[發明專利]一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導率測量方法

在審

• 申請號: 201710370634.X
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107102026A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 陳小源;張武康;方小紅;李東棟;陳海燕
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海高等研究院
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 唐棉棉

技術領域

本發明屬于微納米尺度熱系數測量領域，特別是涉及一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導率測量方法。

背景技術

在微電子等高科技領域中，薄膜材料在MEMS以及微電子器件設計以及制作過程中不可或缺，而薄膜材料的熱導率、比熱和熱擴散率等熱參數性能對決定器件以及集成電路的散熱性能。隨著集成電路小型化以及高度集成化，薄膜材料的熱導率直接影響器件的熱噪聲進而影響其集成電路運行的速度以及可靠性，因此薄膜材料的熱導率測量具有重要意義。

薄膜熱導率測量方法中較為成熟的方法為Cahill所發明的3ω法(Cahill D G.Thermal conductivity measurement from 30 to 750 K:the 3ωmethod[J].Review of scientific instruments,1990,61(2):802-808.)，該方法是通過在薄膜上度金屬層，利用微/納米薄膜材料導熱引起加熱器電信號的變化來檢測其熱導率。這種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，同時不直接測量溫度變化而是通過測量材料在導熱過程中溫度的變化轉換為的電信號的變化來實現微/納米薄膜材料的熱導率。但是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，產生缺陷，對聲子的散射影響較大，降低材料的熱導率。Perichon等人提出了基于顯微拉曼(Raman)光譜的薄膜熱導率測量方法(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率直接相關，同時被測試樣的Raman譜峰位置與試樣的溫度有對應關系。該方法采用光學方法測量薄膜表面熱導率，對待測薄膜不產生損傷。基于顯微Raman法測量薄膜熱導率測量不同薄膜材料都得重新標定待測薄的膜Raman譜峰位移量與溫度的關系，且該方法只能用于測量拉曼峰位置與溫度有著一定規律關系的薄膜材料熱導率，局限性較大。

針對現有薄膜熱導率測量方法的問題，本發明通過在薄膜表面引入微納熒光顆粒作為溫度傳感器，可以實現薄膜熱導率無損、精確測量。利用溫度與受激的關系發光性能，通過光譜分析技術實現微納熒光顆粒溫度傳感器功能，由于微納熒光顆粒的粒徑較小(一般在1-10nm)因此可以用于微納尺度物體以及生物細胞的溫度測量，在測量中微納熒光顆粒由于粒徑小同時可以很好的貼合在被測物體上對測量結果產生的界面溫度差可以忽略不計且對被測物體無熱擾動使得被測物體溫度測量的結果精度很高，該方法彌補了3ω法以及Raman光譜的不足，能夠更加精確測量薄膜表面溫度同時降低了測量時的界面溫差對結果的影響。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導率測量方法，用于解決現有技術中3ω法測量薄膜熱導率時界面熱阻、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。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導率測量方法，其特征在于，所述測量方法至少包括：

提供微納熒光顆粒，加熱所述微納熒光顆粒，通過測量所述微納熒光顆粒PL譜特征峰位移與溫度變化的關系，確定溫度系數；

將待測薄膜置于襯底上，并在所述待測薄膜表面放置吸收熱源和所述微納熒光顆粒；

利用激光照射所述待測薄膜，通過測量所述微納熒光顆粒的PL譜特征峰位移與激光功率變化的關系，確定關系斜率；

最后結合所述吸收熱源的光功率吸收系數以及所述待測薄膜的形狀特征參數，實現薄膜熱導率的測量。

優選地，所述測量方法具體包括如下步驟：

1-1)提供一襯底，所述襯底上放置懸空寬度為w、厚度為h的待測薄膜，并在所述待測薄膜表面放置一吸收熱源和兩個距離為l的微納熒光顆粒；