[发明专利]一种基于微纳荧光颗粒的薄膜热导率测量方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米尺度热系数测量领域，特别是涉及一种基于微纳荧光颗粒的薄膜热导率测量方法。

背景技术

在微电子等高科技领域中，薄膜材料在MEMS以及微电子器件设计以及制作过程中不可或缺，而薄膜材料的热导率、比热和热扩散率等热参数性能对决定器件以及集成电路的散热性能。随着集成电路小型化以及高度集成化，薄膜材料的热导率直接影响器件的热噪声进而影响其集成电路运行的速度以及可靠性，因此薄膜材料的热导率测量具有重要意义。

薄膜热导率测量方法中较为成熟的方法为Cahill所发明的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.)，该方法是通过在薄膜上度金属层，利用微/纳米薄膜材料导热引起加热器电信号的变化来检测其热导率。这种方法能够测量尺寸极小的薄膜样品且能有效减小黑体辐射引起的测量误差，同时不直接测量温度变化而是通过测量材料在导热过程中温度的变化转换为的电信号的变化来实现微/纳米薄膜材料的热导率。但是3ω法未考虑金属层与待测膜的界面热阻、膜的各向异性以及金属条形状厚度对测量结果都有较大的影响，同时在光刻金属层过程可能会对膜造成损伤，产生缺陷，对声子的散射影响较大，降低材料的热导率。Perichon等人提出了基于显微拉曼(Raman)光谱的薄膜热导率测量方法(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光谱效即：使用激光束照射被测试样，会在照射处引起试样的局部温升，该温升与试样的热导率直接相关，同时被测试样的Raman谱峰位置与试样的温度有对应关系。该方法采用光学方法测量薄膜表面热导率，对待测薄膜不产生损伤。基于显微Raman法测量薄膜热导率测量不同薄膜材料都得重新标定待测薄的膜Raman谱峰位移量与温度的关系，且该方法只能用于测量拉曼峰位置与温度有着一定规律关系的薄膜材料热导率，局限性较大。

针对现有薄膜热导率测量方法的问题，本发明通过在薄膜表面引入微纳荧光颗粒作为温度传感器，可以实现薄膜热导率无损、精确测量。利用温度与受激的关系发光性能，通过光谱分析技术实现微纳荧光颗粒温度传感器功能，由于微纳荧光颗粒的粒径较小(一般在1-10nm)因此可以用于微纳尺度物体以及生物细胞的温度测量，在测量中微纳荧光颗粒由于粒径小同时可以很好的贴合在被测物体上对测量结果产生的界面温度差可以忽略不计且对被测物体无热扰动使得被测物体温度测量的结果精度很高，该方法弥补了3ω法以及Raman光谱的不足，能够更加精确测量薄膜表面温度同时降低了测量时的界面温差对结果的影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微纳荧光颗粒的薄膜热导率测量方法，用于解决现有技术中3ω法测量薄膜热导率时界面热阻、膜的各向异性以及金属条形状厚度和薄膜损伤等对热导率造成影响以及利用显微Raman法测量局限性大等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于微纳荧光颗粒的薄膜热导率测量方法，其特征在于，所述测量方法至少包括：

提供微纳荧光颗粒，加热所述微纳荧光颗粒，通过测量所述微纳荧光颗粒PL谱特征峰位移与温度变化的关系，确定温度系数；

将待测薄膜置于衬底上，并在所述待测薄膜表面放置吸收热源和所述微纳荧光颗粒；

利用激光照射所述待测薄膜，通过测量所述微纳荧光颗粒的PL谱特征峰位移与激光功率变化的关系，确定关系斜率；

最后结合所述吸收热源的光功率吸收系数以及所述待测薄膜的形状特征参数，实现薄膜热导率的测量。

优选地，所述测量方法具体包括如下步骤：

1-1)提供一衬底，所述衬底上放置悬空宽度为w、厚度为h的待测薄膜，并在所述待测薄膜表面放置一吸收热源和两个距离为l的微纳荧光颗粒；