CN107389728A - 一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法，通过采用红外热像仪测量待测金刚石薄膜热传导分布图，通过分别计算热传导过程中成像的温度梯度，进而得到热辐射温度变化率，从而计算得到各待测金刚石薄膜的相对热导率，再通过已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率计算得到比例系数，从而得到待测金刚石薄膜的热导率，本发明具有测量精度高、操作简单、对测量环境要求低，测量速度快，红外热像仪与待测金刚石薄膜样品非直接接触，测量结果准确度高，对待测金刚石薄膜样品的形状没有特殊的要求。

Description

一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料热物理性质测量技术领域，具体涉及一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法。

背景技术

金刚石具有极高的的热导率，IIa型天然单晶金刚石的室温热导率高达2000W/m·K，而且随着化学气相沉积技术的发展，CVD法制备的金刚石薄膜的热导率可达到较高的水平，在功率半导体器件、激光器件、微波器件、集成电路的热沉应用已取得一定实效，金刚石薄膜热导率测量已成为金刚石薄膜热沉应用的一个热点问题。目前用于金刚石薄膜热导率的测量的主要方法是TPDS—光热偏转法，TPDS—光热偏转薄膜热导率测试仪价格非常昂贵，对测试环境要求高，室温要恒定，怕震动和干涉，测量一次需时半小时以上，而且对测试样品的形状也有一定的要求。

发明内容

本发明针对TPDS—光热偏转法的不足，提出一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法，该方法通过红外热成像技术获取待测金刚石薄膜样表面热图，通过分析所述待测金刚石薄膜表面热图热辐射温度分布变化数据计算得到热导率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金刚石薄膜热导率测量装置，包括悬空载物台、红外热像仪、加热激光光源、红外热像仪控制系统以及红外热图分析系统，悬空载物台上端用于放置待测金刚石薄膜样品，红外热像仪设置于悬空载物台上端，红外热像仪连接于用于对红外热像仪进行参数设定与控制的红外热像仪控制系统，红外热图分析系统串行通信接口与红外热像仪连接，通过红外热图分析系统提取不同时刻待测样品表面热辐射温度图像上不同像素点的热辐射温度，加热激光光源用于待测金刚石薄膜样品加热。

进一步的，红外热像仪控制系统用于控制红外热像仪的焦距、分辨率、热图存储方式和热图记录速度。

进一步的，加热激光光源通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的右方，通过调整支架高度使得热激光光源发出的激光束正对待测金刚石薄膜样品的侧面。

进一步的，红外热像仪采用Indigo System的中红外相机PhoenixTM，像素为320×256，热图记录速度345张/秒，室温分辨为0.016K，红外热像仪通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的正上方，通过调整支架高度进行摄像视场范围调节，使得待测金刚石薄膜样品全部进入摄像视场范围，对待测样品表面热辐射温度图像进行拍摄。

进一步的，其中悬空载物台包括Si衬底和设置在Si衬底上端的楔形SiO₂支撑台，Si衬底的直径为2.54cm，厚度为3mm。

进一步的，加热激光光源采用一束波长248nm，脉冲宽度38ns,功率150W的KrF准分子激光。

一种金刚石薄膜热导率测量方法，具体包括以下步骤：

1)、首先通过红外热成像仪连续获取若干幅待测金刚石薄膜表面的热辐射温度图像，

2)、在时刻t₀的热辐射温度图像中选择N个间距为d的等间距待测像素点p_i，i＝1，2，...，N，在热辐射温度图像得到温度传导方向上p_i像素点与p_i+1像素点在t₀时刻的热辐射温度分别为计算出温度梯度

3)、选择时刻t＝t₀+Δt的热辐射温度图，计算热辐射温度图像上p_i像素点与p_i+1像素点热辐射温度变化率

4)、然后计算各待测像素点相对热导率

5)、计算各待测金刚石薄膜相对热导率

6)、计算得到比例系数其中λ₀和分别为已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率；

7)、计算待测金刚石薄膜的热导率

进一步的，步骤1)中，将待测金刚石薄膜样品放置在载物台上，用加热激光光源从待测金刚石薄膜样品右侧面注入热量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种金刚石薄膜热导率测量装置及方法，通过采用红外热像仪测量待测金刚石薄膜热传导分布图，通过分别计算热传导过程中成像的温度梯度，进而得到热辐射温度变化率，从而计算得到各待测金刚石薄膜的相对热导率，再通过已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率计算得到比例系数，从而得到待测金刚石薄膜的热导率，本发明具有测量精度高、操作简单、对测量环境要求低，测量速度快，红外热像仪与待测金刚石薄膜样品非直接接触，测量结果准确度高，对待测金刚石薄膜样品的形状没有特殊的要求。

进一步的，待测金刚石薄膜样品放置在悬空载物台上，悬空载物台下表面和两个楔形支撑台之间形成空气隙，待测金刚石薄膜样品和空气隙通过热对流散热有效提高了金刚石薄膜样品的导热性能，测量精度高。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为金刚石薄膜表面热辐射温度时空数据分布示意图。

图3为本发明系统流程结构示意图。

其中，1、悬空载物台；2、待测金刚石薄膜；3、红外热像仪；4、加热激光光源；5、红外热像仪控制系统；6、红外热图分析系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明一种金刚石薄膜热导率测量装置，包括悬空载物台1、红外热像仪3、加热激光光源4、红外热像仪控制系统5以及红外热图分析系统6，悬空载物台1上端用于放置待测金刚石薄膜样品，红外热像仪3设置于悬空载物台1上端，红外热像仪3连接于用于控制红外热像仪3的焦距、分辨率、热图存储方式和热图记录速度的红外热像仪控制系统5，红外热像仪控制系统5用于对红外热像仪3进行参数设定与控制，红外热图分析系统6串行通信接口与红外热像仪3连接，通过红外热图分析系统6提取不同时刻待测样品表面热辐射温度图像上不同像素点的热辐射温度；加热激光光源(4)用于待测金刚石薄膜样品加热，加热激光光源4通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的右方，通过调整支架高度使得热激光光源发出的激光束正对待测金刚石薄膜样品的侧面。

红外热像仪采用Indigo System的中红外相机PhoenixTM，像素为320×256，热图记录速度345张/秒，室温分辨为0.016K，红外热像仪3通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的正上方，通过调整支架高度进行摄像视场范围调节，使得待测金刚石薄膜样品全部进入摄像视场范围，对待测样品表面热辐射温度图像进行拍摄；

其中悬空载物台1包括Si衬底和设置在Si衬底上端的楔形SiO₂支撑台，Si衬底的直径为2.54cm，厚度为3mm；

加热激光光源4采用一束波长248nm，脉冲宽度38ns,功率150W的KrF准分子激光。

如图2和图3所示，一种金刚石薄膜热导率测量方法，具体包括以下步骤：

1)、首先通过红外热成像仪连续获取若干幅待测金刚石薄膜表面的热辐射温度图像，

2)、在时刻t₀的热辐射温度图像中选择N个间距为d的等间距待测像素点p_i，i＝1，2，...，N，在热辐射温度图像得到温度传导方向上p_i像素点与p_i+1像素点在t₀时刻的热辐射温度分别为计算出温度梯度

3)、选择时刻t＝t₀+Δt的热辐射温度图，计算热辐射温度图像上p_i像素点与p_i+1像素点热辐射温度变化率

4)、然后计算各待测像素点相对热导率

5)、计算各待测金刚石薄膜相对热导率

6)、计算得到比例系数其中λ₀和分别为已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率；

7)、计算待测金刚石薄膜的热导率

具体的，步骤1)中，将待测金刚石薄膜样品放置在载物台上，用加热激光光源从待测金刚石薄膜样品右侧面注入热量。

实施例

1、对待测量金刚石薄膜热导率测量悬空载物台的制作以及搭建测量装置，包括以下步骤：

(1)通过PECVD方式在所述厚度3mm、直径2.54cm的Si衬底淀积厚度为3mm的SiO₂薄膜。

(2)光刻所述SiO₂薄膜，形成悬空载物台刻蚀图样；

(3)采用HF酸湿法刻蚀所述SiO₂薄膜，形成悬空载物台两侧楔形支架；

(4)用镊子将所述待测金刚石薄膜样品轻放悬空载物台上，所述金刚石薄膜样品导热方向沿x,y方向。

(5)调整所述激光加热光源支架高度，使得热激光光源发出的激光束沿x方向正对所述待测金刚石薄膜样品的右侧面。

(6)调整所述红外热像仪支架高度，使得红外热像仪沿垂直于xy平面方向，所述待测金刚石薄膜样品全部进入热像仪摄像视场范围；

2、进行待测金刚石薄膜样品热辐射温度图像的获取，包括以下步骤：

(1)打开所述红外热像仪，启动所述红外热像仪控制系统，通过控制计算机设置红外热像仪焦距、分辨率、热图存储方式、热图记录速度等工作参数。

(2)打开所述加热激光光源，使得加热激光光源发出的光束沿x方向正对待测金刚石薄膜样品的右侧面，加热30秒。

(3)启动所述红外热成像仪连续获取待测金刚石薄膜表面的热辐射温度时空图像，如图2所示；

3、通过红外热图分析系统提取不同时刻红外热图上不同像素点是热辐射温度信息，计算待测金刚石薄膜样品的热导率，包括以下步骤：

(1)在t₀＝30s时刻t₀的热辐射温度图像中选择50个间距d＝1mm的等间距待测像素点p_i，i＝1，2，...，N，在所述热辐射温度图像得到温度传导方向上p_i像素点与p_i+1像素点在t₀＝5s时刻的热辐射温度计算出温度梯度

(2)选择t₁＝35s时刻的热辐射温度图，计算热辐射温度图像上p_i像素点与p_i+1像素点热辐射温度变化率

(3)计算各待测像素点相对热导率

(4)计算各待测金刚石薄膜相对热导率

(5)计算得到比例系数λ₀和分别为已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率；

(6)计算待测金刚石薄膜的热导率

Claims (8)

1.一种金刚石薄膜热导率测量装置，其特征在于，包括悬空载物台(1)、红外热像仪(3)、加热激光光源(4)、红外热像仪控制系统(5)以及红外热图分析系统(6)，悬空载物台(1)上端用于放置待测金刚石薄膜样品，红外热像仪(3)设置于悬空载物台(1)上端，红外热像仪(3)连接于用于对红外热像仪(3)进行参数设定与控制的红外热像仪控制系统(5)，红外热图分析系统(6)串行通信接口与红外热像仪(3)连接，通过红外热图分析系统(6)提取不同时刻待测样品表面热辐射温度图像上不同像素点的热辐射温度，加热激光光源(4)用于待测金刚石薄膜样品加热。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜热导率测量装置，其特征在于，红外热像仪控制系统(5)用于控制红外热像仪(3)的焦距、分辨率、热图存储方式和热图记录速度。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜热导率测量装置，其特征在于，加热激光光源(4)通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的右方，通过调整支架高度使得热激光光源发出的激光束正对待测金刚石薄膜样品的侧面。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜热导率测量装置，其特征在于，红外热像仪采用Indigo System的中红外相机PhoenixTM，像素为320×256，热图记录速度345张/秒，室温分辨为0.016K，红外热像仪(3)通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的正上方，通过调整支架高度进行摄像视场范围调节，使得待测金刚石薄膜样品全部进入摄像视场范围，对待测样品表面热辐射温度图像进行拍摄。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜热导率测量装置，其特征在于，其中悬空载物台(1)包括Si衬底和设置在Si衬底上端的楔形SiO₂支撑台，Si衬底的直径为2.54cm，厚度为3mm。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜热导率测量装置，其特征在于，加热激光光源(4)采用一束波长248nm，脉冲宽度38ns,功率150W的KrF准分子激光。

7.一种金刚石薄膜热导率测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)、首先通过红外热成像仪连续获取若干幅待测金刚石薄膜表面的热辐射温度图像，

2)、在时刻t₀的热辐射温度图像中选择N个间距为d的等间距待测像素点p_i，i＝1，2，...，N，在热辐射温度图像得到温度传导方向上p_i像素点与p_i+1像素点在t₀时刻的热辐射温度分别为T_i ⁰、计算出温度梯度

3)、选择时刻t＝t₀+Δt的热辐射温度图，计算热辐射温度图像上p_i像素点与p_i+1像素点热辐射温度变化率

4)、然后计算各待测像素点相对热导率

5)、计算各待测金刚石薄膜相对热导率

6)、计算得到比例系数其中λ₀和分别为已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率；

7)、计算待测金刚石薄膜的热导率

8.根据权利要求7所述的一种金刚石薄膜热导率测量方法，其特征在于，步骤1)中，将待测金刚石薄膜样品放置在载物台上，用加热激光光源从待测金刚石薄膜样品右侧面注入热量。