CN117630102A - 一种测试材料热反射系数的方法及系统 - Google Patents
一种测试材料热反射系数的方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117630102A CN117630102A CN202311715280.XA CN202311715280A CN117630102A CN 117630102 A CN117630102 A CN 117630102A CN 202311715280 A CN202311715280 A CN 202311715280A CN 117630102 A CN117630102 A CN 117630102A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- processing unit
- test sample
- pulse laser
- test
- laser beam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 156
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 108
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 74
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 65
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 60
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 94
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims description 17
- 239000013068 control sample Substances 0.000 claims description 13
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 claims description 9
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- CLOMYZFHNHFSIQ-UHFFFAOYSA-N clonixin Chemical compound CC1=C(Cl)C=CC=C1NC1=NC=CC=C1C(O)=O CLOMYZFHNHFSIQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000012113 quantitative test Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本发明属于热反射系数测试技术领域，公开了一种测试材料热反射系数的方法及系统。本发明发出脉冲激光光束聚焦至测试样品的表面并进行加热，发出探测激光光束聚焦至测试样品的表面；反射探测光束传输至信号处理单元，基于信号处理单元得到反射率变化信息；基于测试材料热反射系数的系统对应的系统参数和测试样品对应的样品参数，利用计算处理单元计算得到温度变化信息；改变脉冲激光的功率后，重复上述步骤，得到反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式，进而得到测试样品的热反射系数。本发明解决了现有测试繁琐，测试结果不稳定，对于小热反射系数材料测试精度较低的问题，简化了测试，提高了测试的稳定性和精度。
Description
技术领域
本发明属于热反射系数测试技术领域，更具体地，涉及一种测试材料热反射系数的方法及系统。
背景技术
随着电子器件尺寸的不断减小、集成密度和功率密度的迅速升高，发热问题愈发严重，研究表明，40％的器件失效来源于超温，因此监测器件运行过程中的温度变化对于判断器件的稳定性和可靠性具有重要意义。目前，热反射热成像(transientthermorefletance image，TTI)技术是一种实时探测工作器件温度的技术，已经在各种微电子器件中得到了充分的发展和利用。该技术的原理是当材料发生温度变化时，其表面的反射率变化(ΔR/R)和温度变化(ΔT)成正比，如公式(1)所示：
其中，ΔR/R表示材料反射率的变化，ΔT表示材料温度的变化，比例系数Cth表示材料的热反射系数。根据该原理，如果器件材料的Cth已知，那么就可以通过测量工作器件表面反射率变化(ΔR/R)得到工作器件的温度变化(ΔT)。由于材料在不同波长下的Cth存在巨大差异，因此定量测试材料在不同波长下的Cth对于指导探测激光波长的选择和进一步发展激光热反射测试技术具有重要意义。
现有的各种定量测试材料Cth的方法都是通过测试材料在不同温度变化下的反射率变化进而得到材料的Cth。对于大多数材料，其Cth通常在10-5-10-3℃-1量级。这表明在一定温度变化下，材料的反射率变化很小。因此现有的测试方法需要极其精确的控制系统，比如高分辨图像处理、高精度温度控制组件、自动化光斑聚焦技术等。然而，这种复杂的测试系统存在测试繁琐，测试结果不稳定，特别地，对于小Cth材料测试精度不高等问题。此外，现有的Cth测试方法在变温操作期间，环境因素(如温度、湿度、振动等)的影响容易使得变温后测试系统的测试基准条件(探测光基准光强、探测器响应等)出现一定变化，导致测试的反射率变化不准确，进而影响Cth的测试精度。
发明内容
本发明通过提供一种测试材料热反射系数的方法及系统，解决现有材料热反射系数测试繁琐，测试结果不稳定，对于小热反射系数材料测试精度较低的问题。
本发明提供一种测试材料热反射系数的方法，包括以下步骤：
步骤1、利用脉冲激光器发出脉冲激光光束，所述脉冲激光光束聚焦至测试样品的表面，并对所述测试样品的表面进行加热；利用探测激光器发出探测激光光束，所述探测激光光束聚焦至所述测试样品的表面；所述探测激光光束和所述脉冲激光光束共轴，且二者的光斑中心在所述测试样品的表面重合；
步骤2、所述探测激光光束经所述测试样品反射后形成的反射探测光束传输至信号处理单元；基于所述信号处理单元得到反射率变化信息；基于测试材料热反射系数的系统对应的系统参数和所述测试样品对应的样品参数，利用计算处理单元计算得到温度变化信息；
步骤3、改变脉冲激光的功率后，重复上述步骤，得到反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式，该线性关系式的斜率为所述测试样品的热反射系数。
优选的，所述步骤1之前还包括：将所述测试样品置于温度控制样品台上，并调节所述温度控制样品台至基准测试温度。
优选的，所述步骤1中，利用所述脉冲激光光束对所述测试样品的表面完成瞬态加热，测试在微秒尺度下完成。
优选的，所述步骤2中，基于所述信号处理单元得到反射率变化信息的实现方式包括：
基于所述信号处理单元得到探测激光反射光强信息，所述探测激光反射光强信息包含直流电压信号V和交流电压信号ΔV(t)两部分；所述反射率变化信息表示为ΔR(t)/R，且满足：
其中，V表示无脉冲激光加热情况下的参考电压；ΔV(t)表示在脉冲激光加热过程中，探测激光反射光功率随时间变化所引起的电压变化。
优选的，所述步骤2中，所述计算处理单元中存储有热传导理论模型和瞬态温升模型；
所述样品参数包括所述测试样品的热物性参数和基本参数；
所述信号处理单元将所述反射率变化信息传输至所述计算处理单元，所述计算处理单元对所述反射率变化信息进行归一化处理，基于所述热传导理论模型对归一化后的信息进行拟合，得到所述热物性参数；
将所述系统参数和所述样品参数均输入至所述计算处理单元中的所述瞬态温升模型，所述计算处理单元输出所述温度变化信息。
优选的，所述热物性参数包括所述测试样品中每一层材料的热导率以及相邻材料之间的界面热导；所述基本参数包括所述测试样品中每一层材料的密度、厚度和比热容；所述系统参数包括脉冲激光的脉宽、脉冲激光的重复频率、脉冲激光在所述测试样品表面的1/e2半径、脉冲激光达到最大值时的时间以及材料吸收的脉冲激光能量。
优选的，所述步骤3中，所述反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式表示为：
Max[ΔV(t)/V]＝Cth*Max[ΔT(t)]
其中，Max[ΔV(t)/V]、Max[ΔT(t)]分别是整个测试时间范围内ΔV(t)/V的最大值、ΔT(t)的最大值，Cth表示热反射系数。
另一方面，本发明提供一种测试材料热反射系数的系统，包括：脉冲激光器、探测激光器、信号处理单元和计算处理单元；所述测试材料热反射系数的系统用于执行上述的测试材料热反射系数的方法中的步骤。
优选的，所述测试材料热反射系数的系统还包括：温度控制样品台和光路调节组件；所述光路调节组件包括扩束器、反射镜、二向色镜、物镜、分光镜；所述温度控制样品台用于承载所述测试样品，以及提供基准测试温度；所述脉冲激光器用于发出脉冲激光光束，所述探测激光器用于发出探测激光光束，所述脉冲激光光束依次经所述扩束器扩束、所述反射镜反射后入射至所述二向色镜，所述探测激光光束经所述分光镜透射后入射至所述二向色镜，所述脉冲激光光束和所述探测激光光束经所述二向色镜后合束并共轴输出，再经所述物镜聚焦后照射至所述测试样品的表面；经所述测试样品反射后的反射探测光束入射至所述分光镜后再反射至所述信号处理单元，所述信号处理单元与所述计算处理单元连接。
优选的，所述信号处理单元包括光电探测器，以及与所述光电探测器连接的示波器；所述分光镜与所述光电探测器之间还设置有滤波片。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
传统的材料热反射系数测试方法要求高精度的光束聚焦能力以保证测试结果的准确性，但是传统的测试方法需要变温操作，即需要对材料进行加热，等其温度变化后对光束进行二次聚焦。由于材料温度变化后，热膨胀等因素会使得材料发生较大形变，进而导致光束在样品表面二次聚焦困难。本发明提供的测试材料热反射系数的方法是基于泵浦-探测瞬态热反射技术，使用泵浦激光(即脉冲激光)在样品表面的局部区域完成瞬态加热，材料形变程度很小，因此规避了传统测试方法光束二次聚焦困难的问题。同时，由于本发明无需变温操作，测试在微秒尺度下完成，因此避免了传统热反射系数测试方法在变温操作期间测试系统基准不稳定从而导致测试的反射率变化不准确的问题，因此本发明的测试精确度更高。本发明中探测激光光束经测试样品反射后形成的反射探测光束传输至信号处理单元，基于信号处理单元得到反射率变化信息；基于测试材料热反射系数的系统对应的系统参数和测试样品对应的样品参数，利用计算处理单元计算得到温度变化信息；基于反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式得到测试样品的热反射系数。本发明在计算处理单元中集成热传导理论模型和瞬态温升模型，并计算得到温度变化信息，进而得到热反射系数。基于本发明的工作原理，本发明无需复杂的精确控制组件(例如高分辨图像处理、高精度温度控制组件等)，操作简单，能够提高测试结果的稳定性，且能够提高对于小热反射系数材料的测试精度。
附图说明
图1为本发明提供的测试样品的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种测试材料热反射系数的系统的结构示意图。
图3为532nm激光在Au样品表面的反射率变化。
图4为Au样品的热物性拟合结果。
图5为Au样品表面的温度变化ΔT(t)。
图6为Au热反射系数测试结果。
图7为Ni热反射系数测试结果。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供一种测试材料热反射系数的方法，包括以下步骤：
步骤1、利用脉冲激光器发出脉冲激光光束，所述脉冲激光光束聚焦至测试样品的表面，并对所述测试样品的表面进行加热；利用探测激光器发出探测激光光束，所述探测激光光束聚焦至所述测试样品的表面；所述探测激光光束和所述脉冲激光光束共轴，且二者的光斑中心在所述测试样品的表面重合；
步骤2、所述探测激光光束经所述测试样品反射后形成的反射探测光束传输至信号处理单元；基于所述信号处理单元得到反射率变化信息；基于测试材料热反射系数的系统对应的系统参数和所述测试样品对应的样品参数，利用计算处理单元计算得到温度变化信息；
步骤3、改变脉冲激光的功率后，重复上述步骤，得到反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式，该线性关系式的斜率为所述测试样品的热反射系数。
此外，所述步骤1之前还可包括：将所述测试样品置于温度控制样品台上，并调节所述温度控制样品台至基准测试温度T0。
其中，所述步骤1中，利用所述脉冲激光光束对所述测试样品的表面完成瞬态加热，测试在微秒尺度下完成。
所述步骤2中，基于所述信号处理单元得到反射率变化信息的实现方式包括：基于所述信号处理单元(具体包括光电探测器及与之相连接的示波器)得到探测激光反射光强信息，所述探测激光反射光强信息包含直流电压信号V和交流电压信号ΔV(t)两部分；所述反射率变化信息表示为ΔR(t)/R，且满足：
即ΔV(t)/V可以用来表示材料表面的反射率变化ΔR(t)/R。
进一步，根据公式(1)，可得：
其中，V表示无脉冲激光加热情况下的参考电压；ΔV(t)表示在脉冲激光加热过程中，探测激光反射光功率随时间变化所引起的电压变化。
所述步骤2中，所述计算处理单元中存储有热传导理论模型和瞬态温升模型；所述样品参数包括所述测试样品的热物性参数和基本参数；所述信号处理单元将所述反射率变化信息传输至所述计算处理单元，所述计算处理单元对所述反射率变化信息进行归一化处理，基于所述热传导理论模型对归一化后的信息进行拟合，得到所述热物性参数；将所述系统参数和所述样品参数均输入至所述计算处理单元中的所述瞬态温升模型，所述计算处理单元输出所述温度变化信息。
所述热物性参数包括所述测试样品中每一层材料的热导率以及相邻材料之间的界面热导；所述基本参数包括所述测试样品中每一层材料的密度、厚度和比热容；所述系统参数包括脉冲激光的脉宽、脉冲激光的重复频率、脉冲激光在所述测试样品表面的1/e2半径、脉冲激光达到最大值时的时间以及材料吸收的脉冲激光能量。
所述步骤3中，所述反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式表示为：
Max[ΔV(t)/V]＝Cth*Max[ΔT(t)] (3)
其中，Max[ΔV(t)/V]、Max[ΔT(t)]分别是整个测试时间范围内ΔV(t)/V的最大值、ΔT(t)的最大值，Cth表示热反射系数。
下面对本发明的工作原理做进一步的说明。
本发明使用瞬态温升模型计算脉冲激光加热过程中材料表面的温度变化，对于n层材料中脉冲激光加热的热传导过程，模型假定脉冲激光的能量被吸收在材料表层，即吸收深度Da≈0。热量在材料垂直(z)和水平(r)两个方向扩散。对于第i层材料，其厚度、垂直热导率、水平热导率、密度和比热容分别表示为di、kr,i、kz,i、ρi和Ci。相邻材料的层间界面热导G＝kz/d，其中d表示界面层的厚度。此外，模型假定材料的热物性与温度无关。由此在径向对称柱坐标下，第i层材料温升εi(r,z,t)＝Ti(r,z,t)-T0的热传导方程表示为：
其中，Ti(r,z,t)表示第i层材料在径向对称柱坐标下，坐标为r和z，时间为t时的温度，T0表示基准测试温度。由于热吸收在材料表层，因此可得：
公式(5)中Q(r,t)是空间(r)和时间(t)的函数，表示材料吸收的热通量，其可以表示为：
Aabs表示材料吸收的脉冲激光能量，q(r)假定脉冲激光在空间上呈高斯分布，其1/e2半径为ω0。p(t)假定脉冲激光在时间上呈高斯分布，其中t0是高斯分布函数的标准差，h是FWHM激光脉宽，tm是脉冲达到最大值时的时间。
在频域(β,s)下，通过拉普拉斯变换和汉克尔变换，公式(4)和公式(5)可重新表达为：
其中，是εi(r,z,t)的变换结果，/>是Q(r,t)的变换结果。公式(7)中的中间参数γi可表示为：
通过计算，第一层材料的温度可表示为：
是材料堆叠的热阻抗，可表示为：
其中，dn表示第n层材料的厚度；
其中，
在频域(β,s)下，热通量表示为：
其中，
通过对公式(10)进行拉普拉斯逆变换和汉克尔变换，求解得到材料表面的温升：
其中，J0(βr)表示第一类贝塞尔函数。
使用≤1(0,0,t)，即脉冲激光加热的中心位置来表示材料表面的温升。ε1(0,0,t)在整个测试时间范围内的最大值即为公式(3)中的Max[ΔT(t)]。
本发明使用所述瞬态温升模型计算材料表面的温度变化需要输入测试系统的系统参数和测试样品对应的样品参数。所述系统参数包括脉冲激光的脉宽(h)，脉冲激光的重复频率(f)，脉冲激光在样品表面的1/e2半径(ω0)，脉冲激光达到最大值时的时间(tm)以及材料吸收的脉冲激光能量(Aabs)。
所述脉冲激光的脉宽(h)、所述脉冲激光的重复频率(f)以及所述脉冲激光达到最大值时的时间(tm)均由光电探测器测得；所述脉冲激光在样品表面的1/e2半径(ω0)可由光束质量分析仪测得；所述材料吸收的脉冲激光能量(Aabs)可表示为：
其中，Esurf表示脉冲激光辐射到样品表面的能量，f表示脉冲激光的重复频率。Psurf表示脉冲激光入射到样品表面的平均功率，由功率计测得。R表示脉冲激光对材料的反射率，其可通过菲涅耳方程，或者功率计测得。
本发明使用所述瞬态温升模型计算材料表面的温度变化需要输入的样品参数包括已知参数(样品中每一层材料的密度、厚度、比热容)和未知参数(样品中每层材料的热物性)。所述材料的密度和比热容通过查阅现有技术文档确定，所述材料厚度可由3D轮廓仪测得。所述材料未知热物性参数包括样品中每一层材料的热导率以及相邻材料之间的界面热导。通过结合所述热传导理论模型与之前步骤得到的探测激光反射光强信息，拟合计算得到多层结构样品中每一层材料的热导率、所述相邻材料之间的界面热导。基于所述热传导理论模型和反射光强信息拟合计算材料的热物性参数(热导率、界面热导等)时可采用最小二乘拟合算法实现，本发明不涉及算法的具体改进，因此对算法不做具体说明。
实施例2：
实施例2提供一种测试材料热反射系数的系统，参见图2，主要包括：脉冲激光器1、探测激光器12、信号处理单元和计算处理单元16。实施例2提供的所述测试材料热反射系数的系统用于执行如实施例1所述的测试材料热反射系数的方法中的步骤。
参见图1，测试样品的结构从上至下依次为待测材料110、待测材料与衬底之间的界面120、衬底130。
此外，参见图2，所述的测试材料热反射系数的系统还可包括：温度控制样品台9和光路调节组件；所述光路调节组件包括扩束器2、反射镜3、二向色镜5、物镜6、分光镜10。所述温度控制样品台9用于承载所述测试样品8，以及提供基准测试温度T0。所述脉冲激光器1用于发出脉冲激光光束4，所述探测激光器12用于发出探测激光光束11，所述脉冲激光光束4依次经所述扩束器2扩束、所述反射镜3反射后入射至所述二向色镜5，所述探测激光光束11经所述分光镜10透射后入射至所述二向色镜5，所述脉冲激光光束4和所述探测激光光束11经所述二向色镜5后合束并共轴输出，再经所述物镜6聚焦后照射至所述测试样品8的表面；经所述测试样品8反射后的反射探测光束7入射至所述分光镜10后再反射至所述信号处理单元，所述信号处理单元与所述计算处理单元16连接。
其中，所述信号处理单元包括光电探测器14，以及与所述光电探测器14连接的示波器15；所述分光镜10与所述光电探测器14之间还可设置有滤波片13，所述滤波片13用于对所述反射探测光束7进行滤波。
下面结合参数，给出两个测试实施例。
实施例3：
实施例3提供一种测试Au热反射系数的方法，测试样品从上至下依次为待测材料Au、Au与衬底Al2O3之间的界面、衬底Al2O3，本实施例测试的是Au在532nm波长下的Cth。测试过程参见图2，具体操作按下列步骤进行：
(1)将所述测试样品8置于所述温度控制样品台9上，通过所述温度控制样品台9设置基准测试温度T0。
(2)利用所述脉冲激光器1发出所述脉冲激光光束4；所述脉冲激光光束4经所述扩束器2进行扩束；扩束后的所述脉冲激光光束4经所述反射镜3引导至所述二向色镜5；所述脉冲激光光束4经所述二向色镜5透射后，通过所述物镜6聚焦至所述测试样品8的Au表面；利用所述探测激光器12发出所述探测激光光束11；所述探测激光光束11经所述分光镜10透射后入射至所述二向色镜5；所述探测激光光束11经所述二向色镜5反射后与所述脉冲激光光束4共轴，通过所述物镜6聚焦至所述测试样品8的Au表面；
具体的，所述探测激光的波长为532nm。
(3)所述探测激光光束11经所述测试样品8反射后形成的所述反射探测光束7经过所述物镜6后，依次经所述二向色镜5反射、所述分光镜10反射后传输至所述信号处理单元；所述滤波片13位于所述分光镜10与所述信号处理单元之间，所述滤波片13用于对所述反射探测光束7进行滤波。
具体的，携带温度变化信号的所述反射探测光束7最终被所述光电探测器14接收放大，然后从所述示波器15上读取所述反射探测光束7的反射光强的信号ΔV(t)/V，即反射率随时间变化ΔR(t)/R，如图3所示。
(4)所述示波器15上读取的反射光强信息ΔV(t)/V传输至所述计算处理单元16，基于所述计算处理单元16计算得到所述测试样品8表面Au的温度变化ΔT(t)。
具体的，利用所述计算处理单元16对所述反射光强信号ΔV(t)/V进行归一化处理，使用热传导理论模型对归一化处理后的反射光强信息进行拟合(如图4所示)，得到样品中每一层材料的热物性参数(Au热导率、界面热导、衬底Al2O3热导率)。所述计算处理单元16还包括瞬态温升模型，在所述瞬态温升模型中输入脉冲激光脉宽(h)、脉冲激光重复频率(f)、脉冲激光在样品表面的1/e2半径(ω0)、脉冲激光达到最大值时的时间(tm)、材料吸收的脉冲激光能量(Aabs)等系统参数以及Au热导率、界面热导、衬底Al2O3热导率等样品中每一层材料的热物性参数，计算所述测试样品8表面Au的温度变化ΔT(t)，结果如图5所示。
(5)通过改变脉冲激光的功率，重复上述测试步骤，可获得反射率变化ΔV(t)/V和温度变化ΔT(t)的线性关系式，根据公式(3)，该线性关系式的斜率即为Au的Cth。测试结果如图6所示，拟合线性关系的斜率为-2.2×10-4，由此Au在532nm波长下的Cth为-2.2×10-4℃-1。
实施例4：
实施例4提供一种测试Ni热反射系数的方法，测试样品从上至下依次为待测材料Ni、Ni与衬底Al2O3之间的界面、衬底Al2O3，本实施例测试的是Ni在785nm波长下的Cth。具体测试步骤与实施例3类似。测试结果如图7所示，拟合线性关系的斜率为-1.79×10-5，由此Ni在785nm波长下的Cth为-1.79×10-5℃-1。
以上两个实施例分别展示了测试Au在532nm和Ni在785nm波长下的Cth。此外，可通过在测试系统中更换不同波长的探测激光器或选则波长可调的探测激光器，实现其它任一波长下的Cth测试。待测材料不仅可以是实施例所展示的Au、Ni等金属，还可以是半导体体材料、半导体外延薄膜材料等。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种测试材料热反射系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用脉冲激光器发出脉冲激光光束，所述脉冲激光光束聚焦至测试样品的表面，并对所述测试样品的表面进行加热；利用探测激光器发出探测激光光束，所述探测激光光束聚焦至所述测试样品的表面；所述探测激光光束和所述脉冲激光光束共轴，且二者的光斑中心在所述测试样品的表面重合；
步骤2、所述探测激光光束经所述测试样品反射后形成的反射探测光束传输至信号处理单元；基于所述信号处理单元得到反射率变化信息；基于测试材料热反射系数的系统对应的系统参数和所述测试样品对应的样品参数，利用计算处理单元计算得到温度变化信息；
步骤3、改变脉冲激光的功率后，重复上述步骤，得到反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式，该线性关系式的斜率为所述测试样品的热反射系数。
2.根据权利要求1所述的测试材料热反射系数的方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括：将所述测试样品置于温度控制样品台上，并调节所述温度控制样品台至基准测试温度。
3.根据权利要求1所述的测试材料热反射系数的方法，其特征在于，所述步骤1中，利用所述脉冲激光光束对所述测试样品的表面完成瞬态加热，测试在微秒尺度下完成。
4.根据权利要求1所述的测试材料热反射系数的方法，其特征在于，所述步骤2中，基于所述信号处理单元得到反射率变化信息的实现方式包括：
基于所述信号处理单元得到探测激光反射光强信息，所述探测激光反射光强信息包含直流电压信号V和交流电压信号ΔV(t)两部分；所述反射率变化信息表示为ΔR(t)/R，且满足：
其中，V表示无脉冲激光加热情况下的参考电压；ΔV(t)表示在脉冲激光加热过程中，探测激光反射光功率随时间变化所引起的电压变化。
5.根据权利要求1所述的测试材料热反射系数的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述计算处理单元中存储有热传导理论模型和瞬态温升模型；
所述样品参数包括所述测试样品的热物性参数和基本参数；
所述信号处理单元将所述反射率变化信息传输至所述计算处理单元，所述计算处理单元对所述反射率变化信息进行归一化处理，基于所述热传导理论模型对归一化后的信息进行拟合，得到所述热物性参数；
将所述系统参数和所述样品参数均输入至所述计算处理单元中的所述瞬态温升模型，所述计算处理单元输出所述温度变化信息。
6.根据权利要求5所述的测试材料热反射系数的方法，其特征在于，所述热物性参数包括所述测试样品中每一层材料的热导率以及相邻材料之间的界面热导；所述基本参数包括所述测试样品中每一层材料的密度、厚度和比热容；所述系统参数包括脉冲激光的脉宽、脉冲激光的重复频率、脉冲激光在所述测试样品表面的1/e2半径、脉冲激光达到最大值时的时间以及材料吸收的脉冲激光能量。
7.根据权利要求1所述的测试材料热反射系数的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述反射率变化信息与温度变化信息之间的线性关系式表示为：
Max[ΔV(t)/V]＝Cth*Max[ΔT(t)]
其中，Max[ΔV(t)/V]、Max[ΔT(t)]分别是整个测试时间范围内ΔV(t)/V的最大值、ΔT(t)的最大值，Cth表示热反射系数。
8.一种测试材料热反射系数的系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、探测激光器、信号处理单元和计算处理单元；
所述测试材料热反射系数的系统用于执行如权利要求1-7中任一项所述的测试材料热反射系数的方法中的步骤。
9.根据权利要求8所述的测试材料热反射系数的系统，其特征在于，还包括：温度控制样品台和光路调节组件；所述光路调节组件包括扩束器、反射镜、二向色镜、物镜、分光镜；所述温度控制样品台用于承载所述测试样品，以及提供基准测试温度；所述脉冲激光器用于发出脉冲激光光束，所述探测激光器用于发出探测激光光束，所述脉冲激光光束依次经所述扩束器扩束、所述反射镜反射后入射至所述二向色镜，所述探测激光光束经所述分光镜透射后入射至所述二向色镜，所述脉冲激光光束和所述探测激光光束经所述二向色镜后合束并共轴输出，再经所述物镜聚焦后照射至所述测试样品的表面；经所述测试样品反射后的反射探测光束入射至所述分光镜后再反射至所述信号处理单元，所述信号处理单元与所述计算处理单元连接。
10.根据权利要求8所述的测试材料热反射系数的系统，其特征在于，所述信号处理单元包括光电探测器，以及与所述光电探测器连接的示波器；所述分光镜与所述光电探测器之间还设置有滤波片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311715280.XA CN117630102A (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种测试材料热反射系数的方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311715280.XA CN117630102A (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种测试材料热反射系数的方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117630102A true CN117630102A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90037621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311715280.XA Pending CN117630102A (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种测试材料热反射系数的方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117630102A (zh) |
-
2023
- 2023-12-13 CN CN202311715280.XA patent/CN117630102A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7182510B2 (en) | Apparatus and method for measuring thermal conductivity | |
| Malen et al. | Optical measurement of thermal conductivity using fiber aligned frequency domain thermoreflectance | |
| Hua et al. | The study of frequency-scan photothermal reflectance technique for thermal diffusivity measurement | |
| US10578569B2 (en) | Apparatus for determining a thermal conductivity and a thermal diffusivity of a material, and related methods | |
| Welsch et al. | Investigation of the absorption induced damage in ultraviolet dielectric thin films | |
| JP4980147B2 (ja) | 熱物性測定装置、熱物性測定方法 | |
| JP2008537781A5 (zh) | ||
| CN106404189B (zh) | 测量太赫兹光束参数的方法 | |
| JP2008537781A (ja) | デュアル光音響および抵抗測定システム | |
| CN102053006A (zh) | 一种光学元件吸收损耗测量的数据处理改进方法 | |
| CN105928625B (zh) | 基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法 | |
| EP1852697B1 (en) | Method for determing material parameters of an object from temperature-versus-time (t-t) data | |
| CN117630102A (zh) | 一种测试材料热反射系数的方法及系统 | |
| CN108918580B (zh) | 一种无损稳态导热率测量方法 | |
| Wang et al. | A square pulse thermoreflectance technique for the measurement of thermal properties | |
| CN109900737A (zh) | 基于等效温度的光学元件弱吸收测试装置及方法 | |
| CN110411718A (zh) | 高反射元件在连续激光辐照下反射率和吸收实时测量方法 | |
| Ashitkov et al. | Ultrafast energy transfer in metals in a strongly nonequilibrium state induced by subterawatt femtosecond laser pulses | |
| Burzo et al. | A study of the effect of surface metalization on thermal conductivity measurements by the transient thermo-reflectance method | |
| JP2001083074A (ja) | 粒径分布測定装置および粒径分布測定方法 | |
| CN109668906A (zh) | 一种用于测定光学膜层激光损伤阈值的测量方法及装置 | |
| CN113820045B (zh) | Mems热电堆传感器的测试方法及系统 | |
| CN219675840U (zh) | 基于泵浦探测拉曼光谱的半导体导热系数测试装置 | |
| CN111443062B (zh) | 一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法 | |
| Hayden et al. | Fluorescent scanning thermal microscope based on a Blu-ray optical head to measure thermal diffusivity of radioactive samples |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |