连续型、脉冲型频域光热反射法信号敏感度分析比较.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123642
连续型、脉冲型频域光热反射法信号敏感度分析比较
徐先锋1,2,唐大伟1
(, 北京 100190; , 北京 100049)
(Tel:010-82543062, E-mail:******@.)
摘要:本文基于光热反射技术的原理,采用柱坐标下的傅里叶导热模型,以矩阵传递的形式,推导并计算得出了连续型、脉冲型频域光热反射法(Frequency-domain thermoreflectance, FDTR)的理论相位表达式,比较了两者测量铝膜-基底结构的信号敏感度,得到了不同基底热导率和界面热导薄膜样品情况下的FDTR实验测量方法选择的理论依据。结合最佳拟合频率段的选取,采用合适的FDTR测量方法可得到更高精度的材料热物性参数实验测量结果。
关键词:连续型、脉冲型FDTR;传递矩阵法;薄膜-基底结构;界面热导;敏感度分析
0 前言
近年来,材料热物性测量的需求与日俱增,特别是微/纳机电系统器件中的薄膜测量、半导体工业/陶瓷工业/钢铁工业等中的缺陷诊断等,大多数研究对象可视为层状结构。
在微/纳米材料热物性分析中,FDTR方法是测量薄膜系统热导率和层间界面热导的有效方法之一。Schmidt等[1]指出目前较为常用的FDTR方法有:连续型FDTR方法[2-4]和脉冲型FDTR方法[5-8],并给出了各自的典型实验系统设置图。前者系统简单易行,成本较低,但测量信号较弱;后者实验测量信号较强,且能与时域光热反射法[9](Time-domain thermoreflectance, TDTR)快速切换,但存在测量成本较高等问题。Hopkins等[10]对连续型FDTR方法和TDTR方法的热导率及界面热导信号敏感度进行比较,认为界面热阻和基底热阻大小相当时,连续型FDTR方法具有更高的测量敏感度,其余情况下则TDTR方法优于前者。
Bu等[11]采用连续型FDTR方法对Al/SiO2/Si三层结构进行实验研究,得到纳米SiO2膜的热导率小于体材料参数并与厚度相关,而且发现Al/SiO2界面热阻与SiO2膜的热阻可比拟。Schmidt等采用脉冲型FDTR方法同时得到两层结构不同基底的热导率、体积热容以及Al/基底界面热导[1],还得到纳米Au膜和Al膜的厚度及热导率,并分别与AFM厚度扫描结果以及通过电导率结合Wiedemann-Franz定律计算的热导率很好地符合[7]。Zhu等[9]采用脉冲型FDTR方法及TDTR方法分别对Al/SiO2/Si三层结构进行实验研究,得到纳米SiO2膜的热导率、SiO2/Si界面热导,两种方法所得结果吻合较好。
本文采用傅里叶导热模型,以矩阵传递的形式,推导并计算得出了连续型、脉冲型FDTR方法用于多层薄膜结构测量的理论响应曲线,比较了两种方法用于测量铝膜-基底结构的信号敏感度,从而为不同基底热导率、界面热导薄膜样品的FDTR方法选择提供理论依据。
1 理论推导
FDTR方法是采用频率调制方法对纳米薄膜多层结构进行研究,该方法的测量原理是:周期调制的连续或脉冲激光加热样品,能量被样品表面吸收并向下传递,引起表面温度的周期变化
;连续或脉冲激光作为探测光照射样品表面该位置