SDTR一種薄膜面內(nèi)各向異性熱導(dǎo)率的測量方法

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SDTR一種薄膜面內(nèi)各向異性熱導(dǎo)率的測量方法

近年來距糖，隨著半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展玄窝，半導(dǎo)體元件的體積急劇減小，對芯片或薄膜材料的熱物性探究至關(guān)重要悍引，這樣給予針對超小尺寸的熱物性探測技術(shù)提供了發(fā)展需求恩脂，而其中基于光學(xué)的熱反射法的發(fā)展使得小尺寸(亞微米)樣品的熱導(dǎo)率測量變得容易。在頻域熱反射法FDTR測量中：鎖相放大器的參考相位需要被精確計算以減小對相位滯后信號的影響趣斤。

SDTR - (SpecialDomain ThermalReflection)空間熱反射同樣是基于激光泵浦-熱反射的探測技術(shù)俩块，可以針對小尺寸薄膜樣品的面內(nèi)熱物性的測量方法。相比于其他激光泵浦探測方法(如：TDTR，F(xiàn)DTR)它的優(yōu)勢是可以測試薄膜樣品的面內(nèi)熱物性玉凯，且成本低廉势腮；同F(xiàn)DTR一樣是基于連續(xù)激光，不過目前的FDTR的調(diào)制頻率通常在5 kHz以上漫仆，因此只能測得10 W/mK 以上的面內(nèi)熱導(dǎo)率捎拯，但SDTR通過改變泵浦和探測光斑的空間位置獲得相位和幅值信號，可以測量低于10 W/(m·K)的面內(nèi)熱導(dǎo)率盲厌。

1. SDTR測試

圖1所示為 SDTR 的實驗系統(tǒng)光路圖署照。一束泵浦激光經(jīng)正弦波調(diào)制后聚焦在樣品表面，對樣品進(jìn)行周期性加熱吗浩；另一束波長不同的探測激光透過偏振分光棱鏡(透過率可通過調(diào)整線偏振方向變化)建芙，透過光聚焦在樣品表面，探測樣品表面的溫度響應(yīng)懂扼，探測光可以透過二向色鏡照射并聚焦至樣品并反射禁荸，攜帶樣品表面的周期性變化的熱反射率信息，泵浦光在二向色鏡處反射并聚焦至樣品處對樣品進(jìn)行周期性加熱阀湿，樣品表面因周期性的熱場而生成周期性變化的熱反射率赶熟。光電探測器將探測光光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后傳輸給鎖相放大器以提取信號的幅值和相位炕倘【螅可以通過鎖相放大器輸出一個給定頻率的正弦信號或者通過外部信號發(fā)生器輸出給鎖相放大器和泵浦激光器，傳輸給泵浦激光器用以調(diào)制泵浦激光罩旋，傳輸給鎖相作為內(nèi)部參考，實現(xiàn)對采集信號的鎖相分析眶诈。

在SDTR實驗測量中涨醋，樣品表面需要鍍一層約100 nm 厚的金屬膜作為溫度傳感層。通過調(diào)節(jié)光路中將光束反射至樣品的反射鏡的角度逝撬，可以調(diào)整樣品表面泵浦光斑相對于探測光斑的位置浴骂，同時鎖相放大器記錄下幅值和相位信號隨樣品表面的泵浦光斑和探測光斑之間偏移距離x_c的數(shù)據(jù)。以x_c=0時的相位和幅值信號為基準(zhǔn)宪潮，對任意x_c處的相位信號取其差分值溯警，對幅值信號取其歸一化值，同時擬合差分相位信號和歸一化幅值信號狡相，即可提取樣品沿光斑偏移方向的面內(nèi)熱導(dǎo)率k_x和該方向的激光光斑尺寸W_x梯轻。

圖1：SDTR光路簡約示意圖

圖2：表面鍍有100 nm鈦的熔融石英樣品在150 Hz泵浦調(diào)制頻率和11.5 μm光斑尺寸下的SDTR測試相位(a)和歸一化幅值(b)數(shù)據(jù)圖。

圖2中所示為在150 Hz 泵浦調(diào)頻下尽棕，鍍有100 nm鈦膜的熔融石英樣品的測量數(shù)據(jù)和擬合曲線喳挑。通過對圖2(a)中相位差信號進(jìn)行擬合，其中采用文獻(xiàn)中提供的熔融石英的體積比熱容等數(shù)據(jù)后擬合而得出熔融石英沿光斑偏移方向的面內(nèi)熱導(dǎo)率為1.4W/(m·K)。SDTR所測得的熱導(dǎo)率與文獻(xiàn)值十分接近伊诵；同理单绑，若通過改變泵浦光斑和探測光斑相對于樣品的的偏離方向可以測得沿表面的各個方向的各項異性的熱導(dǎo)率(不過實例中的熔融石英是各向同性材料，沒有必要進(jìn)行不同方向的各向異性測試)曹宴。圖2(a)還展示了的zui佳擬合值變化±30% 所對應(yīng)的曲線搂橙，在圖中用虛線表示，展示了該信號對的敏感性笛坦。而另一方面份氧，圖2(b)所示的歸一化幅值信號通過擬合幅值信號可以精確地得到沿偏移方向的激光光斑尺寸為11.5 μm。

2. 敏感度分析

圖3展示了圖1的測量信號對系統(tǒng)中不同參數(shù)的敏感性系數(shù)弯屈。這些參數(shù)包括了傳感層和基底材料的不同方向上的熱導(dǎo)率k_xm蜗帜、k_ym、k_zm(其中角標(biāo)m表示為金屬傳感曾的物理性質(zhì))和k_x资厉、k_y厅缺、k_z，體積比熱容c_m和c宴偿，金屬傳感層的厚度h_m湘捎，界面熱導(dǎo)G，泵浦光斑樣品表面上不同方向上的激光光斑尺寸w_x窄刘、w_y窥妇。

圖3：調(diào)制頻率9KHZ，100nm AU/ sapphire樣品的SDTR測試結(jié)果對樣品各個熱物性的敏感度示意圖娩践。(a)相位梯度信號對于不同參數(shù)的敏感度活翩；(b)幅值半高寬對不同參數(shù)的敏感度。

圖3中顯示：沿樣品表面x方向的熱導(dǎo)率k_x和樣品的體積比熱容c對的敏感度較高翻伺，因此對與得到較為準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率結(jié)果材泄，需要事先知道較為準(zhǔn)確可靠的樣品體積比熱容c；x方向的光斑尺寸w_x對幅值半高寬敏感度較高吨岭，因此可通過幅值半高寬較為準(zhǔn)確地確定樣品表面光斑尺寸w_x拉宗，其中受到其他的樣品參數(shù)影響較小。

3. 測試結(jié)果

圖4： SDTR進(jìn)行的一系列標(biāo)準(zhǔn)樣品的面內(nèi)熱導(dǎo)率的測量結(jié)果與文獻(xiàn)參考值的比較辣辫。

利用SDTR方法分別對對藍(lán)寶石旦事、硅、二氧化硅急灭、高定向熱解石墨（HOPG）及x-切割石英的面內(nèi)熱導(dǎo)率進(jìn)行了實驗測量姐浮，其結(jié)果如圖4所示，其中所得結(jié)果均與文獻(xiàn)參考值高度一致化戳，誤差均小于5%单料。

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相關(guān)文獻(xiàn)：

[1] P. Jiang, D. Wang, Z. Xiang, R. Yang, H. Ban, A new spatial-domain thermoreflectance method to measure a broad range of anisotropic in-plane thermal conductivity, Int. J. Heat Mass Transfer, 191 (2022) 122849.

[2] 宋尚智, 張可欣, 江普慶, 新型光學(xué)交流量熱法準(zhǔn)確測量小尺寸樣品的面內(nèi)熱導(dǎo)率, 能源科學(xué)與技術(shù), 1 (2022) 33-38.

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