TW201341784A - 量測熱擴散係數的裝置以及量測熱擴散係數的方法 - Google Patents

Abstract

一種量測熱擴散係數的裝置，包括：拉曼光譜儀、加熱設備以及訊號分析單元。拉曼光譜儀用以量測待測薄膜的不同位置的拉曼散射強度。加熱設備用以提供待測薄膜可控制的熱驅動波。訊號分析單元用以分析來自拉曼光譜儀的拉曼散射強度以及熱驅動波，而得到待測薄膜的熱擴散係數。

Description

量測熱擴散係數的裝置以及量測熱擴散係數的方法

本發明是有關於一種量測熱擴散係數的裝置以及其量測方法，且特別是有關於量測奈米級尺度的多層膜的熱擴散係數的裝置以及其量測方法。

在材料的熱擴散特性的研究中，以往只要在材料的一端施加熱能，另一端量測溫度，即可算出熱擴散特性。然而當材料的尺度小到奈米級尺度的時候，以往的直接量測的方式已不適用。

目前量測薄膜的熱擴散特性的方法包括：閃爍法(flash method)、3ω方法、交流熱量計方法(Ac calorimetric method)、調節雷射技術(modulated laser technique)、即時相位影像法(instantaneous phase portrait method)以及行進波法(traveling wave method)等。然而這些量測方法主要還是以量測微米尺度的薄膜為主，對於奈米尺度的量測技術還有存在許多問題。

以熱行進波法量測薄膜的熱擴散係數是由Philip G. Kosky等人在1993年發表在Rev. Sci. Instrum.,64(4)1071-1075的方法。這種量測方法不需要偵測樣品的實際溫度，所以不會遇到量測奈米尺度薄膜的溫度的困難。

熱行進波法演變至今有許多不同的表示方式，其中如下式(1)所表示的方程式最具代表性：

式(1)中，Δθ表示熱行進波經過d距離之後與熱源波之間的相位差，f表示熱行進波或熱源波的頻率，α表示熱擴散係數。

上述熱行進波法是利用光學的方式來進行量測，因此訊號非常微弱，而且存在繞射極限的問題。另外，對於量測環境的要求非常嚴格，稍微環境震動就會影響熱行進波的訊號。再者，待測薄膜必須加工成鏡面才能進行光學反射，因而對於待測樣品有嚴格的要求。除此之外，由於光學繞射極限，空間解析度無法小於250 nm，且只能量測薄膜最表層，而無法量測多層膜。

本發明提供一種量測熱擴散係數的裝置，能在不嚴格要求量測環境的情形取得奈米級尺度的多層膜的熱擴散係數。

本發明另提供一種量測熱擴散係數的方法，能用來量測奈米級尺度的多層膜的熱擴散係數。

本發明提出一種量測熱擴散係數的裝置，至少包括：拉曼光譜儀、加熱設備與訊號分析單元。所述拉曼光譜儀用以量測待測薄膜的不同位置的拉曼散射強度。所述加熱設備用以提供上述待測薄膜可控制的熱驅動波。至於訊號分析單元是用以分析來自拉曼光譜儀的上述拉曼散射強度以及熱驅動波，而得到上述待測薄膜的熱擴散係數。

在本發明之一實施例中，上述待測薄膜的熱擴散係數是經由多個拉曼散射強度以及熱驅動波的相位差變化而得到。

在本發明之一實施例中，上述加熱設備為可控制加熱頻率及功率的加熱單元。

在本發明之一實施例中，上述可控制加熱頻率的加熱單元包括雷射加熱單元、電阻式加熱單元或機械波式加熱單元。

在本發明之一實施例中，上述雷射加熱單元中所使用的雷射的範圍為可見光、近紅外光或近紫外光範圍。

在本發明之一實施例中，上述量測熱擴散係數的裝置還包括一偵測單元，用以偵測出由加熱設備提供的熱驅動波，並且將所偵測的驅動波的訊號同步傳送至訊號分析單元。

在本發明之一實施例中，上述待測薄膜為單層膜或多層膜。

在本發明之一實施例中，當上述待測薄膜為單層膜時，拉曼光譜儀所量測的是單層膜的表層的拉曼訊號。

在本發明之一實施例中，當上述待測薄膜為多層膜時，拉曼光譜儀所量測的是多層膜的表層以下的膜的拉曼訊號。

本發明另提出一種量測熱擴散係數的方法，包括先利用熱源提供待測薄膜可控制的熱驅動波，再偵測在待測薄膜的多個位置的拉曼散射強度隨時間變化的波動，接著，比較上述熱驅動波以及在所述位置的拉曼散射強度變化波而得到多個相位差，藉由這些相位差計算得到所述待測薄膜的熱擴散係數。

在本發明之一實施例中，在偵測上述強度變化波的步驟之前，還包括先量測待測薄膜的拉曼光譜，再根據拉曼光譜選擇一波峰作為拉曼波峰。

在本發明之一實施例中，上述待測薄膜為單層膜或多層膜。

在本發明之一實施例中，當上述待測薄膜為單層膜時，偵測上述強度變化波的步驟包括對單層膜的表層進行偵測。

在本發明之一實施例中，當上述待測薄膜為多層膜時，偵測上述強度變化波的步驟包括對多層膜的表層以下的膜進行偵測。

在本發明之一實施例中，當上述待測薄膜為單層膜時，在偵測上述強度變化波的步驟之前，還包括先量測單層膜的表層的拉曼光譜，再根據拉曼光譜選擇一波峰作為拉曼波峰。

在本發明之一實施例中，當上述待測薄膜為多層膜時，在偵測上述強度變化波的步驟之前，還包括先量測多層膜的表層以下的膜的拉曼光譜，再根據拉曼光譜選擇一波峰作為拉曼波峰

基於上述，本發明之量測熱擴散係數的裝置，與先前的量測熱擴散係數的裝置相比具有如下優勢：不需要嚴格控管量測環境；解析度可達奈米尺度，即待測薄膜的厚度即使薄至奈米尺度亦可量測出其熱擴散係數；可同時獲得多層膜內各層的熱擴散係數；對於待測薄膜的要求低，即待測薄膜無須經過加工即可用來量測。另外，本發明之量測熱擴散係數的方法不需要對量測環境加以嚴格控管，便可以量測出厚度薄至奈米尺度的多層膜中每一層的熱擴散係數，而且對待測薄膜的要求少，從而適用於各種待測薄膜。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下參照圖示對本發明進行詳細說明。

圖1是表示本發明之一實施例所繪示之一種量測熱擴散係數的裝置的示意圖。

請參照圖1，本實施例之量測熱擴散係數的裝置100包括：拉曼光譜儀120、加熱設備130以及訊號分析單元140。

拉曼光譜儀120用以量測待測薄膜T的不同位置的拉曼散射強度，拉曼光譜儀120例如是高解析共焦拉曼顯微鏡光譜儀(Lab RAM HR Raman Microscope，HOROBA)，但非限定於此。本實施例之拉曼光譜儀120的種類並無限制，只要是能夠量測出待測薄膜T的不同位置的拉曼散射強度的拉曼光譜儀皆可使用。本實施例之拉曼光譜儀120亦可以是市售的拉曼光譜儀。拉曼光譜儀120中所使用的光源視待測薄膜T的材質、厚度等而適宜選擇。例如當待測薄膜T為單層膜時，若欲量測是單層膜的表層的熱擴散係數時，則所選用的拉曼光譜儀的光源的穿透深度僅需要達到該單層膜的表層，意即只要能夠量測得到該單層膜的表層的拉曼光譜即可；若欲量測多層膜的所有層的熱擴散係數時，則所選用的拉曼光譜儀的光源的穿透深度需要達到該多層膜的最底層，意即必須能夠量測得到該多層膜的最底層的拉曼光譜。

加熱設備130用以提供待測薄膜T可控制的熱驅動波。為了提供待測薄膜T熱驅動波，加熱設備130為可控制加熱頻率及功率的加熱單元。可控制加熱頻率及功率的加熱單元包括雷射加熱單元、電阻式加熱單元或機械波式的加熱單元。雷射加熱單元中所使用的雷射的範圍為可見光(即介於400~700nm之間)、近紅外光(即介於700~2000nm之間)或近紫外光(即介於300~400nm)的範圍。本實施例的加熱設備130亦無特別限定，主要根據待測薄膜T的材質而適宜選擇。當待測薄膜T的材質為絕緣材料時，加熱設備130較佳為例如電阻式加熱單元並搭配鍍在待測薄膜T上的加熱線進行供熱。

量測熱擴散係數的裝置100除了上述加熱設備130以外，還可包括一偵測單元150。偵測單元150是用以偵測出由加熱設備130提供的熱驅動波，並且將所偵測出的熱驅動波的訊號傳送至訊號分析單元140。

訊號分析單元140用以分析來自拉曼光譜儀120的上述拉曼散射強度以及熱驅動波，而得到待測薄膜T的熱擴散係數。詳細而言，在訊號分析單元140中，具有來自拉曼光譜儀120的待測薄膜T的不同位置的拉曼光譜的拉曼散射強度以及來自加熱設備130的熱驅動波的訊號。待測薄膜T在同一位置的拉曼光譜受到熱驅動波的影響，使得待測薄膜T的溫度有所變化而造成拉曼光譜中的拉曼散射強度隨時間而變化，從而得樣品於該位置的強度變化波。因此，在同一時間範圍內，熱驅動波與強度變化波相比較可得到一相位差Δθ。當改變量測位置並且重複上述量測與比較時，由於強度變化波行經不同位置，與熱驅動波之間的相位不同，所以可得到另一相位差Δθ。

利用例如上述熱行進波法，將所得的相位差Δθ代入式(1)進行運算，可求出待測薄膜T的熱擴散係數。本發明不限於此，任何利用相位差Δθ來求出熱擴散係數的熱行進波法皆適用於此。

與先前的量測熱擴散係數的裝置相比，本發明之量測熱擴散係數的裝置具有如下優勢：不需要嚴格控管量測環境；解析度可達奈米尺度，即待測薄膜T的厚度即使薄至奈米尺度亦可量測出其熱擴散係數；可同時獲得多層膜內各層的熱擴散係數；對於待測薄膜T的要求低，即待測薄膜T無須經過加工即可用來量測。

圖2是表示本發明之另一實施例所繪示之一種量測熱擴散係數的步驟圖。

請參照圖2，本實施例之量測熱擴散係數的方法可利用上一實施例的量測熱擴散係數的裝置100來進行，但並不限於此。以下僅是藉由圖1的裝置使本發明所屬技術領域中具有通常知識者能更詳細地了解本實施例之量測方法，包括如下步驟：

S201：量測拉曼光譜，並選擇欲觀察的拉曼波峰。

首先，利用拉曼光譜儀120掃描出待測薄膜T的拉曼光譜。此步驟S201所掃描出的拉曼光譜乃待測薄膜T整體的拉曼光譜。當待測薄膜T為單層膜時，由於所量測出的拉曼光譜的波峰對應於該單層膜的材質，所以選擇上述波峰作為之後的步驟中欲觀察的拉曼波峰。當待測薄膜T為多層膜時，所量測出的拉曼光譜中會有多個波峰，各波峰分別對應於多層膜中各層的材質。此時，選擇欲觀察的波峰作為之後的步驟中欲觀察的拉曼波峰。此外，若僅想量測多層膜的表層的熱擴散係數，則調整拉曼光譜儀120的光源，使其穿透深度僅到達多層膜的表層，所量測出來的波峰即可作為之後的步驟中欲觀察的拉曼波峰。本發明不限於此，在一實施例中，可不進行上述步驟S201而直接進行下述步驟S202，並且在下述步驟S203時選擇欲觀察的拉曼波峰。

S202：利用熱源產生可控制的熱驅動波。

接著，利用加熱設備130在樣品上產生可控制的熱驅動波。詳細而言，使用例如可控制加熱頻率及功率的加熱單元產生上述熱驅動波，以便在待測薄膜T上驅動可控制的熱行進波，並且利用例如偵測單元150將加熱設備130的訊號傳至訊號分析單元140。在一實施例中，利用近紅外光加熱單元自待測薄膜T的一端提供熱驅動波。

S203：偵測拉曼散射隨時間變化的強度變化波。

然後，利用拉曼光譜儀120量測出在待測薄膜T的初始位置的拉曼散射強度變化波。由於受到熱驅動波的影響，待測薄膜T初始位置的溫度會有變化，因而在待測薄膜T的初始位置所量測出的拉曼散射強度會產生變化，從而產生強度變化波，此波即是偵測待測薄膜T的拉曼效應所產生的該位置隨時間變化的熱行進波。

S204：比較強度變化波以及熱驅動波而得到相位差。

將在步驟S202所得到的熱驅動波，與在步驟S203所得到的強度變化波進行比較，而得到熱行進波行經該初始位置的相位差。接著更換位置再重複上述步驟S202~S204而得到另一位置的相位差。強度變化波行經不同位置有相對應的相位差，量測的位置數例如在三個位置以上。

S205：計算出待測薄膜的熱擴散係數

接著，利用例如熱行進波法，將在步驟S204所得到的多個相位差，代入上述式(1)進行運算，可求出待測薄膜T的熱擴散係數。本實施例不限於此，任何利用相位差來求出熱擴散係數的熱行進波法皆適用於此。

根據本發明之量測熱擴散係數的方法，不需要對量測環境加以嚴格控管，便可以量測出厚度薄至奈米尺度的多層膜中各層的熱擴散係數，而且對待測薄膜的要求少，從而適用於各種待測薄膜。

除此之外，當以本發明的量測熱擴散係數的方法量測各種不同材質的薄膜後，對量測出來的對應各種材料的拉曼波峰的強度變化值、相位差、熱擴散係數等資料建立資料庫。根據此資料庫即可反推待測薄膜的溫度。

以下，以實驗例更具體說明本發明。

實驗例1

待測試片(待測薄膜/基板)：類鑽碳膜(DLC，180nm)/Si(100)基板

拉曼光譜儀：高解析共焦拉曼顯微鏡光譜儀(Lab RAM HR Raman Microscope，HOROBA)，HeNe雷射：波長632.8 nm，功率：20mW；放大倍率：物鏡100X，光圈0.9；解像力：焦距分度1 μm。

加熱設備：近紅外光加熱單元，溫度控制範圍50℃~82℃。

將待測試片載置於平台上，並且利用拉曼光譜儀量測待測試片的拉曼光譜。此時，得到一波峰在拉曼偏移(Raman shift)為519.12 cm^-1的位置以及另一波峰在拉曼偏移為約1550 cm^-1的位置。在拉曼偏移(Raman shift)為519.12 cm^-1的位置的波峰代表Si的訊號，且在拉曼偏移(Raman shift)為1550 cm^-1的位置的波峰代表DLC的訊號。

接著，利用近紅外光加熱單元自待測試片的一端提供待測試片熱驅動波。然後，選定待測試片的任一位置進行拉曼光譜的量測。圖3表示實驗例1中在熱驅動波的影響下的拉曼波峰的峰值強度變化的曲線圖。由圖3得知在熱驅動波的影響下，待測試片的溫度會改變，而且拉曼波峰的峰值強度亦有明顯的變化。

選擇代表Si的訊號的波峰作為欲觀察的拉曼波峰。圖4是將圖3中代表Si的訊號的波峰的位置放大的曲線圖。圖5表示代表Si的訊號的拉曼波峰的峰值強度變化波510與熱驅動波520的曲線圖。對圖4中代表Si的訊號的波峰的峰值強度與時間作圖，則可得到如圖5所示的峰值強度變化波510。為了比較熱驅動波520與峰值強度變化波510的相位差，將熱驅動波520亦圖示於圖5中，即可比較出兩者的相位差。之後，選定待測試片的其他位置，重複上述步驟，則可得到多個相位差。此處的其他位置是指相對於熱源(近紅外光加熱單元)不同的位置。圖6表示實驗例1中相位差與距離的關係圖。此處的距離是指熱行進波行進至量測位置的距離。將所得到的相位差與距離作圖，則可得到如圖6所示的直線。根據如式(1)所示的熱行進波法，從圖6中的斜率便可計算出Si基板的熱擴散係數，量測計算出來的結果是91.0 mm²/s。

如上所述，選擇代表DLC的訊號的波峰作為欲觀察的拉曼波峰後重複上述步驟S202~S205，便可得到DLC的熱擴散係數。

綜上所述，根據本發明之量測熱擴散係數的裝置以及量測熱擴散係數的方法，不需要對量測環境加以嚴格控管，便可以量測出厚度薄至奈米尺度的多層膜中各層的熱擴散係數，而且對待測薄膜的要求少，從而適用於各種待測薄膜。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．量測熱擴散係數的裝置

120．．．拉曼光譜儀

130．．．加熱設備

140．．．訊號分析單元

150．．．偵測單元

S201~S205．．．步驟

510．．．峰值強度變化波

520．．．熱驅動波

T．．．待測薄膜

圖1是表示本發明之一實施例所繪示之一種量測熱擴散係數的裝置的示意圖。

圖2是表示本發明之另一實施例所繪示之一種量測熱擴散係數的方法的流程圖。

圖3表示實驗例1中在熱驅動波的影響下的拉曼波峰的峰值強度變化的曲線圖。

圖4是將圖3中代表Si的訊號的波峰的位置放大的曲線圖。

圖5表示代表Si的訊號的拉曼波峰的峰值強度變化波510與熱驅動波520的曲線示意圖。

圖6表示實驗例1中相位差與距離的關係圖。

100．．．量測熱擴散係數的裝置

120．．．拉曼光譜儀

130．．．加熱設備

140．．．訊號分析單元

150．．．偵測單元

T．．．待測薄膜

Claims (16)

1. 一種量測熱擴散係數的裝置，包括：一拉曼光譜儀，用以量測一待測薄膜的不同位置的拉曼散射強度；一加熱設備，用以提供該待測薄膜可控制的一熱驅動波；以及一訊號分析單元，用以分析來自該拉曼光譜儀的該些拉曼散射強度以及該熱驅動波，而得到該待測薄膜的熱擴散係數。
2. 如申請專利範圍第1項所述的量測熱擴散係數的裝置，其中該待測薄膜的熱擴散係數是經由該些拉曼散射強度以及該熱驅動波的相位差變化而得到。
3. 如申請專利範圍第1項所述的量測熱擴散係數的裝置，其中該加熱設備為一可控制加熱頻率及功率的加熱單元。
4. 如申請專利範圍第3項所述的量測熱擴散係數的裝置，其中該可控制加熱頻率及功率的加熱單元包括雷射加熱單元、電阻式加熱單元或機械波式加熱單元。
5. 如申請專利範圍第4項所述的量測熱擴散係數的裝置，其中該雷射加熱單元中所使用的雷射的範圍為可見光、近紅外光或近紫外光的範圍。
6. 如申請專利範圍第1項所述的量測熱擴散係數的裝置，更包括一偵測單元，用以偵測出由該加熱設備提供的該熱驅動波，並且將所偵測的該熱驅動波的訊號傳送至該訊號分析單元。
7. 如申請專利範圍第1項所述的量測熱擴散係數的裝置，其中該待測薄膜為單層膜或多層膜。
8. 如申請專利範圍第1項所述的量測熱擴散係數的裝置，其中當該待測薄膜為單層膜時，該拉曼光譜儀所量測的是該單層膜的表層的拉曼訊號。
9. 如申請專利範圍第1項所述的量測熱擴散係數的裝置，其中當該待測薄膜為多層膜時，該拉曼光譜儀所量測的是該多層膜的表層以下的膜的拉曼訊號。
10. 一種量測熱擴散係數的方法，包括：利用熱源提供一待測薄膜可控制的一熱驅動波；偵測在該待測薄膜的多數個位置的一拉曼波峰隨時間變化的多數個強度變化波；比較該熱驅動波以及在該些位置的該些強度變化波而得到多數個相位差；以及藉由該些相位差計算得到該待測薄膜的熱擴散係數。
11. 如申請專利範圍第10項所述之量測熱擴散係數的方法，其中在偵測該些強度變化波的步驟之前，更包括：量測該待測薄膜的一拉曼光譜；以及根據該拉曼光譜選擇一波峰作為該拉曼波峰。
12. 如申請專利範圍第10項所述之量測熱擴散係數的方法，其中該待測薄膜為單層膜或多層膜。
13. 如申請專利範圍第10項所述之量測熱擴散係數的方法，其中當該待測薄膜為單層膜時，偵測該些強度變化波的步驟包括對該單層膜的表層進行偵測。
14. 如申請專利範圍第10項所述之量測熱擴散係數的方法，其中當該待測薄膜為多層膜時，偵測該些強度變化波的步驟包括對該多層膜的表層以下的膜進行偵測。
15. 如申請專利範圍第10項所述之量測熱擴散係數的方法，其中當該待測薄膜為單層膜時，在偵測該些強度變化波的步驟之前，更包括：量測該單層膜的表層的一拉曼光譜；以及根據該拉曼光譜選擇一波峰作為該拉曼波峰。
16. 如申請專利範圍第10項所述之量測熱擴散係數的方法，其中當該待測薄膜為多層膜時，在偵測該些強度變化波的步驟之前，更包括：量測該多層膜的表層以下的膜的一拉曼光譜；以及根據該拉曼光譜選擇一波峰作為該拉曼波峰。