CN115112708A - 基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法 - Google Patents

基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法 Download PDF

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程慧媛
郑毅帆
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Abstract

一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法，包括泵浦光激光器、泵浦光路功率调节部件、斩波器、泵浦光路反射镜、泵浦光路透镜、透镜二维位移平台、待测样、样品二维位移平台、探测光激光器、探测光路功率调节部件、探测光路反射镜、探测光路透镜、光阑、探测器、探测器二维位移平台、计算机、锁相放大器。本发明通过光热信号的相位与探测距离之间的关系，以及热扩散长度与调制频率的关系计算出薄膜材料的热扩散率。本发明可有效实现对薄膜元件及体材料的热扩散率测量。

Description

基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置 和方法
技术领域
本发明涉及薄膜元件及体材料的热扩散率测量，具体是一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法。
背景技术
目前微电子机械系统(MEMS)、纳米技术、微器件、低维和纳米材料迅速发展。随着机械设备尺寸的减小及其功率处理规格的增加，热效应变得越来越重要。MEMS等器件的操作和故障可能受到热传递的限制，集成电路的缩小和功率密度的增加给先进微电子器件开发中的热管理带来了巨大的挑战。器件的集成度越来越高，器件单位时间内产生的热量相当大，温度升高很快，影响其正常工作，甚至将其烧毁。这就给微电子器件提出了热设计和热管理的问题，人们有必要研究这些器件中热量的产生和扩散，必要时还要进行强制散热。
一般来说，对于微电子学中的热管理，热能必须通过不同的薄膜材料传输，而这些薄膜的热扩散率在评估器件的传输效率和温度方面起着关键作用。
对于薄膜态元件材料来说，其传热行为与体材料存在差异，而且表现出明显的特异性能，用块状材料热物性测试的传统方法和装置已难以进行对薄膜的测试。由于亚微米/纳米薄膜类别的多样性、厚度差别可达几个量级、底材及其与薄膜界面的影响等等，相应地需要用不同特点的方法进行测试，薄膜热物性测试难度很大，各研究者测试结果往往出现较大的差异，迄今尚无具有普遍适用性的测试方法和装置。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法，可有效实现薄膜材料热扩散率的测量。本发明利用热透镜效应，用一束泵浦光照射薄膜待测样，在薄膜表面形成热包。然后使光斑半径大于泵浦光的探测光照射热包区域，薄膜待测样表面热包变化和探测光斑变化与泵浦光同频。测量反射探测光光斑不同位置处的热信号对应的相位，利用相位计算温度传播时间，再根据传播距离即可计算温度传播速度，进一步利用温度传播速度与热扩散率之间的关系求解。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置，其特点在于包括泵浦光激光器、泵浦光路功率调节部件、斩波器、泵浦光路反射镜、泵浦光路透镜、待测样、探测光激光器、探测光路功率调节部件、探测光路反射镜、探测光路透镜、光阑、探测器、二维位移平台、锁相放大器。
1、所述的泵浦光激光器输出泵浦光，其光路称为泵浦光路，在其输出端沿光路依次放置泵浦光路功率调节部件、斩波器、泵浦光路反射镜、泵浦光路透镜、待测样，最后泵浦光垂直照射待测样。所述的探测光激光器输出探测光，其光路称为探测光路，在其输出端沿光路依次放置探测光路功率调节部件、探测光路反射镜、探测光路透镜、待测样，使得探测光以接近垂直的角度照射待测样。在经过待测样的反射探测光路上，依次放置光阑、二维位移平台，探测器安装在二维位移平台上。将探测器输出端连接锁相放大器测试信号输入端。将斩波器输出端连接锁相放大器的参考信号输入端。
一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的方法，该方法包括如下步骤：
①打开泵浦光激光器电源，并依据待测样品特性选择合适的光束功率，依次打开探测光激光器电源、斩波器(设置调制频率f)、探测器和锁相放大器的开关，预热半小时以上，令它们达到稳定工作状态。
②调节光路指向令泵浦光束与探测光束中心重合。
③将所述的探测器中心对准反射探测光斑中心。探测器感光面前装配有小口径光阑，可以测量探测光束的局部光强。
④缓慢调节二维位移平台，使其沿x(或y)单一方向移动。同时，观察锁相放大器幅值窗口示数，根据示数大小调节量程，当窗口示数小于10μV时，停止移动探测器。
⑤将二维位移平台旋钮往反方向转动一小段距离(锁相放大器的幅值窗口示数保持在10μV以下)，等锁相放大器示数稳定时，记录下此时的相位
Figure BDA0002984974080000021
以及探测器位置x1(或y1)。
⑥将二维位移平台的旋钮沿步骤⑤中转动方向的同方向继续转动一段距离，待锁相放大器示数稳定时，记录下此时的相位
Figure BDA0002984974080000022
以及探测器位置x2(或y2)。
⑦反复步骤⑤，每隔一段距离记录下探测器所处位置xi(或yi)及其对应的相位
Figure BDA0002984974080000036
到锁相放大器的幅值窗口示数再次在10μv以下时，停止测量(i＞20)。此时，可以获得完整的反射探测光斑径向数据组。
⑧标准样品测量完毕后，卸下待测样更换为标准样品，使泵浦光、探测光照射在标准样品的完好区域。
⑨挡住泵浦光，用CCD摄像头记录探测光斑。
⑩挡住探测光，让泵浦光照射标准样品，适当调高泵浦光功率使其能够对标准样品造成损伤，利用泵浦光在标准样品上打出损伤点。
Figure BDA0002984974080000032
挡住泵浦光，让探测光照射样品，用CCD摄像头记录探测光斑，比较标准样品损伤前后的探测光斑，记被损伤点影响的探测区域直径D1。
Figure BDA0002984974080000033
测量标准样品上损伤点直径D2。
Figure BDA0002984974080000034
所有测量完毕后，首先将锁相放大器的量程调到最大后关闭其电源。然后关闭探测器、斩波器、泵浦光激光器和探测光激光器的电源。
Figure BDA0002984974080000035
数据处理
计算得到放大倍数mA，公式如下：
mA＝D1/D2
再作出待测样光热信号相位
Figure BDA0002984974080000037
随待测样6表面热包探测位置(xi/mA)变化曲线，得到斜率m。计算得到待测样热扩散率α，公式如下：
α＝πf/m2
为提高薄膜材料热扩散率测量准确性，可在不同的调制频率下进行多次测量，得到不同的调制频率fi下对应的斜率mi，作出斜率mi与调制频率fi平方根的关系曲线，得到曲线斜率m’。
计算得到薄膜材料热扩散率α′，公式如下：
Figure BDA0002984974080000031
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
1.结构、数据处理简单、适用范围广，装置调节要求低，测量方法简单易行，测量精确度达10-9m2/s。
2.可以在表面热透镜测吸收的装置上稍加改动，实现一套装置完成两种测量：吸收和热扩散率。
附图说明
图1是本发明基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置的结构示意图。
图中1-泵浦光激光器、2-泵浦光路功率调节部件、3-斩波器、4-泵浦光路反射镜、5-泵浦光路透镜、6-待测样、7-探测光激光器、8-探测光路功率调节部件、9-探测光路反射镜、10-探测光路透镜、11-光阑、12-探测器、13-二维位移平台、14-锁相放大器。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。
请参阅图1，图1是一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置示意图。如图所示，一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置，包括泵浦光激光器1、泵浦光路功率调节部件2、斩波器3、泵浦光路反射镜4、泵浦光路透镜5、待测样6、探测光激光器7、探测光路功率调节部件8、探测光路反射镜9、探测光路透镜10、光阑11、探测器12、二维位移平台13、锁相放大器14；所述的探测器12的输出端与所述的锁相放大器14的测试信号输入端相连，所述的斩波器3的同步信号输出端与所述的锁相放大器14的参考信号输入端相连；
所述的泵浦光激光器1输出的激光为泵浦光，经泵浦光路功率调节部件2、斩波器3、泵浦光路反射镜4和泵浦光路透镜5后，入射到待测样6上。所述的探测光激光器7输出的激光为探测光，经探测光路功率调节部件8、探测光路反射镜9和探测光路透镜10后，入射到待测样6上。探测光在待测样6表面反射后，经过光阑11，入射到探测器12上。探测器12输出信号输入到锁相放大器14中。斩波器3调制频率信号输入到锁相放大器14中。
所述的探测光激光器7输出探测光，其光路称为探测光路，在其输出端沿光路依次放置探测光路功率调节部件8、探测光路反射镜9、探测光路透镜10、待测样6，使得探测光以接近垂直的角度照射待测样6，在经过待测样6的反射探测光路上，依次放置光阑11、二维位移平台13，探测器12安装在二维位移平台13上。
将探测器12输出端连接锁相放大器14测试信号输入端。将斩波器3输出端连接锁相放大器14的参考信号输入端。
一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的方法，包括如下步骤：
①打开泵浦光激光器1电源，并依据待测样品特性选择合适的光束功率，依次打开探测光激光器10电源、斩波器4(设置调制频率f)、探测器12和锁相放大器14的开关，预热半小时以上，令它们达到稳定工作状态。
②调节光路指向令泵浦光束与探测光束中心重合。
③将所述的探测器12中心对准反射探测光斑中心。探测器感光面前装配有小口径光阑，可以测量探测光束的局部光强。
④缓慢调节二维位移平台13，使其沿x(或y)单一方向移动。同时，观察锁相放大器14幅值窗口示数，根据示数大小调节量程，当窗口示数小于10μV时，停止移动探测器12。
⑤将二维位移平台13旋钮往反方向转动一小段距离(锁相放大器14的幅值窗口示数保持在10μV以下)，等锁相放大器14示数稳定时，记录下此时的相位
Figure BDA0002984974080000055
以及探测器位置x1(或y1)。
⑥将二维位移平台13的旋钮沿步骤⑤中转动方向的同方向继续转动一段距离，待锁相放大器14示数稳定时，记录下此时的相位
Figure BDA0002984974080000056
以及探测器位置x2(或y2)。
⑦反复步骤⑤，每隔一段距离记录下探测器12所处位置xi(或yi)及其对应的相位
Figure BDA0002984974080000057
到锁相放大器14的幅值窗口示数再次在10μv以下时，停止测量(i＞20)。此时，可以获得完整的反射探测光斑径向数据组。
⑧标准样品测量完毕后，卸下待测样6更换为标准样品，使泵浦光、探测光照射在标准样品的完好区域。
⑨挡住泵浦光，用CCD摄像头记录探测光斑。
⑩挡住探测光，让泵浦光照射标准样品，适当调高泵浦光功率使其能够对标准样品造成损伤，利用泵浦光在标准样品上打出损伤点。
Figure BDA0002984974080000051
挡住泵浦光，让探测光照射样品，用CCD摄像头记录探测光斑，比较标准样品损伤前后的探测光斑，记被损伤点影响的探测区域直径D1。
Figure BDA0002984974080000052
测量标准样品上损伤点直径D2。
Figure BDA0002984974080000053
所有测量完毕后，首先将锁相放大器14的量程调到最大后关闭其电源。然后关闭探测器12、斩波器3、泵浦光激光器1和探测光激光器7的电源。
Figure BDA0002984974080000054
数据处理
计算得到放大倍数mA，公式如下：
mA＝D1/D2
再作出待测样6光热信号相位
Figure BDA0002984974080000062
随待测样6表面热包探测位置(xi/mA)变化曲线，得到斜率m。计算得到待测样6热扩散率α，公式如下：
α＝πf/m2
为提高薄膜材料热扩散率测量准确性，可在不同的调制频率下进行多次测量，得到不同的调制频率fi下对应的斜率mi，作出斜率mi与调制频率fi平方根的关系曲线，得到曲线斜率m’。计算得到薄膜材料热扩散率α′，公式如下：
Figure BDA0002984974080000061
本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的启示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置，其特征在于，包括泵浦光激光器(1)、泵浦光路功率调节部件(2)、斩波器(3)、泵浦光路反射镜(4)、泵浦光路透镜(5)、探测光激光器(7)、探测光路功率调节部件(8)、探测光路反射镜(9)、探测光路透镜(10)、光阑(11)、探测器(12)、供该探测器(12)放置的二维位移平台(13)和锁相放大器(14)；
所述的泵浦光激光器(1)输出泵浦光，依次经所述的泵浦光路功率调节部件(2)、斩波器(3)、泵浦光路反射镜(4)和泵浦光路透镜(5)后，泵浦光垂直照射待测样(6)；
所述的探测光激光器(7)输出探测光，依次经所述的探测光路功率调节部件(8)、探测光路反射镜(9)和探测光路透镜(10)后，探测光以倾斜角度照射待测样(6)，经该待测样(6)反射后，经所述的光阑(11)入射到探测器(12)；
所述的探测器(12)输出端连接锁相放大器(14)测试信号输入端，所述的斩波器(3)输出端连接锁相放大器(14)的参考信号输入端。
2.一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①打开泵浦光激光器(1)电源，并依据待测样品特性选择合适的光束功率，依次打开探测光激光器(10)电源、斩波器(3)(设置调制频率f)、探测器(12)和锁相放大器(14)的开关，预热半小时以上，令它们达到稳定工作状态；
②调节光路指向，使泵浦光束中心与探测光束中心在待测样(6)的表面重合；
③使所述的探测器(12)中心对准经待测样(6)反射的探测光光斑中心，探测器感光面前装配有小口径光阑，用于测量探测光束的局部光强；
④调节二维位移平台(13)，使其沿x(或y)单一方向移动，同时，观察锁相放大器(14)幅值窗口示数，根据示数大小调节量程，当窗口示数小于10μV时，停止移动；
⑤将二维位移平台(13)旋钮往反方向转动一小段距离(锁相放大器(14)的幅值窗口示数保持在10μV以下)，等锁相放大器(14)示数稳定时，记录下此时的相位
Figure FDA0002984974070000011
以及探测器位置x1(或y1)；
⑥将二维位移平台(13)的旋钮沿步骤⑤中转动方向的同方向继续转动一段距离，待锁相放大器(14)示数稳定时，记录下此时的相位
Figure FDA0002984974070000026
以及探测器位置x2(或y2)。
⑦反复步骤⑤，每隔一段距离记录下探测器(12)所处位置xi(或yi)及其对应的相位
Figure FDA0002984974070000027
到锁相放大器(14)的幅值窗口示数再次在10μv以下时，停止测量(i＞20)，获得完整的反射探测光斑径向数据组；
⑧待测样(6)测量完毕后，卸下待测样(6)更换为标准样品，使泵浦光、探测光照射在标准样品的完好区域；
⑨挡住泵浦光，用CCD摄像头记录探测光斑；
⑩挡住探测光，让泵浦光照射标准样品，适当调高泵浦光功率使其能够对标准样品造成损伤，利用泵浦光在标准样品上打出损伤点；
Figure FDA0002984974070000022
挡住泵浦光，让探测光照射样品，用CCD摄像头记录探测光斑，比较标准样品损伤前后的探测光斑，记被损伤点影响的探测区域直径D1；
Figure FDA0002984974070000023
测量标准样品上损伤点直径D2；
Figure FDA0002984974070000024
测量完毕后，首先将锁相放大器(14)的量程调到最大后关闭其电源，然后关闭探测器(12)、斩波器(3)、泵浦光激光器(1)和探测光激光器(7)的电源；
Figure FDA0002984974070000025
数据处理
首先计算放大倍数mA，公式如下：
mA＝D1/D2
再作出待测样(6)光热信号相位
Figure FDA0002984974070000028
随待测样(6)表面热包探测位置(xi/mA)变化曲线，得到斜率m；
最后，计算到待测样(6)热扩散率α，公式如下：
α＝πf/m2。
3.根据权利要求2所述的基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的方法，其特征在于，还包括，在不同的调制频率下进行多次测量，得到不同的调制频率fi下对应的斜率mi，作出斜率mi与调制频率fi平方根的关系曲线，得到曲线斜率m’；
计算得到薄膜材料热扩散率α′，公式如下：
Figure FDA0002984974070000021
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220316959A1 (en) * 2019-06-20 2022-10-06 Netzsch Japan K.K. Thermophysical Property Value Measurement Device And Thermophysical Property Value Measurement Method
CN117849108A (zh) * 2024-03-07 2024-04-09 北京科技大学 一种接触式热导率测量装置和方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220316959A1 (en) * 2019-06-20 2022-10-06 Netzsch Japan K.K. Thermophysical Property Value Measurement Device And Thermophysical Property Value Measurement Method
US11867567B2 (en) * 2019-06-20 2024-01-09 Netzsch Japan K.K. Thermo-physical property measurement instrument and thermo-physical property measurement method
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