一种测量薄膜横向热导率的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种测量薄膜横向热导率的方法，先用3ω法，以沉积在待测薄膜表面的第二金属条为加热源，测量待测薄膜的纵向热导率；待测薄膜底部设有衬底；纵向为垂直于待测薄膜的方向；再用3ω法，以第一金属条为加热源，测得待测薄膜纵向方向上的温升，结合已测得的纵向热导率推导出待测薄膜纵向方向上的热功率；同时测得第一金属条的温升，以及第一金属条的温升在待测薄膜横向产生的热场导致第二金属条的温升；最后计算厚度为d的待测薄膜的横向热导率。本发明专利技术采用“衬底/待测薄膜/金属条”样品结构，有效避免制备悬浮结构样品的工艺难点；使用双金属条可有精确地测量薄膜横向温差，测量结果精确度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种测量薄膜横向热导率的方法及装置
本专利技术属于薄膜材料热物性测试
，具体涉及一种测量薄膜横向热导率的方法及装置。
技术介绍
热导率是表征薄膜材料热物理性能的重要参数之一。薄膜材料热导率的大小决定着薄膜导热或隔热的能力。比如，随着微电子器件向集成度更高方向发展，如果微电子器件的散热性能不好将导致器件单元局部高温，进而缩减器件的寿命甚至使器件坏掉，而热导率越高导热能力越强，散热能力越好；除此之外，隔热材料也可应用于建筑、海洋及航天等领域，比如，隔热材料可以尽可能的隔绝炎炎夏日对室内的影响，使室内保持凉爽的温度。所以热导率的研究就很有必要，而薄膜材料的各项异性导致薄膜材料各个方向的热导率有极大的差异，比如，相变存储器中超晶格相变材料，其纵向热导率由于界面热阻的影响而小于其横向热导率，如果能准确地测量出超晶格薄膜的各项热导率，那么对于相变存储器的发展有重大意义。因此研究薄膜横向热导率的测量方法及装置有很重要的现实意义。目前常用的薄膜横向热导率测量方法分为稳态测量方法和瞬态测量方法。稳态测量方法包括悬膜法、微桥法与稳态双桥法。其中悬膜法(Phys.StatusSolidiA210,No.1,106–118(2013))与微桥法(Anovelmethodformeasuringthethermalconductivityofsub-micrometerthickdielectricfilms)与稳态双桥法(thermalconductivitymeasurementsofthinfilmresist)这三种方法都因为所制备的样品需要是悬浮结构而使样品成功率极低，为测量横向热导率带来极大的困难。除此之外，悬膜法中薄膜横向传热距离假定为从金属条边沿处到热沉的距离，但是实际测量过程中如果待测薄膜热导率很低，那么实际横向传热的距离就很小，此时这种方法不适用；微桥法中所使用的传感器为热敏电阻或热电偶，无法精确地测量微小的温升；中国专利技术专利：一种基于热流传感器各向异性薄膜热导率测试方法及装置(公布号CN103940847A，公布日2014.07.23)中所示的测量薄膜横向热导率的方法是通过热流传感器直接测量不同位置的热流量得到横向热导率，这种方法虽然测量简单直接，但是测试时间长，忽略热对流与热辐射会影响测量结果的准确性。瞬态测量方法包括激光闪光法、3ω法等。激光闪光法(Measurementofthinfilmthermalconductivityusingthelaserflashmethod)因为需要激光加热和测试并且涉及到激光信号的提取，所以需要精密的光学电路，而且对于多层薄膜和厚度很大的薄膜，受限于激光透射率而无法精确测量，除此之外，闪光法不能直接测试透明材料；3ω法中因为样品尺寸较小所以通过减少换热面积可以有效减少辐射误差，而且测试时间相对于稳定测量方法较短，增加了测试速度，所以3ω法是用来测量薄膜热导率的一个重要方法，目前也有一些用3ω法测量薄膜横向热导率的方法，比如，苏国苹论文(基于谐波法的热功能材料热导率的实验研究)中各项异性热导率测量方法的对象为各项异性半无限大固体，那么对于纳米级厚度的薄膜来说就无法适用；用3ω法测量悬膜结构样品(Phys.StatusSolidiA210,No.1,106–118(2013))，无法精确地确定薄膜横向传热距离。除此之外，类稳态双桥法(ThermalconductivitymeasurementandinterfacethermalresistanceestimationusingSiO2thinfilm)中样品结构与本专利技术所提到的结构有些类似，不过类稳态双桥法是用于纵向热导率测量，并且万用表测量带来的误差较大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种测量薄膜横向热导率的方法及装置，能够便捷而准确地测量微纳米级薄膜横向热导率。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、用3ω法，以第二金属条为加热源，测量待测薄膜的纵向热导率KY；所述的第二金属条沉积在待测薄膜表面，待测薄膜底部设有衬底，待测薄膜与衬底构成样品，样品非悬浮设置；纵向为垂直于待测薄膜的方向；S2、用3ω法，以第一金属条为加热源，测得待测薄膜纵向方向上的温升，结合已测得的纵向热导率KY推导出待测薄膜纵向方向上的热功率PY；同时测得第一金属条的温升ΔT1，以及第一金属条的温升在待测薄膜横向产生的热场导致第二金属条的温升ΔT2；通过第一金属条的电流和电阻计算第一金属条的总功率P；通过第一金属条的电流和电阻的变化量计算第一金属条因电阻变化消耗的热功率P1；所述的第一金属条沉积在所述的样品表面，且第一金属条与所述的第二金属条相互平行、间距为D且长度L相等，第二金属条的线宽大于第一金属条；所述的横向为待测薄膜表面与第一金属条长度方向相互垂直的方向；S3、厚度为d的待测薄膜的横向热导率KX按以下公式计算：按上述方法，所述的第一金属条和第二金属条的材质为Ag、Au或Pt。按上述方法，所述的第一金属条的线宽b1为2～15μm，第二金属条的线宽b2为30～100μm。按上述方法，所述的间距D根据待测薄膜的横向热导率预估值、金属条长度和待测薄膜的厚度而定；所述的待测薄膜的横向热导率预估值为根据文献或其它数据分析出的待测薄膜横向热导率的数量级。按上述方法，所述的待测薄膜为导电薄膜，导电薄膜上覆盖有一层绝缘薄膜，所述的第一金属条和第二金属条沉积在绝缘薄膜上。按上述方法，所述的导电薄膜为待测纳米级厚度的低导热率薄膜，所述的绝缘薄膜为已知高热导率绝缘薄膜，待测薄膜的总厚度的数量级为几十微米。按上述方法，所述的待测薄膜纵向方向上的温升ΔTY由金属条上的温升ΔT减去衬底的温升ΔTS得到。一种测量薄膜横向热导率的装置，其特征在于：它包括：沉积在待测薄膜表面的第一金属条和第二金属条，第一金属条与第二金属条相互平行、间距为D且长度L相等，第二金属条的线宽大于第一金属条；第一金属条和第二金属条上各设有用于3ω法测量用的引脚；待测薄膜底部设有衬底，待测薄膜与衬底构成样品；用于3ω法测量用的交流电流源、2个差分放大器、可调电阻、锁相放大器、数据处理控制器、SMU和直流稳压电源；其中，交流电流源受数据处理控制器控制；交流电流源的输出端、第一差分放大器的输入端和可调电阻的一端用于同时只与第一金属条或第二金属条的引脚连接，可调电阻的另一端接地；第二差分放大器的输入端并联在可调电阻的两端；2个差分放大器的输出端与连接锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与数据处理控制器连接；SMU与第二金属条的引脚连接；直流稳压电源用于给2个差分放大器提供驱动电压；真空装置，用于给待测薄膜提供真空环境；所述的数据处理控制器用于按以下公式计算厚度为d的待测薄膜的横向热导率KX：式中，P为第一金属条的总功率；P1为第一金属条因电阻变化消耗的热功率；KY为待测薄膜的纵向热导率，采用3ω法以第二金属条为加热源测量；ΔT1为第一金属条的温升，ΔT2为第一金属条的温升在待测薄膜横向产生的热场导致第二金属条的温升，用3ω法以第一金属条为加热源测得；纵向为垂直于待测薄膜的方向，横向为待测薄膜表面与第一金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、用3ω法，以第二金属条为加热源，测量待测薄膜的纵向热导率KY；所述的第二金属条沉积在待测薄膜表面，待测薄膜底部设有衬底，待测薄膜与衬底构成样品，样品非悬浮设置；纵向为垂直于待测薄膜的方向；S2、用3ω法，以第一金属条为加热源，测得待测薄膜纵向方向上的温升，结合已测得的纵向热导率KY推导出待测薄膜纵向方向上的热功率PY；同时测得第一金属条的温升ΔT1，以及第一金属条的温升在待测薄膜横向产生的热场导致第二金属条的温升ΔT2；通过第一金属条的电流和电阻计算第一金属条的总功率P；通过第一金属条的电流和电阻的变化量计算第一金属条因电阻变化消耗的热功率P1；所述的第一金属条沉积在所述的样品表面，且第一金属条与所述的第二金属条相互平行、间距为D且长度L相等，第二金属条的线宽大于第一金属条；所述的横向为待测薄膜表面与第一金属条长度方向相互垂直的方向；S3、厚度为d的待测薄膜的横向热导率KX按以下公式计算：

【技术特征摘要】
1.一种测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、用3ω法，以第二金属条为加热源，测量待测薄膜的纵向热导率KY；所述的第二金属条沉积在待测薄膜表面，待测薄膜底部设有衬底，待测薄膜与衬底构成样品，样品非悬浮设置；纵向为垂直于待测薄膜的方向；S2、用3ω法，以第一金属条为加热源，测得待测薄膜纵向方向上的温升，结合已测得的纵向热导率KY推导出待测薄膜纵向方向上的热功率PY；同时测得第一金属条的温升ΔT1，以及第一金属条的温升在待测薄膜横向产生的热场导致第二金属条的温升ΔT2；通过第一金属条的电流和电阻计算第一金属条的总功率P；通过第一金属条的电流和电阻的变化量计算第一金属条因电阻变化消耗的热功率P1；所述的第一金属条沉积在所述的样品表面，且第一金属条与所述的第二金属条相互平行、间距为D且长度L相等，第二金属条的线宽大于第一金属条；所述的横向为待测薄膜表面与第一金属条长度方向相互垂直的方向；S3、厚度为d的待测薄膜的横向热导率KX按以下公式计算：2.根据权利要求1所述的测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：所述的第一金属条和第二金属条的材质为Ag、Au或Pt。3.根据权利要求1所述的测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：所述的第一金属条的线宽b1为2～15μm，第二金属条的线宽b2为30～100μm。4.根据权利要求1所述的测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：所述的间距D根据待测薄膜的横向热导率预估值、金属条长度和待测薄膜的厚度而定；所述的待测薄膜的横向热导率预估值为根据文献或其它数据分析出的待测薄膜横向热导率的数量级。5.根据权利要求1所述的测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：所述的待测薄膜为导电薄膜，导电薄膜上覆盖有一层绝缘薄膜，所述的第一金属条和第二金属条沉积在绝缘薄膜上。6.根据权利要求5所述的测量薄膜横向热导率的方法，其特征在于：所述的导电薄膜为待测纳米级厚度的低导热率薄膜，所述的绝缘薄膜为已知高热导率绝缘薄膜，待测薄膜的总厚度的数量级为几十微米。7.根据权利要求1所述的测量薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪向水，童浩，王开展，王愿兵，周凌珺，蔡颖锐，
申请(专利权)人：武汉嘉仪通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42