CN103364391B - 测量热扩散系数的装置以及测量热扩散系数的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量热扩散系数的装置以及测量热扩散系数的方法。该测量热扩散系数的装置，包括：拉曼光谱仪、加热设备以及信号分析单元。拉曼光谱仪用以测量待测薄膜的不同位置的拉曼散射强度。加热设备用以提供待测薄膜可控制的热驱动波。信号分析单元用以分析来自拉曼光谱仪的拉曼散射强度以及热驱动波，而得到待测薄膜的热扩散系数。

Description

测量热扩散系数的装置以及测量热扩散系数的方法

技术领域

本发明涉及一种测量热扩散系数的装置以及其测量方法，且特别涉及测量纳米级尺度的多层膜的热扩散系数的装置以及其测量方法。

背景技术

在材料的热扩散特性的研究中，以往只要在材料的一端施加热能，另一端测量温度，即可算出热扩散特性。然而当材料的尺度小到纳米级尺度的时候，以往的直接测量的方式已不适用。

目前测量薄膜的热扩散特性的方法包括：闪烁法(flashmethod)、3ω方法、交流热量计方法(Accalorimetricmethod)、调节激光技术(modulatedlasertechnique)、即时相位影像法(instantaneousphaseportraitmethod)以及行进波法(travelingwavemethod)等。然而这些测量方法主要还是以测量微米尺度的薄膜为主，对于纳米尺度的测量技术还有存在许多问题。

以热行进波法测量薄膜的热扩散系数是由PhilipG.Kosky等人在1993年发表在Rev.Sci.Instrum.，64(4)1071-1075的方法。这种测量方法不需要检测样品的实际温度，所以不会遇到测量纳米尺度薄膜的温度的困难。

热行进波法演变至今有许多不同的表示方式，其中如下式(1)所表示的方程式最具代表性：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=45+\frac{180}{\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{f\mathrm{\π}}{\mathrm{\α}}}d---\left(1\right)$

式(1)中，Δθ表示热行进波经过d距离之后与热源波之间的相位差，f表示热行进波或热源波的频率，α表示热扩散系数。

上述热行进波法是利用光学的方式来进行测量，因此信号非常微弱，而且存在绕射极限的问题。另外，对于测量环境的要求非常严格，稍微环境震动就会影响热行进波的信号。再者，待测薄膜必须加工成镜面才能进行光学反射，因而对于待测样品有严格的要求。除此之外，由于光学绕射极限，空间解析度无法小于250nm，且只能测量薄膜最表层，而无法测量多层膜。

发明内容

本发明提供一种测量热扩散系数的装置，能在不严格要求测量环境的情形取得纳米级尺度的多层膜的热扩散系数。

本发明还提供一种测量热扩散系数的方法，能用来测量纳米级尺度的多层膜的热扩散系数。

本发明提出一种测量热扩散系数的装置，至少包括：拉曼光谱仪、加热设备与信号分析单元。所述拉曼光谱仪用以测量待测薄膜的不同位置的拉曼散射强度。所述加热设备用以提供上述待测薄膜可控制的热驱动波。至于信号分析单元是用以分析来自拉曼光谱仪的上述拉曼散射强度以及热驱动波，而得到上述待测薄膜的热扩散系数。

在本发明的一实施例中，上述待测薄膜的热扩散系数是经由多个拉曼散射强度以及热驱动波的相位差变化而得到。

在本发明的一实施例中，上述加热设备为可控制加热频率及功率的加热单元。

在本发明的一实施例中，上述可控制加热频率的加热单元包括激光加热单元、电阻式加热单元或机械波式加热单元。

在本发明的一实施例中，上述激光加热单元中所使用的激光的范围为可见光、近红外光或近紫外光范围。

在本发明的一实施例中，上述测量热扩散系数的装置还包括一检测单元，用以检测出由加热设备提供的热驱动波，并且将所检测的驱动波的信号同步传送至信号分析单元。

在本发明的一实施例中，上述待测薄膜为单层膜或多层膜。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为单层膜时，拉曼光谱仪所测量的是单层膜的表层的拉曼信号。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为多层膜时，拉曼光谱仪所测量的是多层膜的表层以下的膜的拉曼信号。

本发明还提出一种测量热扩散系数的方法，包括先利用热源提供待测薄膜可控制的热驱动波，再检测在待测薄膜的多个位置的拉曼散射强度随时间变化的波动，接着，比较上述热驱动波以及在所述位置的拉曼散射强度变化波而得到多个相位差，通过这些相位差计算得到所述待测薄膜的热扩散系数。

在本发明的一实施例中，在检测上述强度变化波的步骤之前，还包括先测量待测薄膜的拉曼光谱，再根据拉曼光谱选择一波峰作为拉曼波峰。

在本发明的一实施例中，上述待测薄膜为单层膜或多层膜。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为单层膜时，检测上述强度变化波的步骤包括对单层膜的表层进行检测。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为多层膜时，检测上述强度变化波的步骤包括对多层膜的表层以下的膜进行检测。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为单层膜时，在检测上述强度变化波的步骤之前，还包括先测量单层膜的表层的拉曼光谱，再根据拉曼光谱选择一波峰作为拉曼波峰。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为多层膜时，在检测上述强度变化波的步骤之前，还包括先测量多层膜的表层以下的膜的拉曼光谱，再根据拉曼光谱选择一波峰作为拉曼波峰

基于上述，本发明的测量热扩散系数的装置，与先前的测量热扩散系数的装置相比具有如下优势：不需要严格控管测量环境；解析度可达纳米尺度，即待测薄膜的厚度即使薄至纳米尺度也可测量出其热扩散系数；可同时获得多层膜内各层的热扩散系数；对于待测薄膜的要求低，即待测薄膜无须经过加工即可用来测量。另外，本发明的测量热扩散系数的方法不需要对测量环境加以严格控管，便可以测量出厚度薄至纳米尺度的多层膜中每一层的热扩散系数，而且对待测薄膜的要求少，从而适用于各种待测薄膜。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是表示本发明的一实施例所绘示的一种测量热扩散系数的装置的示意图。

图2是表示本发明的另一实施例所绘示的一种测量热扩散系数的方法的流程图。

图3表示实验例1中在热驱动波的影响下的拉曼波峰的峰值强度变化的曲线图。

图4是将图3中代表Si的信号的波峰的位置放大的曲线图。

图5表示代表Si的信号的拉曼波峰的峰值强度变化波510与热驱动波520的曲线示意图。

图6表示实验例1中相位差与距离的关系图。

【主要元件符号说明】

100：测量热扩散系数的装置

120：拉曼光谱仪

130：加热设备

140：信号分析单元

150：检测单元

S201～S205：步骤

510：峰值强度变化波

520：热驱动波

T：待测薄膜

具体实施方式

以下参照图示对本发明进行详细说明。

图1是表示本发明的一实施例所绘示的一种测量热扩散系数的装置的示意图。

请参照图1，本实施例的测量热扩散系数的装置100包括：拉曼光谱仪120、加热设备130以及信号分析单元140。

拉曼光谱仪120用以测量待测薄膜T的不同位置的拉曼散射强度，拉曼光谱仪120例如是高解析共焦拉曼显微镜光谱仪(LabRAMHRRamanMicroscope，HORIBA)，但非限定于此。本实施例的拉曼光谱仪120的种类并无限制，只要是能够测量出待测薄膜T的不同位置的拉曼散射强度的拉曼光谱仪皆可使用。本实施例的拉曼光谱仪120也可以是市售的拉曼光谱仪。拉曼光谱仪120中所使用的光源视待测薄膜T的材质、厚度等而适宜选择。例如当待测薄膜T为单层膜时，如果欲测量是单层膜的表层的热扩散系数时，则所选用的拉曼光谱仪的光源的穿透深度仅需要达到该单层膜的表层，意即只要能够测量得到该单层膜的表层的拉曼光谱即可；如果欲测量多层膜的所有层的热扩散系数时，则所选用的拉曼光谱仪的光源的穿透深度需要达到该多层膜的最底层，意即必须能够测量得到该多层膜的最底层的拉曼光谱。

加热设备130用以提供待测薄膜T可控制的热驱动波。为了提供待测薄膜T热驱动波，加热设备130为可控制加热频率及功率的加热单元。可控制加热频率及功率的加热单元包括激光加热单元、电阻式加热单元或机械波式的加热单元。激光加热单元中所使用的激光的范围为可见光(即介于400nm～700nm之间)、近红外光(即介于700nm～2000nm之间)或近紫外光(即介于300nm～400nm)的范围。本实施例的加热设备130亦无特别限定，主要根据待测薄膜T的材质而适宜选择。当待测薄膜T的材质为绝缘材料时，加热设备130较佳为例如电阻式加热单元并搭配镀在待测薄膜T上的加热线进行供热。

测量热扩散系数的装置100除了上述加热设备130以外，还可包括一检测单元150。检测单元150是用以检测出由加热设备130提供的热驱动波，并且将所检测出的热驱动波的信号传送至信号分析单元140。

信号分析单元140用以分析来自拉曼光谱仪120的上述拉曼散射强度以及热驱动波，而得到待测薄膜T的热扩散系数。详细而言，在信号分析单元140中，具有来自拉曼光谱仪120的待测薄膜T的不同位置的拉曼光谱的拉曼散射强度以及来自加热设备130的热驱动波的信号。待测薄膜T在同一位置的拉曼光谱受到热驱动波的影响，使得待测薄膜T的温度有所变化而造成拉曼光谱中的拉曼散射强度随时间而变化，从而得样品于该位置的强度变化波。因此，在同一时间范围内，热驱动波与强度变化波相比较可得到一相位差Δθ。当改变测量位置并且重复上述测量与比较时，由于强度变化波行经不同位置，与热驱动波之间的相位不同，所以可得到另一相位差Δθ。

利用例如上述热行进波法，将所得的相位差Δθ代入式(1)进行运算，可求出待测薄膜T的热扩散系数。本发明不限于此，任何利用相位差Δθ来求出热扩散系数的热行进波法皆适用于此。

与先前的测量热扩散系数的装置相比，本发明的测量热扩散系数的装置具有如下优势：不需要严格控管测量环境；解析度可达纳米尺度，即待测薄膜T的厚度即使薄至纳米尺度也可测量出其热扩散系数；可同时获得多层膜内各层的热扩散系数；对于待测薄膜T的要求低，即待测薄膜T无须经过加工即可用来测量。

图2是表示本发明的另一实施例所绘示的一种测量热扩散系数的步骤图。

请参照图2，本实施例的测量热扩散系数的方法可利用上一实施例的测量热扩散系数的装置100来进行，但并不限于此。以下仅是通过图1的装置使本发明所属领域技术人员能更详细地了解本实施例的测量方法，包括如下步骤：

S201：测量拉曼光谱，并选择欲观察的拉曼波峰。

首先，利用拉曼光谱仪120扫描出待测薄膜T的拉曼光谱。此步骤S201所扫描出的拉曼光谱乃待测薄膜T整体的拉曼光谱。当待测薄膜T为单层膜时，由于所测量出的拉曼光谱的波峰对应于该单层膜的材质，所以选择上述波峰作为之后的步骤中欲观察的拉曼波峰。当待测薄膜T为多层膜时，所测量出的拉曼光谱中会有多个波峰，各波峰分别对应于多层膜中各层的材质。此时，选择欲观察的波峰作为之后的步骤中欲观察的拉曼波峰。此外，如果仅想测量多层膜的表层的热扩散系数，则调整拉曼光谱仪120的光源，使其穿透深度仅到达多层膜的表层，所测量出来的波峰即可作为之后的步骤中欲观察的拉曼波峰。本发明不限于此，在一实施例中，可不进行上述步骤S201而直接进行下述步骤S202，并且在下述步骤S203时选择欲观察的拉曼波峰。

S202：利用热源产生可控制的热驱动波。

接着，利用加热设备130在样品上产生可控制的热驱动波。详细而言，使用例如可控制加热频率及功率的加热单元产生上述热驱动波，以便在待测薄膜T上驱动可控制的热行进波，并且利用例如检测单元150将加热设备130的信号传至信号分析单元140。在一实施例中，利用近红外光加热单元自待测薄膜T的一端提供热驱动波。

S203：检测拉曼散射随时间变化的强度变化波。

然后，利用拉曼光谱仪120测量出在待测薄膜T的初始位置的拉曼散射强度变化波。由于受到热驱动波的影响，待测薄膜T初始位置的温度会有变化，因而在待测薄膜T的初始位置所测量出的拉曼散射强度会产生变化，从而产生强度变化波，此波即是检测待测薄膜T的拉曼效应所产生的该位置随时间变化的热行进波。

S204：比较强度变化波以及热驱动波而得到相位差。

将在步骤S202所得到的热驱动波，与在步骤S203所得到的强度变化波进行比较，而得到热行进波行经该初始位置的相位差。接着更换位置再重复上述步骤S202～S204而得到另一位置的相位差。强度变化波行经不同位置有相对应的相位差，测量的位置数例如在三个位置以上。

S205：计算出待测薄膜的热扩散系数

接着，利用例如热行进波法，将在步骤S204所得到的多个相位差，代入上述式(1)进行运算，可求出待测薄膜T的热扩散系数。本实施例不限于此，任何利用相位差来求出热扩散系数的热行进波法皆适用于此。

根据本发明的测量热扩散系数的方法，不需要对测量环境加以严格控管，便可以测量出厚度薄至纳米尺度的多层膜中各层的热扩散系数，而且对待测薄膜的要求少，从而适用于各种待测薄膜。

除此之外，当以本发明的测量热扩散系数的方法测量各种不同材质的薄膜后，对测量出来的对应各种材料的拉曼波峰的强度变化值、相位差、热扩散系数等资料建立资料库。根据此资料库即可反推待测薄膜的温度。

以下，以实验例更具体说明本发明。

实验例1

待测试片(待测薄膜/基板)：类钻碳膜(DLC，180nm)/Si(100)基板

拉曼光谱仪：高解析共焦拉曼显微镜光谱仪(LabRAMHRRamanMicroscope，HOROBA)，HeNe激光：波长632.8nm，功率：20mW；放大倍率：物镜100X，光圈0.9；解像力：焦距分度1μm。

加热设备：近红外光加热单元，温度控制范围50℃～82℃。

将待测试片载置于平台上，并且利用拉曼光谱仪测量待测试片的拉曼光谱。此时，得到一波峰在拉曼偏移(Ramanshift)为519.12cm^-1的位置以及另一波峰在拉曼偏移为约1550cm^-1的位置。在拉曼偏移(Ramanshift)为519.12cm^-1的位置的波峰代表Si的信号，且在拉曼偏移(Ramanshift)为1550cm^-1的位置的波峰代表DLC的信号。

接着，利用近红外光加热单元自待测试片的一端提供待测试片热驱动波。然后，选定待测试片的任一位置进行拉曼光谱的测量。图3表示实验例1中在热驱动波的影响下的拉曼波峰的峰值强度变化的曲线图。由图3得知在热驱动波的影响下，待测试片的温度会改变，而且拉曼波峰的峰值强度亦有明显的变化。

选择代表Si的信号的波峰作为欲观察的拉曼波峰。图4是将图3中代表Si的信号的波峰的位置放大的曲线图。图5表示代表Si的信号的拉曼波峰的峰值强度变化波510与热驱动波520的曲线图。对图4中代表Si的信号的波峰的峰值强度与时间作图，则可得到如图5所示的峰值强度变化波510。为了比较热驱动波520与峰值强度变化波510的相位差，将热驱动波520亦图示于图5中，即可比较出两者的相位差。之后，选定待测试片的其他位置，重复上述步骤，则可得到多个相位差。此处的其他位置是指相对于热源(近红外光加热单元)不同的位置。图6表示实验例1中相位差与距离的关系图。此处的距离是指热行进波行进至测量位置的距离。将所得到的相位差与距离作图，则可得到如图6所示的直线。根据如式(1)所示的热行进波法，从图6中的斜率便可计算出Si基板的热扩散系数，测量计算出来的结果是91.0mm²/s。

如上所述，选择代表DLC的信号的波峰作为欲观察的拉曼波峰后重复上述步骤S202～S205，便可得到DLC的热扩散系数。

综上所述，根据本发明的测量热扩散系数的装置以及测量热扩散系数的方法，不需要对测量环境加以严格控管，便可以测量出厚度薄至纳米尺度的多层膜中各层的热扩散系数，而且对待测薄膜的要求少，从而适用于各种待测薄膜。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (15)

1.一种测量热扩散系数的装置，其特征在于：所述的测量热扩散系数的装置包括：

一拉曼光谱仪，用以测量一待测薄膜的不同位置的拉曼散射强度；

一加热设备，用以提供该待测薄膜可控制的一热驱动波；以及

一信号分析单元，用以分析来自该拉曼光谱仪的这些拉曼散射强度以及该热驱动波，而得到该待测薄膜的热扩散系数，

其中该待测薄膜的热扩散系数是经由这些拉曼散射强度以及该热驱动波的相位差变化而得到。

2.如权利要求1所述的测量热扩散系数的装置，其特征在于该加热设备为一可控制加热频率及功率的加热单元。

3.如权利要求2所述的测量热扩散系数的装置，其特征在于该可控制加热频率及功率的加热单元包括激光加热单元、电阻式加热单元或机械波式加热单元。

4.如权利要求3所述的测量热扩散系数的装置，其特征在于该激光加热单元中所使用的激光的范围为可见光、近红外光或近紫外光的范围。

5.如权利要求1所述的测量热扩散系数的装置，其特征在于还包括一检测单元，用以检测出由该加热设备提供的该热驱动波，并且将所检测的该热驱动波的信号传送至该信号分析单元。

6.如权利要求1所述的测量热扩散系数的装置，其特征在于该待测薄膜为单层膜或多层膜。

7.如权利要求1所述的测量热扩散系数的装置，其特征在于当该待测薄膜为单层膜时，该拉曼光谱仪所测量的是该单层膜的表层的拉曼信号。

8.如权利要求1所述的测量热扩散系数的装置，其特征在于当该待测薄膜为多层膜时，该拉曼光谱仪所测量的是该多层膜的表层以下的膜的拉曼信号。

9.一种测量热扩散系数的方法，其特征在于所述方法包括：

利用热源提供一待测薄膜可控制的一热驱动波；

检测在该待测薄膜的多个位置的一拉曼波峰随时间变化的多个强度变化波；

比较该热驱动波以及在这些位置的这些强度变化波而得到多个相位差；以及

通过这些相位差计算得到该待测薄膜的热扩散系数。

10.如权利要求9所述的测量热扩散系数的方法，其特征在于在检测这些强度变化波的步骤之前，还包括：

测量该待测薄膜的一拉曼光谱；以及

根据该拉曼光谱选择一波峰作为该拉曼波峰。

11.如权利要求9所述的测量热扩散系数的方法，其特征在于该待测薄膜为单层膜或多层膜。

12.如权利要求9所述的测量热扩散系数的方法，其特征在于当该待测薄膜为单层膜时，检测这些强度变化波的步骤包括对该单层膜的表层进行检测。

13.如权利要求9所述的测量热扩散系数的方法，其特征在于当该待测薄膜为多层膜时，检测这些强度变化波的步骤包括对该多层膜的表层以下的膜进行检测。

14.如权利要求9所述的测量热扩散系数的方法，其特征在于当该待测薄膜为单层膜时，在检测这些强度变化波的步骤之前，还包括：

测量该单层膜的表层的一拉曼光谱；以及

根据该拉曼光谱选择一波峰作为该拉曼波峰。

15.如权利要求9所述的测量热扩散系数的方法，其特征在于当该待测薄膜为多层膜时，在检测这些强度变化波的步骤之前，还包括：

测量该多层膜的表层以下的膜的一拉曼光谱；以及

根据该拉曼光谱选择一波峰作为该拉曼波峰。