[发明专利]基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法

说明书

一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法，包括泵浦光激光器、泵浦光路功率调节部件、斩波器、泵浦光路反射镜、泵浦光路透镜、透镜二维位移平台、待测样、样品二维位移平台、探测光激光器、探测光路功率调节部件、探测光路反射镜、探测光路透镜、光阑、探测器、探测器二维位移平台、计算机、锁相放大器。本发明通过光热信号的相位与探测距离之间的关系，以及热扩散长度与调制频率的关系计算出薄膜材料的热扩散率。本发明可有效实现对薄膜元件及体材料的热扩散率测量。

技术领域

本发明涉及薄膜元件及体材料的热扩散率测量，具体是一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法。

背景技术

目前微电子机械系统(MEMS)、纳米技术、微器件、低维和纳米材料迅速发展。随着机械设备尺寸的减小及其功率处理规格的增加，热效应变得越来越重要。MEMS等器件的操作和故障可能受到热传递的限制，集成电路的缩小和功率密度的增加给先进微电子器件开发中的热管理带来了巨大的挑战。器件的集成度越来越高，器件单位时间内产生的热量相当大，温度升高很快，影响其正常工作，甚至将其烧毁。这就给微电子器件提出了热设计和热管理的问题，人们有必要研究这些器件中热量的产生和扩散，必要时还要进行强制散热。

一般来说，对于微电子学中的热管理，热能必须通过不同的薄膜材料传输，而这些薄膜的热扩散率在评估器件的传输效率和温度方面起着关键作用。

对于薄膜态元件材料来说，其传热行为与体材料存在差异，而且表现出明显的特异性能，用块状材料热物性测试的传统方法和装置已难以进行对薄膜的测试。由于亚微米/纳米薄膜类别的多样性、厚度差别可达几个量级、底材及其与薄膜界面的影响等等，相应地需要用不同特点的方法进行测试，薄膜热物性测试难度很大，各研究者测试结果往往出现较大的差异，迄今尚无具有普遍适用性的测试方法和装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法，可有效实现薄膜材料热扩散率的测量。本发明利用热透镜效应，用一束泵浦光照射薄膜待测样，在薄膜表面形成热包。然后使光斑半径大于泵浦光的探测光照射热包区域，薄膜待测样表面热包变化和探测光斑变化与泵浦光同频。测量反射探测光光斑不同位置处的热信号对应的相位，利用相位计算温度传播时间，再根据传播距离即可计算温度传播速度，进一步利用温度传播速度与热扩散率之间的关系求解。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置，其特点在于包括泵浦光激光器、泵浦光路功率调节部件、斩波器、泵浦光路反射镜、泵浦光路透镜、待测样、探测光激光器、探测光路功率调节部件、探测光路反射镜、探测光路透镜、光阑、探测器、二维位移平台、锁相放大器。

1、所述的泵浦光激光器输出泵浦光，其光路称为泵浦光路，在其输出端沿光路依次放置泵浦光路功率调节部件、斩波器、泵浦光路反射镜、泵浦光路透镜、待测样，最后泵浦光垂直照射待测样。所述的探测光激光器输出探测光，其光路称为探测光路，在其输出端沿光路依次放置探测光路功率调节部件、探测光路反射镜、探测光路透镜、待测样，使得探测光以接近垂直的角度照射待测样。在经过待测样的反射探测光路上，依次放置光阑、二维位移平台，探测器安装在二维位移平台上。将探测器输出端连接锁相放大器测试信号输入端。将斩波器输出端连接锁相放大器的参考信号输入端。

一种基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的方法，该方法包括如下步骤：

①打开泵浦光激光器电源，并依据待测样品特性选择合适的光束功率，依次打开探测光激光器电源、斩波器(设置调制频率f)、探测器和锁相放大器的开关，预热半小时以上，令它们达到稳定工作状态。

②调节光路指向令泵浦光束与探测光束中心重合。

③将所述的探测器中心对准反射探测光斑中心。探测器感光面前装配有小口径光阑，可以测量探测光束的局部光强。