설명
요점
재료의 열물리학적 특성과 최종 제품의 열 전달 최적화에 대한 정보는 산업 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 최근 수십 년 동안 비파괴 광학 방법은 다양한 유형의 고체, 분말 및 액체의 열 확산률과 열 전도도를 측정하는 데 가장 일반적으로 사용되는 기술이 되었습니다.
박막의 열물리학적 특성은 광디스크, 열전 재료, 발광 다이오드(LED), 상변화 메모리, 평면 스크린 제조 및 반도체 산업과 같은 분야에서 그 중요성이 점점 더 커지고 있습니다.
이 모든 산업에서 필름은 제품에 특정 기능을 부여하기 위해 기판에 적용됩니다. 이러한 필름의 물리적 특성은 기본 재료의 물리적 특성과 다르기 때문에 정확한 열 관리 예측을 위해서는 이 데이터가 필요합니다.
열 속성:
박막:
박막은 표면에 적용되는 나노미터에서 마이크로미터 두께의 재료입니다.
박막의 열물리학적 특성은 벌크 재료의 그것과 상당히 다르며 두께와 온도에 따라 달라집니다.
박막은 일반적으로 반도체, LED, 연료 전지 및 광학 저장 매체에 사용됩니다.
다양한 유형의 박막
- 박막: 수 나노미터에서 µ미터의 층
- 레이어는 특수 기판에서 재배됩니다.
- 일반적인 성장 기법은 다음과 같습니다.
- PVD(예: 스퍼터링, 열 기화)
- CVD(PECVD, LPCVD, ALD)
- 드립 몰딩, 원심 코팅 및 인쇄
- 다음과 같은 다양한 유형의 레이어가 있습니다:
- 반도체 레이어(예: 열전, 센서, 트랜지스터)
- 메탈릭 레이어(접점으로 사용)
- 열 차단 코팅
- 광학 코팅
다층 샘플
박막(예: 반도체, 금속, 유기, 산화물)
기판(예: Si, Si3N4, 용융 실리시아)
FDTR 주파수 도메인
FDTR은 주파수 범위에서 박막 재료의 열 특성을 측정하는 비접촉 특성 분석 기법으로, 박막의 열 특성을 측정합니다. 이 방법은 열반사율의 효과를 활용하여 시료의 반사율을 모니터링함으로써 시료의 표면 온도를 감지하는 고감도 온도계를 만듭니다.
감지에는 파장이 532nm인 연속파 레이저(프로브 레이저)가 사용되며, 가열은 다른 파장(405nm)의 고조파 변조 펌프 레이저로 이루어집니다. 국소 가열은 반사율의 변화를 일으키고 열 여기와 감지 사이의 위상 지연은 락인 증폭기로 측정됩니다.
확산 열전달 모델을 사용하여 주파수 영역에서 반응을 모델링하면 열전도도, 체적 열용량, 열확산도, 열효율 및 열계면 전도도를 결정할 수 있습니다.
얇은 금속 변환기 층(두께 60-70nm)을 시료 표면에 적용하여 온도 반사율 계수인 dR/dT를 높이고 동시에 재료의 광학 침투 깊이를 줄입니다.
장점:
- 더 넓은 측정 범위
- 손쉬운 취급
- 안정성 향상
- 더 정확한 결과
- 두 층 사이의 열 접촉 저항을 측정할 수 있습니다.
- 얇은 샘플 필름의 열 용량 및 밀도에 대한 가정 없음
FDTR과 TDTR 방법 비교
키사이트의 고급 FDTR(주파수 영역 열반사율) 시스템은 설정을 최적화하고 측정 안정성을 개선하여 기존 TDTR(시간 영역 열반사율) 방식에 비해 상당한 이점을 제공합니다.
프로브 레이저를 조정할 필요가 없음: 시료에 대한 반사율이 변화함에 따라 프로브 레이저를 조정해야 하는 TDTR 배열과 달리, 당사의 FDTR 시스템은 이러한 요구 사항을 제거합니다. 이 시스템은 시료의 변화를 고려하여 프로브 레이저의 초점을 지속적으로 조정하는 자동 초점 기능을 갖추고 있어 수동 개입 없이 최적의 측정 조건을 보장합니다.
정렬된 레이저: FDTR 시스템의 완벽하게 정렬된 레이저 덕분에 프로브의 레이저 빔을 조정할 필요가 없으므로 시료 준비가 더 쉬워지고 측정이 더 안정적입니다.
더 넓은 측정 범위: 키사이트의 FDTR은 측정 범위가 더 넓은 나노 펄스 TDTR 설정에서도 뛰어난 성능을 발휘합니다. 더 얇은 시료 층과 열전도율이 높은 박막을 측정할 수 있습니다.
가정이 필요 없습니다: 당사의 포괄적인 평가 알고리즘을 사용하면 아무런 가정 없이 박막을 측정할 수 있습니다. 시료 두께만 알면 됩니다.
열전도율의 이방성
새로운 배터리를 개발할 때 작동 중에 발생하는 열의 흐름 방향이 결정적인 역할을 합니다. 따라서 이방성이라고 하는 재료 내 방향에 따라 열전도도가 달라질 수 있다는 사실을 아는 것이 중요합니다. 이는 일반적으로 박막에서 발생합니다. 두 개의 주요 축에는 특별한 이름이 있습니다: 하나는 횡면이라고 하는 표면에 수직인 축이고, 내면은 표면에 평행한 열 흐름을 나타냅니다.
특히 효율적인 열 방출이 중요한 전자제품에 사용되는 소재의 경우 두 가지 유형을 모두 이해하는 것이 중요합니다. 배터리 소재에서 평면 내 열전도율은 셀 층 간 열 흐름을 제어하는 데 특히 중요하며, 이는 안전성과 효율성에 영향을 미칩니다. 반면, 열 차단 코팅은 낮은 평면 내 열전도율에 의존하기 때문에 민감한 기본 구성 요소를 보호하기 위해 단열이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다. 얇은 이산화규소 SiO₂ 필름이 이러한 유형의 코팅 재료의 예입니다.
이방성 구조와 그에 따른 열적 특성으로 인해 이방화 인듐 결정과 같은 2차원 물질은 효율적인 에너지 변환 및 열 관리 개발에 매우 흥미로운 가능성을 제공합니다.
이러한 특징을 포착하고 이러한 고유한 특성을 활용하기 위해서는 이방성 열 조사를 수행해야 합니다.
그림 2: 297nm 두께의 PdSe2 평면 안팎의 열 전도성.
[001]a) 결정면을 따라 PdSe2의 평면 외 열전도도 .*.
[100]b) 결정면을 따라 평면 내에서 PdSe2의 열 전도성 .* *.
[010]c) 결정면을 따라 평면 내에서 PdSe2의 열 전도성 .* *.
TF-LFA는 이러한 2D 재료의 열전도도를 평면 안과 밖의 두 가지 주요 방향(그림 2 b 및 2 c 참조)에서뿐만 아니라 두 개의 다른 결정 평면에서 표면의 회전축을 따라 측정할 수 있는 가능성을 제공합니다.
* 측정은 후안 세바스티안 레파라즈 박사가 수행했습니다.
고유 기능
포괄적인 열 특성 분석:
- 열전도율, 열용량, 열확산도, 열효율을 측정합니다.
- 인접한 두 레이어 사이의 열 접촉을 결정합니다.
이방성 기능:
-
관통 방향(재료를 관통)과 평면(레이저 여기와 수직) 모두에서 열전도도를 측정하는 옵션 기능입니다.
넓은 온도 범위:
-
이 장치는 최대 500°C의 실온에서 박막의 열 특성을 측정할 수 있습니다.
열화상:
-
옵션으로 제공되는 샘플 매핑 기능을 사용하면 표면의 특정 영역 또는 지점에서 샘플의 열 특성을 추적할 수 있어 균질성 테스트에 이상적입니다.
자동 최적화 및 카메라 옵션:
- 레이저 빔의 자동 최적화를 통해 측정 결과를 개선합니다.
-
시각적 정보를 제공하고 샘플 표면에서 관심 지점을 쉽게 선택할 수 있는 추가 카메라 옵션입니다.
열 접촉 저항/전도성 값 측정:
-
시료와 표면 또는 시료와 트랜스듀서 층 등 두 층 사이의 열 접촉을 측정합니다.
서비스 핫라인
+49 (0) 9287/880 0
서비스 이용 가능 시간은 월요일부터 목요일 오전 8시부터 오후 4시까지, 금요일 오전 8시부터 오후 12시까지입니다.
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사양
흰색에 검은색
MODELL | TF-LFA |
|---|---|
| Abmessungen der Probe: | Jede Form zwischen 2mm x 2mm und 25mm x 25mm Seitenlänge |
| Dünnschichtproben: | 10nm bis zu 20μm* (abhängig von der Probe) |
| Temperaturbereich: | RT, RT bis zu 200/500°C Probenhalter für 4" Wafer (nur RT) |
| Gemessene Eigenschaften: | Wärmeleitfähigkeit Temperaturleitfähigkeit Thermischer Oberflächenwiderstand Volumetrische spezifische Wärmekapazität Thermische Leistungsfähigkeit |
| Optionen: | Anisotrophie: Messung der thermischen Eigenschaften quer zur Ebene und in der Ebene Probenabbildung: Abtasten mehrerer Positionen der Probe punkt- oder gruppenweise. Mapping-Bereich: 10 mm² Schrittweite: 50 μm Kamera: Ermöglicht es dem Benutzer, die aktuelle Probenoberfläche und die Position der Laserstrahlen zu betrachten, um die tatsächliche Messposition zu erfassen. |
| Atmosphären: | inert, oxidierend oder reduzierend Vakuum bis zu 10E-4mbar |
| Messbereich Diffusität: | 0,01mm2/s bis zu 1200mm2/s (je nach Probe) |
| Pump-Laser: | CW-Laser (405 nm, 300 mW, Modulationsfrequenz bis zu 200 MHz) |
| Sondenlaser: | CW Laser (532 nm, 25 mW) |
| Photodetektor: | Si-Avalanche-Photodetektor, aktiver Durchmesser: 0,2 mm, Bandbreite: DC - 400MHz |
| Stromversorgung: | AC 100V ~ 240V, 50/60 Hz, 1 kVA |
| Software: | Enthalten. Softwarepaket zur Berechnung der thermophysikalischen Eigenschaften durch Mehrschichtanalyse |
| *Der tatsächliche Dickenbereich hängt von der Probe ab | |
데이터 시트
소프트웨어
값을 가시화하고 비교 가능하게 만들기
모든 LINSEIS 열분석 장치는 PC로 제어되며, 개별 소프트웨어 모듈은 Microsoft® Windows® 운영 체제에서만 실행됩니다.
전체 소프트웨어는 온도 제어, 데이터 수집 및 데이터 평가의 세 가지 모듈로 구성됩니다.
다른 열분석 실험과 마찬가지로 LINSEIS 소프트웨어는 측정 준비, 수행 및 분석에 필요한 모든 필수 기능을 제공합니다.
전문가와 애플리케이션 전문가 덕분에 LINSEIS는 이해하기 쉽고 실용성이 뛰어난 이 소프트웨어를 개발하는 데 성공했습니다.
일반 소프트웨어
- MS® Windows™와 완벽하게 호환
- 정전 시 데이터 보안
- 현재 측정값 평가
- 커브 비교
- 분석 저장 및 내보내기
- ASCII 데이터 내보내기 및 가져오기
- MS Excel로 데이터 내보내기
평가 소프트웨어
- 접촉 저항 측정
- 다층 열전달 모델
- 열 전도성, 열 확산성 및 열 효율을 동시에 측정할 수 있습니다.
- 및 체적 열 용량
- 측정 가능성 확인
- 감도 다이어그램
측정 소프트웨어
- 온도 세그먼트, 가스 등에 대한 간단하고 사용자 친화적인 데이터 입력이 가능합니다.
- 완전 자동 측정
애플리케이션 (Application)
적용 예: SiO2 박막 504nm
순수한 이산화규소(석영)로 이루어진 얇은 유리 층은 반도체 및 전자 산업에서 보호 층 또는 열 또는 전자 절연 층으로 자주 사용됩니다. 이 예에서는 열 특성을 완전히 파악하기 위해 Linseis TF-LFA 장치로 SiO2 층을 검사했습니다.
질화알루미늄 AIN 200nm
적용 사례: 질화알루미늄 AIN
AlN은 센서나 마이크로 일렉트로닉스의 단열층 또는 전자 절연층으로 자주 사용됩니다. 이 연구에서는 층 두께에 따른 열적 특성을 TF-LFA를 통해 조사했습니다.
질화알루미늄 AIN 800nm
질화알루미늄 AIN 1600nm
적용 사례: CVD 다이아몬드 – 열 전도성
전도도가 높은 다이아몬드 샘플은 주파수 영역 열반사율 기술을 사용하여 열 거동을 특성화하고 다음을 수행하는 Linseis 레이저 주파수 분석기(TF-LFA)로 측정할 수 있습니다.
효율적인 열 방출이 중요한 응용 분야의 품질 관리. 입자 크기, 순도, 두께와 같은 요인이 수송 특성에 영향을 미칠 수 있으므로 다이아몬드 시료의 품질과 성능을 검증하려면 정확한 열전도도 측정이 필수적입니다.
CVD 다이아몬드의 열적 특성 측정. x축은 로그 스케일링된 주파수를 헤르츠 단위로 표시하고, y축은 펌프 레이저와 샘플 레이저의 여기 사이의 위상 변화를 나타냅니다. 여기서 λ는 열 전도도, α는 열 확산도, e는 열 효율, TBC는 변환기 층(금)과 시료(다이아몬드) 사이의 열 경계 전도도입니다. 이는 재료의 조합이 서로 열을 얼마나 잘 교환할 수 있는지를 결정합니다.
주파수 영역 열반사율(FDTR)은 CVD 다이아몬드와 같은 재료, 특히 높은 공간 분해능이 필요한 박막 및 마이크로 스케일 샘플의 열 전도도를 측정하는 데 선호되는 방법입니다.
. Der Linseis Laser Frequency Analyzer (TF-LFA) ist ein ideales Werkzeug für diesen Zweck. FDTR verwendet einen modulierten Laser, um eine lokale Erwärmung in der Probe zu induzieren, und misst die Thermoreflexionsantwort des Materials
다른 변조 주파수에서. 이 기술을 통해 연구자들은 다이아몬드와 그 계면을 통과하는 열 흐름을 모델링하여 열 전도도를 측정할 수 있습니다.
충분한 정보 제공
