一种测量薄膜纵向热导率的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量薄膜纵向热导率的方法。本装置包括锁相放大器，电流源函数发生器，差分放大器，可调电阻器，金属线，热电模块，直流稳压源。本方法为可克服因长度、宽度带来的测量误差的一种更加精确的3ω法测量薄膜纵向热导率的方法。本发明通过沉积不同宽度、长度的金属线，进行多次不同宽度、长度测量，克服因长度、宽度带来的测量误差，同时可以测试不同导电性能的薄膜材料。本测试方法基于差分3ω法原理，操作方便，响应快，测量精度高。
【专利说明】一种测量薄膜纵向热导率的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料性能测试【技术领域】，具体涉及一种测量薄膜纵向热导率的装置及方法。
【背景技术】
[0002]上世纪80年代末，Cahill提出利用3 ω法来测试材料的热导系数，3 ω法是一种瞬态测量方法，主要可用于测试垂直薄膜方向的热导系数。相对于其他薄膜热物理性能测试方法而言，3 ω法利用金属加热线的温度波动与有限宽度加热源的热传导理论模型相结合来确定材料的热导系数，不需要花费很长时间来保持热流的稳定，并能够有效降低热辐射对测试结果精度的影响，从而可以提高测试的速度和精度。3ω法经过多年不断地发展，目前已成为薄膜热导系数测试的一种重要手段。测量原理:当金属线中通以频率为ω的交流电流时会产生频率为2ω的焦耳热，并导致金属线温度的波动。对于纯金属而言，其电阻与温度成线性关系，因此，金属线中将出现频率为2ω的震荡电阻。这个频率为2ω的震荡电阻与频率为ω的交流电流共同作用，于是就得到了频率为3ω的电压，通过测量3ω电压，就可以得到金属线的温度波动情况。将3ω方法直接应用于金属薄膜热导测量，会由于加热元件和被测材料热学性质相近，引入较大的测量误差，因此传统的3 ω方法无法直接应用于金属薄膜材料，而且对于加热金属线的选择也至关重要，因为加热金属线越长，测量的频率上限越高，下限越低，但是太长，难以保证条宽均匀，从而导致热流分布不均匀。加热金属线越窄，用于测量的频率下限就越高，可利用的范围就越窄；宽度太大，又会使得他与薄膜的热渗透相当，温度分布于加热频率的对数之间关系不能线性化，也会给热导率测量带来较大误差。
【发明内容】
[0003]针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种测量薄膜纵向热导率的装置及方法，如果待测薄膜是非绝缘材料，可以在待测薄膜和加热金属线之间增加一个绝缘层，起到绝缘的作用，同时可以测量导体、半导体、绝缘体材料的薄膜，同时通过微加工工艺沉积多种不同宽度、长度加热金属线，进行加热金属线选择性的测量，增加测量的准确性，提高精度。
[0004]为达到上述目的，本发明的技术方案是:
1.一种测量薄膜纵向热导率的装置，包括:锁相放大器，电流源函数发生器，差分放大器，可调电阻器，金属线，温控台热电模块和直流稳压源。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；所述的金属线引出四个接触电极用来连线，包括第一，第二，第三，第四4个接触电极；所述电流源函数发生器与金属线接触电极相连，用来给金属线产生设定值的电流；第三金属线接触电极与差分放大器相连，用来放大电压信号；第二金属线接触电极与可调电阻器相连；可调电阻器与第二差分放大器相连，用来放大电压信号；与金属线和可调电阻器分别经第一和第二差分放大器与锁相放大器相连，用来提取电压信号；直流稳压源与温控台热电模块相连，用来提供均匀的加热。
[0005]2.根据权利要求书I所述的测量薄膜纵向热导率的装置，其特征在于:所述金属线根据设计而具有不同线宽和线长。
[0006]3.根据权利要求书所述的测量薄膜纵向热导率的装置，其特征在于:所述待测薄膜是导电薄膜或者非导电薄膜，形状任意。
[0007]
4.一种测量薄膜纵向热导率的方法，采用上述装置进行测量，包括待测薄膜样品制备金属线和热导测试步骤，其特征在于:
1)所述待测薄膜制备金属线的步骤如下:
(1)用磁控溅射分别在待测薄膜样品和参考样品正面镀上绝缘层，如果是导电薄膜样品需要采取这一步；
(2)在待测薄膜样品正面，使用光刻胶进行光刻形成多种不同宽度、长度的金属线图案，同时对参考样品做相同的处理；
(3)对所述两个样品的图案进行反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀；
(4)在所述待测薄膜样品、参考样品正面用磁控溅射镀上连接层Ti膜和金属线Ag膜； (5)镀完金属线薄膜，进行光刻胶的剥离；
2)所述热导测试步骤如下:
(1)直流稳压电源连接到一个温控台热电模块，把参考样品放置于温控台热电模块上，并把热电偶线用高温胶带固定在参考样品上；
(2)打开电流源函数发生器、锁相放大器和差分放大器的电源，在电流源上选择电流为有效值模式；
(3)将四个探针分别接触我们镀出来参考样品的金属线上，用四探针法测金属线的电
阻；
(4)打开直流稳压源的电源，给温控台热电模块电压，进行加热，通过数据采集装置采集金属线电阻和温度之间的关系，通过线性拟合，得到斜率，进一步获得参考样品电阻温度系数；
(5)通过电流源给予金属线一定值的电流，调节可变电阻箱的电阻值，使得锁相放大器的检测示数为最小；
(6)选择锁相放大器的3倍频率，并通过改变电流源的输入的电流频率，同时用数据采集装置获得参考样品3倍频率的电压；
(7)用之前得到的参考样品的电阻温度系数和3倍频率的电压代入理论公式:
Tia =ι^=2'^--,式;中代表待测j 薄膜(2b)的温度
波动，L代表金属线的3倍频率代表输入金属线的电流值，代表电阻温度系数；
(8)将参考样品换成待测薄膜样品，打开直流稳压源的电源，给温控台电压，进行加热，通过数据采集装置采集待测薄膜金属线电阻和温度之间的关系，通过线性拟合，得到斜率，进一步获得待测薄膜的电阻温度系数
(9)通过知道参考样品和待测薄膜样品，且保证参考样品和待测薄膜样品有相同的输入功率，决定输入待测薄膜的电流，并进行相应的电阻温度系数和3倍频率的测试；
(10)用得到的待测薄膜样品的电阻温度系数和3倍频率的电压代入理论公式:
【权利要求】
1.一种测量薄膜纵向热导率的装置，包括:锁相放大器(3f)，电流源函数发生器(3c)，差分放大器(3e)，可调电阻器(3g)，金属线(3d)，温控台热电模块(3b)和直流稳压源(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);所述的金属线(3d)引出四个接触电极用来连线，包括第一，第二，第三，第四4个接触电极(3dl，3d2，3d3，3d4);所述电流源函数发生器(3c)与金属线接触电极(3dl)相连，用来给金属线(3d)产生设定值的电流；第三金属线接触电极(3d3)与差分放大器(3el)相连，用来放大电压信号；第二金属线接触电极(3d2)与可调电阻器(3g)相连；可调电阻器(3g)与第二差分放大器(3e2)相连，用来放大电压信号；与金属线(3d)和可调电阻器(3g)分别经第一和第二差分放大器(3el，3e2)与锁相放大器(3f)相连，用来提取电压信号；直流稳压源(3a)与温控台热电模块(3b)相连，用来提供均匀的加热。
2.根据权利要求书I所述的测量薄膜纵向热导率的装置，其特征在于:所述金属线(3d)根据设计而具有不同线宽和线长。
3.根据权利要求书所述的测量薄膜纵向热导率的装置，其特征在于:所述待测薄膜是导电薄膜或者非导电薄膜，形状任意。
4.一种测量薄膜纵向热导率的方法，包括待测薄膜样品制备金属线和热导测试步骤，其特征在于: 所述待测薄膜制备金属线的步骤如下: 用磁控溅射分别在待测薄膜样品(2a)和参考样品(2b)正面镀上绝缘层，如果是导电薄膜样品需要采取这一步； 在待测薄膜样品正面，使用光刻胶进行光刻形成多种不同宽度、长度的金属线图案，同时对参考样品做相同的处理； 对所述两个样品的图案进行反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀； 在所述待测薄膜样品(2a)、参考样品(2b)正面用磁控溅射镀上连接层Ti膜和金属线Ag膜； 镀完金属线(3d)薄膜，进行光刻胶的剥离； 所述热导测试步骤如下: 直流稳压电源(3a)连接到一个温控台热电模块(3b)，把参考样品(2b)放置于温控台热电模块(3b)上，并把热电偶线用高温胶带固定在参考样品(2b)上； 打开电流源函数发生器(3c)、锁相放大器(3f)和差分放大器(3e)的电源，在电流源上选择电流为有效值模式； 将四个探针分别接触我们镀出来参考样品(2b)的金属线(3d)上，用四探针法测金属线的电阻； 打开直流稳压源(3a)的电源，给温控台热电模块(3b)电压，进行加热，通过数据采集装置采集金属线电阻和温度之间的关系，通过线性拟合，得到斜率，进一步获得参考样品(2b)电阻温度系数； 通过电流源给予金属线(3d) —定值的电流，调节可变电阻箱(3g)的电阻值，使得锁相放大器(3f)的检测示数为最小； 选择锁相放大器(3f)的3倍频率，并通过改变电流源的输入的电流频率，同时用数据采集装置获得参考样品3倍频率的电压；用之前得到的参考样品(2b)的电阻温度系数和3倍频率的电压代入理论公式:，得到参考样品温度的波动值，式中TL (?)代表待测薄膜(2b)的温度波动，代表金属线的3倍频 率，/代表输入金属线的电流值
【文档编号】G01N25/20GK104034752SQ201410267294
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】胡志宇, 叶锋杰, 曾志刚, 林聪 , 张海明 申请人:上海大学