JPS63241457A - 薄膜状物質の熱物性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜状物質の熱物性測定装置に関し、層間絶縁
膜、放熱性のいいセラミックス薄板、電気伝導性高分子
フィルムなどの電子機器材料、あるいはダイヤモンド薄
膜等の保、博膜として利用されている１；ｊ膜などの薄
膜状物質の熱物性、例えば熱拡散率、比熱などの測定に
利用するものである。

〔従来の技術〕

薄膜は工具へのコーティング、光学、太陽電池またはｔ
ｓエフの電子デバイス等の多方面に利用され、それらの
物性値を求める測定法の整備が熱９（されている。特に
、近年電子部品その他の集積度が著しく高くなるに伴っ
て、ＩＸＪｉＩＩａ状物質の熱物性を精密に測定する技
術の重要度が増大している。

従来から、バルクの熱物性を測定する手法または装置は
存在しており、薄Ｉ模試料の長さ方向の熱拡散率を測定
する技術も開発されている。

例えば特開昭６０−１５５９５０および特開昭６１−１
０７５１に「断続加熱による熱拡散率測定方法１が開示
され、既に、この技術に基づく装置が市販されている。

その概念を第５図に基づいて説明する。第５図（ａ）は
ケ面図、第５図（ｂ）はそのモ面図である。

ｔ’、’ｊ　Ｉｔり試料１をＡｇペーストなどで熱電対
６に接合し、その熱’ｌｌｉ、対６を薄膜試料ｌと共に
空中に保持し、マイクロメータ５により微移動する被覆
材料２を用いて、その試料ｌの片面の一部を覆い、上方
よりハロゲンランプ４などからの熱エネルギーをチゴッ
パ３を用いて断続的に照射して、上記の熱電対６で薄膜
試料ｌの温度変化を測定し、泄算処理して薄膜試料の熱
拡散率を決定するものである。

この方法には、重大な幾つかの欠点がある。列挙すると
以下のようである。

■　微小な薄膜試料１にＡｇペーストで、熟′市対６を
接合するためにＡｇペーストによる熱のリークがある。

■　同様に熱電対６による熱のロスがある。

■　Ａｇペースト部に熱抵抗が生じ、測温に時間的なず
れを生じる。

■　ＡｇペーストをｇＪ膜試料ｌに溶着するが、その際
、加熱するために熱に弱い薄膜試料の測定に用いること
はできない。

■　熱電対によるロスを最小にするために熱電対６に極
細線を用いるが、切断のトラブルが多い。

■　数Ｈｚの断続光穣（射により生じる測定点での微小
な温度振幅を測温するために装置が複雑になり、操作も
複雑である。

また、第６図に示す１放射冷却法による熱伝導度測定法
Ｊが提案されている。　　（Ａ、　Ｏｎｏ、　Ｔ。

Ｂａｂａ、　　Ｈ，Ｆｕｎａｍａｔｏ　　ａｎｄ　　Ａ
、　　ＮｉＮ１５ｈｉｋａ、　　Ｊｐｎ、　　Ｊ。

Ａｐｐｌ、　　Ｐｈｙｓ、　　２５（１９８ｆｌ）　　
ＬａＯ２−ＬａＩ３）この手法の概念を第６図を用いて
説明する。熱源１１により一定温度に保った支柱ｌＯに
短冊形の薄膜試料１の両端を固定し、これを真空容器９
中に保持し、光学窓１２から熱画像装置１３で薄膜試料
ｌの温度分布を非接触に測温するものである。

この技術は、前記方法の熱電対による接触測温法から派
生する短所を補うものであるが、なお。

下記の欠点がある。

（υ　定常法であり、薄膜試料ｌ全体にわたって正確に
温度とその勾配を設定しなければならないため、測定の
ために長時間（約１時間）を要する。

■　薄膜からの赤外線放射量を測定するために薄膜試料
ｌに黒体塗料を塗り、放射率を仮定して、熱定数を決定
することになるが、その放射率を一定に保持することは
困難であり、データの再現性が乏しい。

■　熱伝導度を算出する式において、温度の絶対値を直
接用いているが、温度測定に赤外線検出器を用いている
ために精度が劣る。

以上に説明した薄膜の測定方法ではないが、厚さの厚い
平板試料の一方の面に大径の非定常の熱束を与え、裏面
の中央部に熱電対を配設して熱物性を測定する方法も知
られている。このような方法は、薄膜では表面と裏面間
に温度差が生じないので用いることはできない。

また薄膜結晶では、結晶軸に直交する方向と平行する方
向で熱物性に差があり、このような熱物性を上記の方法
で測定することは、例えば厚さの厚いアモルファス結晶
を製造しなければならないので極めて困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は以上の問題を解決した薄膜状物質の熱物性測定
装置を提供することを目的とする。

すなわち、熱のリークや熱抵抗を排除し、試料にＡｇペ
ーストを溶７１する等の試料の加熱を要せず、熱電対断
線のトラブルがなく、原理および測定」二の複雑さがな
い簡単な装置であって、短時間に再現性のよいデータを
精度よく求めることができ、また薄膜特有の計測ができ
る装置を提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、 （１）帯状の薄膜試料を張１１ツする試料保持具と、 （２）パルス化した線状熱源を試料面に照射する熱源部
と、 （３）試料面上に照射された照射線に直交する方向に一
定の距離の位置の薄膜の温度を非接触で測定する測温部 とを備えたことを特徴とする膜状物質の熱物性測定装置
である。

〔作用〕

本発明の薄ｎ々の熱物性の測定装置の原理について１説
明する。

薄膜の長手方向に直交する方向に、パルス化した線状の
熱源、例えば線状のレーザ光あるいはタングステンラン
プなどの熱源が照射されると、その線状の照射線から距
離Ｘ離れた位置の温度について、１次の熱拡散方程式が
近似できる。

１次元熱拡散方程式は下記の式（１）で表わされる。

ただし、 Ｔ：温度 Ｄ：８拡散率 である。式（１）の解は、 ・ｅ　ｘ　ｐ　（−ｘ２／４Ｄ　ｔ）＝　（２）となる
、ただし、 Ｑ　：熱源から試料に吸収される単位長さ当りの熱ｌ逢 ρ　：試料の密度 Ｃｐ：試料の比熱 見　：試料の厚さ ｔ　：熱エネルギー照射後の時間 である。

この式（２）を測定データと直接関連づけるために次の
式を誘導する。

熟エネルギー照射された薄膜上の照射線からＸ離れた位
置の温度Ｔがその位置における最大温度上昇Ｔｍａｘの
１／２の温度に達する時間をｔ　ｌ／２とすると熱拡散
率りは次式（３）で表わされる。

Ｄ＝Ｏ，１３５４拳　ｘ　２　／ｌ　　１／２　　・”
（３）この１次元の熱拡散式を薄膜に適用するためには
、薄膜の表衷の温度に差が生じない程度の厚さに制限す
ることが必要である。この厚さは測定する物質によって
も異なるが約０．５　ｍ　ｍ以下が望ましい、さらにＱ
ｌｇＩを張設する支持台がＦ！脱膜中熱拡散を乱すよう
な位置にあってはならず、言い換えれば薄膜は適当な長
さ、例えば長さ５ｍｍ以上の帯状でなければならない。

また熱エネルギーは５線状であって、試料の長手方向に
直交する方向に長い均一な熱源である必要がある。この
線状照射エネルギーの幅は約１ｍｍ以下が９１ましい。

またある測定点の温度の時間変化曲線に、明瞭な極大値
を表わし、ｔ１／２を決定するためには、パルス化した
熱源であることが必要であり、パルス幅が数ｇｓｅｃ−
数ｍ５ｅｃ程度が望ましい。

本発明は１次元の熱伝導方程式を解いて、薄膜の熱拡散
率を求める具体的な装置を提案するものであり、帯状の
薄膜試料を張設する保持具と、パルス化した熱エネルギ
ーを均一な強度分布を有する線状に試料面に照射する装
置と、点状の表面温度を非接触で測定する装置で構成さ
れる。

試料保持具は閉じた容器中に入れられ、この容器は排気
することができ、真空下でも不活性ガス雰囲気下でも測
定し得る構造とする。

以ド図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例の模式斜視図で帯状の薄膜試料
ｌの保持共１６、熱源１４とこれを線状にして薄膜試料
に照射するためのスリツ）１５、赤外線検出器１７とか
ら成る。

薄膜試料ｌの保持具１６は薄１１々試料ｌが膜状で目形
の保てないものではその両端を保持できる保持具とし、
膜状で目形を保てるものは両端を巾に支持し得る保持共
でよい。

熱源部は、帯状の薄膜試料ｌの長手方向をＸ、それに直
交する方向をｙとした場合、８源１４を、Ｘ方向に線状
にし、Ｘ方向には薄膜試料ｌの幅を超える程度の幅を持
ちかつＸ方向のエネルギー争分布にばらつきがないよう
にして、熱ネルギーを照射する。このため、図示省略し
た熱源発振器より放出されたエネルギーを均一にする光
学系を用い、ｌｆ１熱性の幅可変スリー／　）あるいは
集光系１５を用いて熱源を絞って照射する。このように
照射することによって薄膜のＸ方向への１次元熱伝導を
具現化することができる。

測温部は赤外線検出器１７などを用いて非接触で、薄膜
試料１の幅方向の中央部のスポット測温をするものであ
る。また照射位置からの測温位置までの距＃Ｘは熱拡散
の時間分割計測が十分にできるような位置にする。

スポット測温は被測定点から放出される赤外線を集光レ
ンズ１８を用いてスポット径０．５　ｍ　ｍφ以下まで
にすることが可能である。

本発明の装置では測温位置の変更とその位置の設定が重
要なパラメータであるため、光学系と検出器をマイクロ
メータ玉に固定し、ＩＬ確な位置を求める。赤外用光フ
ァイバーを用いて検出器１７を試料室外に置くこともで
きる。検出半導体としては、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、Ｇｅ、
Ｓｉなどを用いることができ、検出器の種類は特に限定
されるものではない。

以下１本発明に係るｉ）−子装置を用いた測定方法を第
１図を用いて説明する。

厚さに対して十分に長さが長い帯状の薄膜試料ｌを中心
が下がらないように保持具１６によって水１ｉに保持す
る。ｌｔＶ膜試料ｌのＩ：　Ｃ（ｊに、線状熱エネルギ
ー例えば均一にされたルビーレーザ光１４をスリブｉ−
１５で集光し、線状のレーザ光が薄膜試料１の幅を横切
って照射されるように、）−分な長さをもつように調整
する。

次に、ｌｌｌ−湿田の光学系１８を調整し、被４（１定
薄１１り試料の微小部分から放出される放射線が検出器
１７に結像するようにする。

これらの測定系が全て納まるチェンバを排気装置を用い
て排気する。全系が恒温になるとパルス状の光を放出さ
せ、それと同期して、ｌｌｌ１温を開始する。

第２図はＸ方向に無限に長い試料にＸ＝Ｏの点にレーザ
ビームを照射したとき、１＝０でｘ＝０の点に温度パル
スが生じ、１＝１で検出器の位置で１１１形パルス状の
温度を検出することを示したものである。

この温度分布がピークパターンを記録するまで測定を続
ける。

次に測定された温度の４１から熱拡散率を求める方法に
ついて説明する。

レーザパルスが薄膜に当った瞬間を時間１＝０とした時
、任意の位置Ｘにおける温度の時間ｔに対する分布は、
例えば第３図のようになる。

第３図に示すように、最高温度Ｔ　ｍ　ａ　ｘを求め、
Ｔ　ｍ　ａ　ｘの゛部分に達する時間ｔ　１／２を求め
、一方マイクロメータの読みから求めたＸをＬ述の計算
式、 Ｄ＝０．１３５４・Ｘ２／１１／２・・・（３）に代入
することにより熱拡散率〇を決定することができる。

本発明の１−記演算の過程に温度の絶対値がパラメータ
としては存在せず、パラメータはＸとｔの２変数である
。従って非接触の測温部で温度を測定しても高い測定精
度の結果を得ることができる。

なおＴ　ｍ　ａ　ｘは熱源の出力、試料の光吸収率など
に依存するが一般に１０〜２０°にである。

次に本発明装置を高温下での熱拡散率測定に応用する場
合について第４図を用いて説明する。

薄１１Ｑ試料１を支持する保持具を炉１９中に入れ加温
する。熱源１４から薄膜試料ｌに線状のビームを照射し
た位置から、ｘ敲れた位置の温度を温度放物面１ａ２０
、オブティカルフィ、＜−２１を通して側温する。

本発明では非接触測温であるために高温下でも試料の熱
膨張のために、測定位置に誤差が生じるということは全
くない。

〔実施例〕

実施例１ 次の仕様をもつ本発明の装置を用いて種々の薄膜状物質
の熱拡散率を求めた。

ン：し膜保持具ニスパン最大５０ｍｍ 熱　源　　ニルビーレーザ 最大出力８．３Ｗ ス　　リ　　ッ　　ト　　：　開　口　０．　２　　ｍ
　　ｍＪｌｎ温部　：ＩｎＳｂ半導体 装置を用いて測定したｆ！％拡散率から次式により熱伝
導率Ａを求め、これを文献値と比較した。

Ａ＝Ｃｐ　赤Ｄ・ρ　　　　　　　　　　・・・　（４
）ここで、 Ｃｐ：比熱 Ｄ　：熱拡散率 ρ　：密度 である。

実施例として純金属、セラミックス、ポリマー等熱伝導
率の異なる物質に適用した結果を第１表にまとめた。こ
れによると、文献値に幅のある試料については、その範
囲におさまり、特定値の表示されている試料についても
誤差は１０％以内であり、満足すべきものであった。測
定に要した時間は測定装置系が均一な温度になれば数分
であった。

第１表 実施例２ 実施例１に示した装置によって薄１＆を状物質の結晶方
向の熱拡散率を測定し、この測定値から、Ｉ−記（４）
式を用いて計算した熱伝導率（中位Ｗ　／　ｍ　Ｋ　）
の値を第２表に示した。このデータによれば、薄膜の結
晶軸方向に直角な方向とモ行な方向には顕著な差があり
、本発明装置によれば、このようなΔ１４定が極めて容
易である。

第　　２　　表 〔発明の効果〕 本発明装置によれば薄膜サンプルをあるがままに近い状
態でその熱拡散率を測定することができる。

従って未発ＩＩＩ装置により薄膜の熱拡散率の正確な測
定評価が回部になり薄膜の膜質向上あるいはその用途開
発に多大な貢献をすることが可能となった。例えばＫＣ
２４，Ｌｉ　ａｓ等の黒鉛層間化合物、Ａｇ２Ｆ等の混
合原子価をもつ層構造ハロゲ、ン化物、あるいはフタロ
シアニン笠の有機半導体は結晶軸方向あるいは面内ｘｙ
力方向よって熱物性が大幅に異なり、本装置によればこ
れらを明らかにすることができる。

本発明によるＩ’ｌｌ漠状物賀状物質性測定装置では、
従来技術と比較して以下のような長所をもつ。

■　屯−パルスの熱拡散現象を測定しているため、測定
時間が短い、（通常１〜２秒）■　測温部が非接触式で
あり、熱電対を用いないために、それを用いたことから
派生する問題すなわち熱電対やＡｇペーストでの熱ロス
や熱抵抗の問題を全て回避することができる。

Ｏ）　高温下の測定において、熱膨張の影響を避けるこ
とができる。

Ｑｉ）　　最終的な計算には、照射位置と測定点の距１
ｌｌＩＸとその位置での最大温度になる時間ｔの半分の
値ｔ　ｌ／２のみが必要であり、温度測定値を用いない
ので非接触測温であっても従来法に比べて精度が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例の模式図、第２図は本発明
装置の原理を説明する説明図、第３図は本発明により測
定した温度の時間分布図、第４図は本発明装置の高温用
実施例の模式図、第５図は従来の断続加熱による熱拡散
率測定方法を説明するための（ａ）立面図、（ｂ）平面
図、第６図は従来の放射冷却法による熱伝導測定法を説
明する斜視図である。 １・・・薄膜試料　　　　　２・・・覆い板３・・・チ
ョッパ　　　　　４・・・、Ｓ［５・・・マイクロメー
タ　　６・・・８電対７・・・センサ　　　　　　９・
・・真空容器ＩＯ・・・支持柱　　　　　１１・・・ヒ
ータ１２・・・光学窓　　　　　１３・・・サーモグラ
フィ１４・・・熱源　　　　　　　１５・・・スリット
１６・・・試料保持具　　　１７・・・検出器１８・・
・光学系　　　　　１９・・・炉２０・・・反射鏡 出　願　人　　　川崎製鉄株式会社 早稲田嘉夫 太　　１）　弘　　道

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　帯状の薄膜試料を張設する試料保持具と、パルス化
   した線状熱エネルギーを該試料面に照射する熱源部と、
   該試料面上の照射線に直交する方向の一定距離の位置の
   薄膜の温度を非接触測定する測温部とを備えたことを特
   徴とする薄膜状物質の熱物性測定装置。