[发明专利]一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料热物理性质测量技术领域，具体涉及一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法。

背景技术

金刚石具有极高的的热导率，IIa型天然单晶金刚石的室温热导率高达2000W/m·K，而且随着化学气相沉积技术的发展，CVD法制备的金刚石薄膜的热导率可达到较高的水平，在功率半导体器件、激光器件、微波器件、集成电路的热沉应用已取得一定实效，金刚石薄膜热导率测量已成为金刚石薄膜热沉应用的一个热点问题。目前用于金刚石薄膜热导率的测量的主要方法是TPDS—光热偏转法，TPDS—光热偏转薄膜热导率测试仪价格非常昂贵，对测试环境要求高，室温要恒定，怕震动和干涉，测量一次需时半小时以上，而且对测试样品的形状也有一定的要求。

发明内容

本发明针对TPDS—光热偏转法的不足，提出一种金刚石薄膜热导率测量装置及测量方法，该方法通过红外热成像技术获取待测金刚石薄膜样表面热图，通过分析所述待测金刚石薄膜表面热图热辐射温度分布变化数据计算得到热导率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金刚石薄膜热导率测量装置，包括悬空载物台、红外热像仪、加热激光光源、红外热像仪控制系统以及红外热图分析系统，悬空载物台上端用于放置待测金刚石薄膜样品，红外热像仪设置于悬空载物台上端，红外热像仪连接于用于对红外热像仪进行参数设定与控制的红外热像仪控制系统，红外热图分析系统串行通信接口与红外热像仪连接，通过红外热图分析系统提取不同时刻待测样品表面热辐射温度图像上不同像素点的热辐射温度，加热激光光源用于待测金刚石薄膜样品加热。

进一步的，红外热像仪控制系统用于控制红外热像仪的焦距、分辨率、热图存储方式和热图记录速度。

进一步的，加热激光光源通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的右方，通过调整支架高度使得热激光光源发出的激光束正对待测金刚石薄膜样品的侧面。

进一步的，红外热像仪采用Indigo System的中红外相机PhoenixTM，像素为320×256，热图记录速度345张/秒，室温分辨为0.016K，红外热像仪通过支架固定在待测金刚石薄膜样品的正上方，通过调整支架高度进行摄像视场范围调节，使得待测金刚石薄膜样品全部进入摄像视场范围，对待测样品表面热辐射温度图像进行拍摄。

进一步的，其中悬空载物台包括Si衬底和设置在Si衬底上端的楔形SiO₂支撑台，Si衬底的直径为2.54cm，厚度为3mm。

进一步的，加热激光光源采用一束波长248nm，脉冲宽度38ns,功率150W的KrF准分子激光。

一种金刚石薄膜热导率测量方法，具体包括以下步骤：

1)、首先通过红外热成像仪连续获取若干幅待测金刚石薄膜表面的热辐射温度图像，

2)、在时刻t₀的热辐射温度图像中选择N个间距为d的等间距待测像素点p_i，i＝1，2，...，N，在热辐射温度图像得到温度传导方向上p_i像素点与p_i+1像素点在t₀时刻的热辐射温度分别为计算出温度梯度

3)、选择时刻t＝t₀+Δt的热辐射温度图，计算热辐射温度图像上p_i像素点与p_i+1像素点热辐射温度变化率

4)、然后计算各待测像素点相对热导率

5)、计算各待测金刚石薄膜相对热导率

6)、计算得到比例系数其中λ₀和分别为已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率；

7)、计算待测金刚石薄膜的热导率

进一步的，步骤1)中，将待测金刚石薄膜样品放置在载物台上，用加热激光光源从待测金刚石薄膜样品右侧面注入热量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种金刚石薄膜热导率测量装置及方法，通过采用红外热像仪测量待测金刚石薄膜热传导分布图，通过分别计算热传导过程中成像的温度梯度，进而得到热辐射温度变化率，从而计算得到各待测金刚石薄膜的相对热导率，再通过已知热导率的金刚石薄膜的热导率和相对热导率计算得到比例系数，从而得到待测金刚石薄膜的热导率，本发明具有测量精度高、操作简单、对测量环境要求低，测量速度快，红外热像仪与待测金刚石薄膜样品非直接接触，测量结果准确度高，对待测金刚石薄膜样品的形状没有特殊的要求。