[发明专利]同时测量薄膜面内热导率与红外发射率的装置与方法

说明书

本发明涉及一种同时测量薄膜面内热导率与红外发射率的装置与方法，属于薄膜材料及材料热物性领域。本发明利用光加热的方法在薄膜表面形成稳定的温度分布，通过薄膜表面红外辐射空间分布的测试及曲线拟合得到薄膜面内热导率、红外发射率及边缘热流三个参数。本发明采用非接触式测量，操作简单且在进行测量的过程中可以很好的保护薄膜不被损坏。本发明具有装置简单、无接触、引入误差少及适应性强的优点。

技术领域

本发明涉及一种同时测量薄膜面内热导率与红外发射率的装置与方法，属于薄膜材料及材料热物性领域，特别是自悬浮薄膜的面内热导率及发射率的测量。

背景技术

热导率和发射率是薄膜材料的重要物理参数。薄膜材料热导率决定其热传导能力，而发射率表征材料的热辐射能力及辐射换热能力。随着微电子技术的发展，器件尺寸不断减小，内部芯片的高度集成造成热量聚集。薄膜材料作为微电子领域最常用的材料，其导热能力和热辐射能力成为器件小型化的关键。准确测量薄膜材料的热导率和发射率是材料热物性调控的基础。

目前，三维体材料热导率及发射率的测试装置及测试方法已经较为成熟。如基于激光闪光法的激光热导仪及基于平面热流法的Hot Disk等。但是，这些传统方法难以满足厚度为纳米或微米的薄膜材料的热物性测量。瞬态激光反射法及3ω法主要用于对薄膜厚度方向热导率的测量。近年来的研究表明，随着薄膜材料厚度的减小，面内热导率的变化远大于厚度方向热导率的变化，且随着厚度的减小，材料的红外辐射能力降低。因此，对于厚度在微纳量级的薄膜，面内热导率和红外发射率的测量尤为重要。光加热具有可控性强、无接触的特点，而随着红外面阵探测器的发展，采用红外热像仪进行辐射场采集具有无接触、空间分辨率高、温度分辨率高、热噪声小等优点，因此，利用光加热、热像仪测量成为面内热导率测量的重要手段。但是，目前采用的测量方法和装置要么忽略了热辐射，从而无法获得红外发射率信息，要么需要精确的测量被测样品的光吸收率，使测量变得复杂，并影响了面内热导率的测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时测量薄膜面内热导率与红外发射率的装置与方法，可以在不测量样品光吸收率的前提下，实现薄膜材料面内热导率和红外发射率的同时测量，以获得更多的材料热物性信息，并有效提高热导率测量的精度和稳定性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

同时测量薄膜面内热导率与红外发射率方法，包括如下步骤：

步骤一、加热光生成装置产生稳定的加热光场照射到真空腔内的被测薄膜表面，并形成稳态温度分布和稳态红外辐射场；被测薄膜样品厚度方向的尺寸远小于面内方向尺寸，达到稳态时，则认为薄膜厚度方向温度梯度为零；所述加热光场具有较大的长宽比，此时，在长度中心位置，沿长度方向的温度梯度可近似认为是零；

步骤二、被测薄膜沿宽度方向，即轴方向的温度由稳态一维热传导方程计算得到：

其中，T(x)为薄膜表面温度、T₀为环境温度(即薄膜边缘温度)、k为薄膜的面内热导率、d为薄膜厚度、ρ为薄膜密度、C_p为定压比热、ε为薄膜的发射率、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数、x为距离坐标；

步骤三、当薄膜表面温度与环境温度相比变化不大于10k，一维热传导方程的辐射项近似为

σε(T(x)⁴-T₀⁴)≈4εσT₀³(T(x)-T₀) (2)

则热传导方程改写为：

在宽度方向(x轴方向)，被测薄膜加热光场边缘具有恒定的温度梯度