[发明专利]薄膜热导率的测量装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料，特别是一种薄膜热导率的测量装置和测量方法。

技术背景

随着现在技术向微型化和小型化发展，材料的热性能参数对结构性能的影响越来越大，特别是微电子领域，微机电系统和微流控芯片，热导率是一个非常重要的热物性参数，单一结构产生的热量已不能够被忽视，器件的散热已成为非常重要的问题；由于薄膜的厚度很小，薄膜的热导率与块体材料的热导率有很大的差异，因此如何测量薄膜的热导率已经成为材料研究者十分关注的问题。

材料热导率的测量方法有很多，比如交流量热法、3ω方法、微桥法、闪光法等。交流量热法是指激光束经调制后照射在薄膜样品上，光斑比样品面积大一些，使得样品上表面温度分布均匀。样品上呈现出与调制频率同频的交变温度波，在样品表面的热电偶可以检测到它。3ω方法是指频率为ω的正弦电流流过加热器时，产生频率为2ω的热量，导致样片温度上升。由于金属条的电阻值随温度变化而变化，所以在量热器两端产生一个包括ω和3ω成分的电压降，可用锁相放大器将3ω电压降提取出来，得到量热器上的平均温度变化；微桥法是用微型加热器加热单层无衬底薄膜，用微热敏电阻或热电偶测量温度的变化，从而测得薄膜材料的热导率及热扩散率；闪光法是指测量薄膜样品垂直表面方向的热扩散率时，在样品的一面施加脉冲激光，激光能量转化为瞬态热流，使得样品温度升高，通过测量样品另一面的温度响应即可确定样品的热扩散率。

在以上方法测量中，需要材料表面进行热电极的沉积和温度传感器对温度的变化进行定量的测量，会对材料表面进行破坏，尤其当材料为薄膜时，其制作难度大大增加；而纳秒激光瞬态热发射法只需采用很小的激光能量，无需与材料接触，只需要测量激光强度的相对变化即可得出材料的热导率。

发明内容

本发明提供一种薄膜热导率的测量装置和测量方法；该方法简单、无需接触和加热，只需知道金属表面温度的相对变化关系即可拟合，加热激光的脉宽和周期可任意变化，可测量不同结构的薄膜表面热导率。

本发明的技术解决方案如下：

一种薄膜热导率的测量装置，包括泵浦光路、探测光路和探测光的反射光路，其特点在于：

所述的泵浦光路包括信号发生器，在信号发生器的输出方向是405nm激光器，沿405nm激光器激光输出方向，依次是405nm的介质镜，铝镜、第一聚焦物镜，经过第一聚焦物镜后聚焦在位于样品台上的待测样品上；

所述的探测光路包括658nm激光器，沿658nm激光器激光输出方向依次是二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、所述的405nm的介质镜、铝镜、第一聚焦物镜聚焦在位于样品台上的待测样品上；

所述的探测光的反射光路，经待测样品表面反射的反射光，依次经第一聚焦物镜、铝镜、405nm的介质镜、四分之一波片进入偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射后经第二聚焦物镜聚焦到光电探测器上，该光电探测器的信号经示波器与计算机相连，所述的二分之一玻片和四分之一玻片是658nm激光的二分之一玻片和四分之一玻片。

利用上述薄膜热导率的测量装置进行薄膜热导率的测量方法，该方法包括步骤如下：

①测薄膜样品制备：在待测样品的表面溅射或蒸镀一层金属薄膜；

②瞬态热反射装置调试：首先，通过信号发生器控制405nm激光器输出405nm激光的脉宽并将输出的激光作为加热激光，调节405nm的介质镜和铝镜的位置使加热激光进入第一聚焦物镜；

其次，将658nm激光器打开作为探测激光，调节658nm激光器的位置使得探测光的中心与加热光重合；658nm激光器输出658nm激光与405nm激光合成一束后经聚焦物镜聚焦到金属薄膜表面；

调节二分之一玻片和四分之一玻片的角度，使得探测光经金属薄膜表面的反射光进入所述的光电探测器中；

③热导率测量：将待测样品放置在样品台上，打开658nm激光，调节样品台在垂直激光方向的位置，使得658nm激光经待测样品反射的反射光在示波器上强度最大；再将405nm激光器打开，通过调整所述的偏振分光棱镜的偏振方向，使反射的658nm激光强度不断变化地进入所述的光电探测器和示波器，来得到反射光强度的变化；

所述的示波器采用平均512次的模式对反射的658nm激光强度随时间的变化记录下来，得到反射光强度随时间变化的曲线，并传输至所述的计算机；

④数据拟合：将一维热传导方程在频域上得出温度随时间变化的解析解，利用反拉普拉斯变化得到时域上的解，结合数值解和测试的数据对热导率进行拟合，得到待测样品的热导率参数。