一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的方法。本裝置包括鎖相放大器，電流源函數(shù)發(fā)生器，差分放大器，可調(diào)電阻器，金屬線，熱電模塊，直流穩(wěn)壓源。本方法為可克服因長度、寬度帶來的測量誤差的一種更加精確的3ω法測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的方法。本發(fā)明通過沉積不同寬度、長度的金屬線，進(jìn)行多次不同寬度、長度測量，克服因長度、寬度帶來的測量誤差，同時可以測試不同導(dǎo)電性能的薄膜材料。本測試方法基于差分3ω法原理，操作方便，響應(yīng)快，測量精度高。
【專利說明】一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料性能測試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]上世紀(jì)80年代末，Cahill提出利用3 ω法來測試材料的熱導(dǎo)系數(shù)，3 ω法是一種瞬態(tài)測量方法，主要可用于測試垂直薄膜方向的熱導(dǎo)系數(shù)。相對于其他薄膜熱物理性能測試方法而言，3 ω法利用金屬加熱線的溫度波動與有限寬度加熱源的熱傳導(dǎo)理論模型相結(jié)合來確定材料的熱導(dǎo)系數(shù)，不需要花費(fèi)很長時間來保持熱流的穩(wěn)定，并能夠有效降低熱輻射對測試結(jié)果精度的影響，從而可以提高測試的速度和精度。3ω法經(jīng)過多年不斷地發(fā)展，目前已成為薄膜熱導(dǎo)系數(shù)測試的一種重要手段。測量原理:當(dāng)金屬線中通以頻率為ω的交流電流時會產(chǎn)生頻率為2ω的焦耳熱，并導(dǎo)致金屬線溫度的波動。對于純金屬而言，其電阻與溫度成線性關(guān)系，因此，金屬線中將出現(xiàn)頻率為2ω的震蕩電阻。這個頻率為2ω的震蕩電阻與頻率為ω的交流電流共同作用，于是就得到了頻率為3ω的電壓，通過測量3ω電壓，就可以得到金屬線的溫度波動情況。將3ω方法直接應(yīng)用于金屬薄膜熱導(dǎo)測量，會由于加熱元件和被測材料熱學(xué)性質(zhì)相近，引入較大的測量誤差，因此傳統(tǒng)的3 ω方法無法直接應(yīng)用于金屬薄膜材料，而且對于加熱金屬線的選擇也至關(guān)重要，因為加熱金屬線越長，測量的頻率上限越高，下限越低，但是太長，難以保證條寬均勻，從而導(dǎo)致熱流分布不均勻。加熱金屬線越窄，用于測量的頻率下限就越高，可利用的范圍就越窄；寬度太大，又會使得他與薄膜的熱滲透相當(dāng)，溫度分布于加熱頻率的對數(shù)之間關(guān)系不能線性化，也會給熱導(dǎo)率測量帶來較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置及方法，如果待測薄膜是非絕緣材料，可以在待測薄膜和加熱金屬線之間增加一個絕緣層，起到絕緣的作用，同時可以測量導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體材料的薄膜，同時通過微加工工藝沉積多種不同寬度、長度加熱金屬線，進(jìn)行加熱金屬線選擇性的測量，增加測量的準(zhǔn)確性，提高精度。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
1.一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置，包括:鎖相放大器，電流源函數(shù)發(fā)生器，差分放大器，可調(diào)電阻器，金屬線，溫控臺熱電模塊和直流穩(wěn)壓源。其特征在于:所述的差分放大器包含第一差分放大器和第二差分放大器；所述的金屬線引出四個接觸電極用來連線，包括第一，第二，第三，第四4個接觸電極；所述電流源函數(shù)發(fā)生器與金屬線接觸電極相連，用來給金屬線產(chǎn)生設(shè)定值的電流；第三金屬線接觸電極與差分放大器相連，用來放大電壓信號；第二金屬線接觸電極與可調(diào)電阻器相連；可調(diào)電阻器與第二差分放大器相連，用來放大電壓信號；與金屬線和可調(diào)電阻器分別經(jīng)第一和第二差分放大器與鎖相放大器相連，用來提取電壓信號；直流穩(wěn)壓源與溫控臺熱電模塊相連，用來提供均勻的加熱。
[0005]2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置，其特征在于:所述金屬線根據(jù)設(shè)計而具有不同線寬和線長。
[0006]3.根據(jù)權(quán)利要求書所述的測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置，其特征在于:所述待測薄膜是導(dǎo)電薄膜或者非導(dǎo)電薄膜，形狀任意。
[0007]
4.一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的方法，采用上述裝置進(jìn)行測量，包括待測薄膜樣品制備金屬線和熱導(dǎo)測試步驟，其特征在于:
1)所述待測薄膜制備金屬線的步驟如下:
(1)用磁控濺射分別在待測薄膜樣品和參考樣品正面鍍上絕緣層，如果是導(dǎo)電薄膜樣品需要采取這一步；
(2)在待測薄膜樣品正面，使用光刻膠進(jìn)行光刻形成多種不同寬度、長度的金屬線圖案，同時對參考樣品做相同的處理；
(3)對所述兩個樣品的圖案進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕；
(4)在所述待測薄膜樣品、參考樣品正面用磁控濺射鍍上連接層Ti膜和金屬線Ag膜； (5)鍍完金屬線薄膜，進(jìn)行光刻膠的剝離；
2)所述熱導(dǎo)測試步驟如下:
(1)直流穩(wěn)壓電源連接到一個溫控臺熱電模塊，把參考樣品放置于溫控臺熱電模塊上，并把熱電偶線用高溫膠帶固定在參考樣品上；
(2)打開電流源函數(shù)發(fā)生器、鎖相放大器和差分放大器的電源，在電流源上選擇電流為有效值模式；
(3)將四個探針分別接觸我們鍍出來參考樣品的金屬線上，用四探針法測金屬線的電
阻；
(4)打開直流穩(wěn)壓源的電源，給溫控臺熱電模塊電壓，進(jìn)行加熱，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集金屬線電阻和溫度之間的關(guān)系，通過線性擬合，得到斜率，進(jìn)一步獲得參考樣品電阻溫度系數(shù)；
(5)通過電流源給予金屬線一定值的電流，調(diào)節(jié)可變電阻箱的電阻值，使得鎖相放大器的檢測示數(shù)為最?。?br> (6)選擇鎖相放大器的3倍頻率，并通過改變電流源的輸入的電流頻率，同時用數(shù)據(jù)采集裝置獲得參考樣品3倍頻率的電壓；
(7)用之前得到的參考樣品的電阻溫度系數(shù)和3倍頻率的電壓代入理論公式:
Tia =ι^=2'^--,式;中代表待測j 薄膜(2b)的溫度
波動，L代表金屬線的3倍頻率代表輸入金屬線的電流值，代表電阻溫度系數(shù)；
(8)將參考樣品換成待測薄膜樣品，打開直流穩(wěn)壓源的電源，給溫控臺電壓，進(jìn)行加熱，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集待測薄膜金屬線電阻和溫度之間的關(guān)系，通過線性擬合，得到斜率，進(jìn)一步獲得待測薄膜的電阻溫度系數(shù)
(9)通過知道參考樣品和待測薄膜樣品，且保證參考樣品和待測薄膜樣品有相同的輸入功率，決定輸入待測薄膜的電流，并進(jìn)行相應(yīng)的電阻溫度系數(shù)和3倍頻率的測試；
(10)用得到的待測薄膜樣品的電阻溫度系數(shù)和3倍頻率的電壓代入理論公式:
【權(quán)利要求】
1.一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置，包括:鎖相放大器(3f)，電流源函數(shù)發(fā)生器(3c)，差分放大器(3e)，可調(diào)電阻器(3g)，金屬線(3d)，溫控臺熱電模塊(3b)和直流穩(wěn)壓源(3a);其特征在于:所述的差分放大器(3e)包含第一差分放大器(3el)和第二差分放大器(3e2);所述的金屬線(3d)引出四個接觸電極用來連線，包括第一，第二，第三，第四4個接觸電極(3dl，3d2，3d3，3d4);所述電流源函數(shù)發(fā)生器(3c)與金屬線接觸電極(3dl)相連，用來給金屬線(3d)產(chǎn)生設(shè)定值的電流；第三金屬線接觸電極(3d3)與差分放大器(3el)相連，用來放大電壓信號；第二金屬線接觸電極(3d2)與可調(diào)電阻器(3g)相連；可調(diào)電阻器(3g)與第二差分放大器(3e2)相連，用來放大電壓信號；與金屬線(3d)和可調(diào)電阻器(3g)分別經(jīng)第一和第二差分放大器(3el，3e2)與鎖相放大器(3f)相連，用來提取電壓信號；直流穩(wěn)壓源(3a)與溫控臺熱電模塊(3b)相連，用來提供均勻的加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置，其特征在于:所述金屬線(3d)根據(jù)設(shè)計而具有不同線寬和線長。
3.根據(jù)權(quán)利要求書所述的測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的裝置，其特征在于:所述待測薄膜是導(dǎo)電薄膜或者非導(dǎo)電薄膜，形狀任意。
4.一種測量薄膜縱向熱導(dǎo)率的方法，包括待測薄膜樣品制備金屬線和熱導(dǎo)測試步驟，其特征在于: 所述待測薄膜制備金屬線的步驟如下: 用磁控濺射分別在待測薄膜樣品(2a)和參考樣品(2b)正面鍍上絕緣層，如果是導(dǎo)電薄膜樣品需要采取這一步； 在待測薄膜樣品正面，使用光刻膠進(jìn)行光刻形成多種不同寬度、長度的金屬線圖案，同時對參考樣品做相同的處理； 對所述兩個樣品的圖案進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕； 在所述待測薄膜樣品(2a)、參考樣品(2b)正面用磁控濺射鍍上連接層Ti膜和金屬線Ag膜； 鍍完金屬線(3d)薄膜，進(jìn)行光刻膠的剝離； 所述熱導(dǎo)測試步驟如下: 直流穩(wěn)壓電源(3a)連接到一個溫控臺熱電模塊(3b)，把參考樣品(2b)放置于溫控臺熱電模塊(3b)上，并把熱電偶線用高溫膠帶固定在參考樣品(2b)上； 打開電流源函數(shù)發(fā)生器(3c)、鎖相放大器(3f)和差分放大器(3e)的電源，在電流源上選擇電流為有效值模式； 將四個探針分別接觸我們鍍出來參考樣品(2b)的金屬線(3d)上，用四探針法測金屬線的電阻； 打開直流穩(wěn)壓源(3a)的電源，給溫控臺熱電模塊(3b)電壓，進(jìn)行加熱，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集金屬線電阻和溫度之間的關(guān)系，通過線性擬合，得到斜率，進(jìn)一步獲得參考樣品(2b)電阻溫度系數(shù)； 通過電流源給予金屬線(3d) —定值的電流，調(diào)節(jié)可變電阻箱(3g)的電阻值，使得鎖相放大器(3f)的檢測示數(shù)為最?。? 選擇鎖相放大器(3f)的3倍頻率，并通過改變電流源的輸入的電流頻率，同時用數(shù)據(jù)采集裝置獲得參考樣品3倍頻率的電壓；用之前得到的參考樣品(2b)的電阻溫度系數(shù)和3倍頻率的電壓代入理論公式:，得到參考樣品溫度的波動值，式中TL (?)代表待測薄膜(2b)的溫度波動，代表金屬線的3倍頻 率，/代表輸入金屬線的電流值
【文檔編號】G01N25/20GK104034752SQ201410267294
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】胡志宇, 葉鋒杰, 曾志剛, 林聰 , 張海明 申請人:上海大學(xué)