[發(fā)明專利]一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710370078.6
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107144596A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳小源;張武康;方小紅;李東棟;陳海燕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海高等研究院
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所31219
• 代理人: 唐棉棉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納米尺度熱系數(shù)測量領(lǐng)域，特別是涉及一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體器件、微機電系統(tǒng)(MEMS)、超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，微納米薄膜材料的熱導(dǎo)率對于器件的散熱越來越重要。例如，在運行高密度的集成電路時，必需要把產(chǎn)生的熱量盡快散發(fā)掉，以減少熱噪聲從而影響到CPU速度的提高。顯然，計算機所用薄膜材料的熱導(dǎo)率直接關(guān)系到其中芯片以及集成電路散熱的能力。此外，熱導(dǎo)率也影響著薄膜的制備，微尺度傳熱研究可以對薄膜成核生長和使用過程的熱傳輸做出計算，熱物理參數(shù)是保證這種模擬可靠的關(guān)鍵。由于微尺度下薄膜材料具有量子效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)使得微尺度傳熱有著更明顯的尺寸效應(yīng)。

目前雖然有一些薄膜材料熱導(dǎo)率的測試方法已被報道，但其測量方法中誤差等不確定因素較多，且測量較為繁瑣。薄膜材料的熱導(dǎo)率測量中溫度測量尤為重要為。較為成熟的測量方法為Cahill的3ω法(Cahill D G.Thermal conductivity measurement from 30to 750K:the 3ω method[J].Review of scientific instruments,1990,61(2):802-808.)，主要采用傳統(tǒng)的溫度測量即在待測薄膜表面鍍金屬層，通過電阻的變化來表征薄膜表面溫度的變化。該方法能夠測量尺寸極小的薄膜樣品且能有效減小黑體輻射引起的測量誤差。該方法缺點也較為明顯，3ω法未考慮金屬層與待測膜的界面熱阻、膜的各向異性以及金屬條形狀厚度對測量結(jié)果都有較大的影響，同時在光刻金屬層過程可能會對膜造成損傷，產(chǎn)生缺陷，對聲子的散射影響較大，降低材料的熱導(dǎo)率。Perichon等人提出了基于顯微拉曼(Raman)光譜的薄膜熱導(dǎo)率測量方法 (Perichon S,Lysenko V,Remaki B,et al.Measurement of porous silicon thermal conductivity by micro-Raman scattering[J].Journal of Applied Physics,1999,86(8):4700-4702.)，其原理主要基于Raman光譜效即：使用激光束照射被測試樣，會在照射處引起試樣的局部溫升，該溫升與試樣的熱導(dǎo)率直接相關(guān)，同時被測試樣的Raman譜峰位置與試樣的溫度有對應(yīng)關(guān)系。該方法采用光學(xué)方法進行薄膜熱導(dǎo)率的測量，通過Raman峰的位移量來表征待測薄膜表面的溫度，對待測薄膜不產(chǎn)生損傷。基于Raman法測量薄膜熱導(dǎo)率測量不同材料的膜都得重新標定待測膜Raman譜峰位移量與溫度的關(guān)系，且該方法具有一定的局限性，只能用于測量Raman峰位移量與溫度具有較好線性關(guān)系的材料。

微納熒光顆粒受到一定波長的激光照射其激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下，向低能態(tài)或基態(tài)躍遷時，輻射光子產(chǎn)生熒光現(xiàn)象。由于受量子尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)的影響，半導(dǎo)體微納熒光顆粒顯示出獨特的發(fā)光特性。主要表現(xiàn)為：(1)半導(dǎo)體微納熒光顆粒的發(fā)光性質(zhì)可以通過改變微納熒光顆粒的尺寸來加以調(diào)控；(2)半導(dǎo)體微納熒光顆粒具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對稱的熒光譜峰(半高全寬只有40nm)；(3)半導(dǎo)體微納熒光顆粒具有較高的發(fā)光效率。在其他影響因素中，溫度的變化對微納熒光顆粒發(fā)射光子的性質(zhì)有著很大的影響。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中3ω法測量薄膜熱導(dǎo)率時界面熱阻、膜的各向異性以及金屬條形狀厚度和薄膜損傷等對熱導(dǎo)率造成影響以及利用顯微Raman法測量局限性大等的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種所述測量系統(tǒng)至少包括：樣品結(jié)構(gòu)模塊、成像光路模塊以及激光發(fā)射和光譜測量模塊；

所述樣品結(jié)構(gòu)模塊至少包括襯底、待測薄膜、吸收熱源和微納熒光顆粒；其中，所述待測薄膜置于所述襯底上，所述吸收熱源和微納熒光顆粒放置在所述待測薄膜表面；或者所述微納熒光顆粒直接放置在所述襯底上；

所述成像光路模塊安裝在所述樣品結(jié)構(gòu)模塊的上方，用于提取所述待測薄膜的形狀特征參數(shù)；

所述激光發(fā)射和光譜測量模塊用于照射待測薄膜以使所述吸收熱源吸收激光能量產(chǎn)生熱量，同時使微納熒光顆粒受到激光激發(fā)產(chǎn)生熒光，并對光譜進行測量。

優(yōu)選地，所述成像光路模塊至少包括光源、第一半透半反射鏡、選擇窗口、物鏡以及圖像傳感器；

所述選擇窗口包括有反射鏡一側(cè)和無反射鏡一側(cè)；