应用潜力.     

Temperature effect on elastic modulus of thin films and nanocrystals

The stability of nanoscale devices is directly related to elasticity and the effect of temperature on the elasticity of thin films and nanocrystals. The elastic instability induced by rising temperature will cause the failure of integrated circuits and other microelectronic devices in service. The temperature effect on the elastic modulus of thin films and nanocrystals is unclear although the temperature dependence of the modulus of bulk materials has been studied for over half a century. In this paper, a theoretical model of the temperature-dependent elastic modulus of thin films and nanocrystals is developed based on the physical definition of the modulus by considering the size effect of the related cohesive energy and the thermal expansion coefficient. Moreover, the temperature effect on the modulus of Cu thin films is simulated by the molecular dynamics method. The results indicate that the elastic modulus decreases with increasing temperature and the rate of the modulus decrease increases with reducing thickness of thin films. The theoretical predictions based on the model are consistent with the results of computational simulations, semi-continuum calculations and the experimental measurements for Cu, Si thin films and Pd nanocrystals.     

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.     

射频溅射功率对AZO薄膜结构及光电特性和热稳定性的影响

采用射频磁控溅射法,在玻璃基片上制备了ZnO:Al(AZO)透明导电薄膜。用X射线衍射(XRD)仪、紫外-可见分光光度计、方块电阻测试仪和台阶仪对不同溅射功率下Al掺杂ZnO薄膜的结晶、光学、电学性能、沉积速率以及热稳定性进行了研究。研究结果表明:不同溅射功率下沉积的AZO薄膜具有六角纤锌矿结构,均呈c轴择优取向;(002)衍射峰强和薄膜的结晶度随溅射功率的提高逐渐增强;随溅射功率的提高,AZO薄膜的透射率有所下降,但在可见光(380～780nm)范围内平均透射率仍80%;薄膜的方块电阻随溅射功率的增加逐渐减小;功率为160～200W时,薄膜的热稳定性最好,升温前后方块电阻变化率为13%。     

热应力对非制冷红外焦平面微桥的影响及控制研究

非制冷红外焦平面阵列的微桥结构在微加工工艺中,由于温度的剧烈变化,在薄膜中产生热应力而引起微桥的变形,将对器件产生不利影响.利用有限元分析方法,对微桥在热应力作用下产生的变形进行了分析,提出了两种控制热应变的途径:1)选择一种低热膨胀系数、低杨氏模量的电极材料;2)在电极材料的表面沉积一层SiNx薄膜.仿真结果表明,两...     

Probing thermal properties of vanadium dioxide thin films by time-domain thermoreflectance without metal film

Vanadium dioxide(VO_2) is a strongly correlated material, and it has become known due to its sharp metal–insulator transition(MIT) near room temperature. Understanding the thermal properties and their change across MIT of VO_2 thin film is important for the applications of this material in various devices. Here, the changes in thermal conductivity of epitaxial and polycrystalline VO_2 thin film across MIT are probed by the time-domain thermoreflectance(TDTR) method.The measurements are performed in a direct way devoid of deposition of any metal thermoreflectance layer on the VO_2 film to attenuate the impact from extra thermal interfaces. It is demonstrated that the method is feasible for the VO_2 films with thickness values larger than 100 nm and beyond the phase transition region. The observed reasonable thermal conductivity change rates across MIT of VO_2 thin films with different crystal qualities are found to be correlated with the electrical conductivity change rate, which is different from the reported behavior of single crystal VO_2 nanowires. The recovery of the relationship between thermal conductivity and electrical conductivity in VO_2 film may be attributed to the increasing elastic electron scattering weight, caused by the defects in the film. This work demonstrates the possibility and limitation of investigating the thermal properties of VO_2 thin films by the TDTR method without depositing any metal thermoreflectance layer.     

SiNx薄膜热物性参数实验测量与分析研究

采用一种新的实验测量方案，将金属加热单元与温度探测单元合二为一，间接获得了在半导体和微电子学MEMS领域内有重要用途的SiN_x薄膜的导热系数、发射率、比热容和热扩散系数，并对实验结果进行了不确定度分析，为微电子电路设计和掩模成型工艺等提供了可靠的热物性数据. 实验结果表明，薄膜的导热系数、发射率、热扩散系数远比相应体材质低，而且还与温度、厚度有关，尺寸效应显著，而比热容则与体材质相差不大. 关键词： 微尺度传热 热物性参数 x薄膜')" href="#">SiN_x薄膜 测量技术     

纳米ZnO薄膜的激子光致发光特性

报道了纳米ZnO薄膜激子光致发光(PL)与温度的关系。首先利用低压金属有机化学气相沉积(LPMOCVD)技术生长ZnS薄膜,然后将ZnS薄膜在氧气中于800℃下热氧化2h获得纳米ZnO薄膜。X射线衍射(XRD)结果表明,纳米ZnO薄膜具有六角纤锌矿多晶结构且具有择优(002)取向。室温下观察到一束强的紫外(326eV)光致发光(PL)和很弱的深能级(DL)发射。根据激子峰的半高宽(FWHM)与温度的关系,确定了激子纵向光学声子(LO)的耦合强度(ГLO)。     

用表面热透镜技术测量1 31 5nm高反射硅镜弱吸收的研究

运用表面热透镜技术精确测量了1315nm高反射硅镜的弱吸收,判断引起吸收的原因,从而为工艺上减少吸收降低损耗提供了保证.     

Photoacoustic spectroscopy of thin films of As<Subscript>2</Subscript>S<Subscript>3</Subscript>, As<Subscript>2</Subscript>Se<Subscript>3</Subscript> and GeSe<Subscript>2</Subscript>

Photoacoustic spectroscopy (PAS) is one of the important branches of spectroscopy, which enables one to detect light-induced heat production following the absorption of pulsed radiation by the sample. As₂S₃, As₂Se₃ and GeSe₂ exhibit a wide variety of photo-induced phenomena that enable them to be used as optical imaging or storage medium and various electronic devices, including electro-optic information storage devices and optical mass memories. Therefore, accurate measurement of thermal properties of semiconducting films is necessary to study the memory density. The thermal conductivity of thin films of As₂S₃ (thickness 100 μm and 80 μm), As₂Se₃ (thickness 100 μm and 80 μm) and GeSe₂ (thickness 120 μm and 100 μm) has been measured using PAS technique. Our result shows that the thermal conductivity of thicker films is larger than the thinner films. This can be explained by the thermal resistance effect between the film and the surface of the substrate.