Beschreibung
Auf den Punkt gebracht
Informationen über die thermophysikalischen Eigenschaften von Materialien und die Optimierung der Wärmeübertragung von Endprodukten werden für industrielle Anwendungen immer wichtiger. In den letzten Jahrzehnten haben sich zerstörungsfreie optische Verfahren zur am häufigsten verwendeten Technik für die Messung der Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit verschiedener Arten von Feststoffen, Pulvern und Flüssigkeiten entwickelt.
Thermophysikalische Eigenschaften von Dünnschichten werden in Branchen wie der Herstellung von optischen Wechselplatten, thermoelektrischen Materialien, Leuchtdioden (LEDs), Phasenwechselspeichern, Flachbildschirmen und in der Halbleiterindustrie immer wichtiger.
In all diesen Branchen wird ein Film auf einem Substrat aufgetragen, um einem Produkt eine bestimmte Funktion zu verleihen. Da sich die physikalischen Eigenschaften dieser Filme von denen der Grundmaterialien unterscheiden, sind diese Daten für genaue Vorhersagen des Wärmemanagements erforderlich.
Thermische Eigenschaften:
- Wärmeleitfähigkeit
- Volumetrische Wärmekapazität
- Thermische Diffusivität
- Thermischer Wirkungsgrad
- Thermische Grenzleitfähigkeit
Dünnschichten:
Dünne Schichten sind Materialien mit einer Dicke von Nanometern bis Mikrometern, die auf Oberflächen aufgebracht werden. Ihre thermophysikalischen Eigenschaften unterscheiden sich erheblich von denen von Massenmaterialien und hängen von Dicke und Temperatur ab. Dünne Schichten werden in der Regel in Halbleitern, LEDs, Brennstoffzellen und optischen Speichermedien verwendet.
Verschiedene Arten von Dünnschichten
- Dünnschicht: Schicht von wenigen nm bis µm
- Schichten werden auf einem speziellen Substrat gezüchtet
- Typische Wachstumstechniken sind
- PVD (z. B. Sputtern, thermische Verdampfung)
- CVD (PECVD, LPCVD, ALD)
- Tropfengießen, Schleuderbeschichtung und Druck
- Viele verschiedene Arten von Schichten, darunter:
- Halbleiterschichten (z. B. thermoelektrische, Sensoren, Transistoren)
- Metallische Schichten (als Kontakte verwendet)
- Thermische Barrierebeschichtungen
- Optische Beschichtungen
Multilayer sample
Thin film
(e.g. semiconductor, metal, organic, oxide)
Substrate
(e.g. Si, Si3N4, Fused Silicia)
FDTR
Frequency Domain
FDTR ist eine kontaktlose Charakterisierungstechnik für die thermischen Eigenschaften von Dünnschichtmaterialien im Frequenzbereich, bei der die thermischen Eigenschaften von Dünnschichten gemessen werden. Diese Methode nutzt den Effekt der Thermoreflexion, um ein hochempfindliches Thermometer zu erstellen, das die Oberflächentemperatur der Probe durch Überwachung ihrer Reflektivität erkennt.
Ein kontinuierlicher Wellenlaser (Probe-Laser) mit einer Wellenlänge von 532 nm wird zur Erkennung verwendet, während die Erwärmung mit einem harmonisch modulierten Pumplaser mit einer anderen Wellenlänge (405 nm) erreicht wird. Durch die lokale Erwärmung kommt es zu Änderungen der Reflektivität, und die Phasenverzögerung zwischen der thermischen Anregung und der Erkennung wird mit einem Lock-in-Verstärker gemessen.
Die Modellierung der Reaktion im Frequenzbereich mit einem diffusiven Wärmetransportmodell ermöglicht es uns, die Wärmeleitfähigkeit, die volumetrische Wärmekapazität, die Temperaturleitfähigkeit, die Wärmeeffektivität und die thermische Grenzflächenleitfähigkeit zu bestimmen.
Eine dünne metallische Transducerschicht (60–70 nm dick) wird auf der Oberfläche der Proben aufgebracht, um den Temperaturkoeffizienten der Reflektivität, dR/dT, zu erhöhen und gleichzeitig die optische Eindringtiefe im Material zu verringern.
Vorteile:
- Größerer Messbereich
- Einfachere Handhabung
- Höhere Stabilität
- Genauere Ergebnisse
- Möglichkeit zur Messung des thermischen Kontaktwiderstands zwischen zwei Schichten
- Keine Annahmen über Wärmekapazität und Dichte dünner Probenfilme
Vergleich von FDTR- und TDTR-Methoden
Unser fortschrittliches FDTR-System (Frequency-Domain Thermoreflectance) bietet gegenüber der herkömmlichen TDTR-Methode (Time-Domain Thermoreflectance) erhebliche Vorteile, indem es die Einrichtung optimiert und die Messstabilität verbessert.
Keine Notwendigkeit für die Anpassung des Sondenlasers: Im Gegensatz zur TDTR-Anordnung, bei der der Sondenlaser aufgrund geringfügiger Änderungen der Reflexion bei einer Änderung der Probe relativ zur Probe angepasst werden muss, entfällt diese Anforderung bei unserem FDTR-System. Unser System verfügt über eine automatische Fokussierung, die den Fokus des Sondenlasers kontinuierlich anpasst, um Änderungen in der Probe zu berücksichtigen, und so optimale Messbedingungen ohne manuelle Eingriffe gewährleistet
Ausgerichtete Laser: Dank der perfekt ausgerichteten Laser in unserem FDTR-System muss der Laserstrahl der Sonde nicht angepasst werden, was zu einer einfacheren Probenvorbereitung und stabileren Messungen führt.
Größerer Messbereich: Unser FDTR übertrifft sogar nano-gepulste TDTR-Aufbauten mit einem größeren Messbereich. Dünnere Probenschichten und dünne Filme mit höherer Wärmeleitfähigkeit können gemessen werden.
Keine Annahmen erforderlich: Unser umfassender Auswertungsalgorithmus ermöglicht es Ihnen, dünne Filme ohne Annahmen zu messen. Sie müssen lediglich die Probendicke kennen.
Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit
Bei der Entwicklung neuer Batterien spielt die Fließrichtung der entstehenden Wärme während des Betriebs eine entscheidende Rolle. Daher ist es wichtig zu wissen, dass die Wärmeleitfähigkeit in verschiedenen Richtungen innerhalb des Materials unterschiedlich sein kann, was als Anisotropie bezeichnet wird. Dies tritt typischerweise in dünnen Filmen auf. Die beiden Hauptachsen haben spezielle Namen: Eine ist senkrecht zur Oberfläche, die als Querebene bezeichnet wird, während sich die In-Ebene auf den Wärmefluss parallel zur Oberfläche bezieht.
Es ist wichtig, beide Arten zu verstehen, insbesondere bei Materialien, die in der Elektronik verwendet werden, wo eine effiziente Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung ist. Die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene ist besonders wichtig bei Batteriematerialien, um den Wärmefluss über die Zellschichten zu steuern, was sich auf die Sicherheit und Effizienz auswirkt. Andererseits sind Wärmedämmschichten auf eine geringe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene angewiesen, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen Wärme isoliert werden soll, um empfindliche darunterliegende Komponenten zu schützen. Ein Beispiel für diese Art von Beschichtungsmaterial sind dünne Siliziumdioxid-SiO₂-Filme.
Zweidimensionale Materialien wie PdSe-Kristalle bieten aufgrund ihrer anisotropen Struktur und damit ihrer thermischen Eigenschaften äußerst interessante Möglichkeiten für die Entwicklung einer effizienten Energieumwandlung und eines effizienten Wärmemanagements. Um
diese Merkmale zu erfassen und diese einzigartigen Eigenschaften zu nutzen, müssen anisotrope thermische Untersuchungen durchgeführt werden.
Abbildung 2: Wärmeleitfähigkeit eines 297 nm dicken PdSe2 in und außerhalb der Ebene.
a) Wärmeleitfähigkeit von PdSe2 außerhalb der Ebene entlang der kristallographischen Ebene [001].*
b) Wärmeleitfähigkeit von PdSe2 innerhalb der Ebene entlang der kristallographischen Ebene [100].*
c) Wärmeleitfähigkeit von PdSe2 innerhalb der Ebene entlang der kristallographischen Ebene [010].*
Das TF-LFA bietet die Möglichkeit, die Wärmeleitfähigkeit eines solchen 2D-Materials nicht nur in beiden Hauptrichtungen, in und außerhalb der Ebene, zu messen (siehe Abb. 2 b und 2 c), sondern auch über die Rotationsachse der Oberfläche in zwei verschiedenen kristallografischen Ebenen.
*Die Messungen wurden von Dr. Juan Sebastian Reparaz durchgeführt
Unique Features
Umfassende thermische Charakterisierung:
- Messung der thermischen Leitfähigkeit, Wärmekapazität, thermischen Diffusivität und thermischen Effusivität.
- Bestimmung des thermischen Kontakts zwischen zwei benachbarten Schichten.
Anisotropiefunktion:
- Optionale Funktion
zur Messung der
thermischen Leitfähigkeit
sowohl in der
Durchgangsrichtung
(durch das Material)
als auch in der Ebene
(senkrecht zur
Laseranregung).
Breiter Temperaturbereich:
- Das Gerät kann die thermischen
Eigenschaften von Dünnschichten
bei Raumtemperatur bis zu 500°C messen
Thermische Abbildung:
- Mit der optionalen
Probenabbildungsfunktion
können die thermischen
Eigenschaften der Probe
über eine spezifische Fläche
oder Punkte der Oberfläche
verfolgt werden, ideal für
Homogenitätsprüfungen.
Automatische Optimierung und Kameraoption:
- Automatische Optimierung des Laserstrahls
zur Verbesserung der Messergebnisse. - Zusätzliche Kameraoption, die visuelle
Informationen liefert und die Auswahl
interessanter Stellen auf der
Probenoberfläche erleichtert.
Messung der thermischen
Kontaktwiderstände/Leitwerte:
- Messung des thermischen Kontakts
zwischen zwei Schichten, z.B. zwischen
Probe und Oberfläche oder Probe und
Transduzierschicht.
Service-Hotline
+49 (0) 9287/880 0
Donnerstag von 8-16 Uhr erreichbar
und Freitag von 8-12 Uhr.
Wir sind für Sie da!
Spezifikationen
Schwarz auf Weiß
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 | |
Datenblatt
Software
Werte sichtbar und vergleichbar machen
Alle thermoanalytischen Geräte von LINSEIS sind PC-gesteuert, die einzelnen Softwaremodule laufen ausschließlich unter Microsoft® Windows® Betriebssystemen. Die komplette Software besteht aus 3 Modulen: Temperaturregelung, Datenerfassung und Datenauswertung. Die LINSEIS-Software bietet wie bei anderen thermoanalytischen Experimenten alle wesentlichen Funktionen zur Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der Messungen. Dank unserer Spezialisten und Anwendungsexperten ist es LINSEIS gelungen, diese leicht verständliche und höchst praktische Software zu entwickeln.
Allgemeine Software
- Vollständig kompatibel mit MS® Windows™
- Datensicherheit bei Stromausfall
- Auswertung der Strommessung
- Vergleich der Kurven
- Speicherung und Export von Auswertungen
- Export und Import von ASCII-Daten
- Datenexport nach MS Excel
Auswertungssoftware
- Bestimmung des Kontaktwiderstands
- Mehrschichtiges Wärmetransportmodell
- zur gleichzeitigen Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der Wärmeeffusivität
- und der volumetrischen Wärmekapazität
- Prüfung der Messbarkeit
- Empfindlichkeitsdiagramm
Messsoftware
- Einfache und benutzerfreundliche Dateneingabe für Temperatursegmente, Gase usw.
- Vollautomatische Messung
Applikationen
Anwendungsbeispiel: SiO2 Dünnschicht 504 nm
Dünne Glasschichten aus reinem Siliziumdioxid (Quarz) werden in der Halbleiter- und Elektronikindustrie häufig als Schutzschicht oder thermische oder elektronische Isolationsschicht verwendet. In diesem Beispiel wurde eine SiO2-Schicht mit dem Linseis TF-LFA-Gerät untersucht, um ihre thermischen Eigenschaften vollständig zu charakterisieren.
Aluminiumnitrid AIN 200nm
Anwendungsbeispiel: Aluminiumnitrid AIN
AlN is frequently used as thermal insulation layer or electronical insulation layer in sensors or microelectronics. Its thermal properties depending on layer thickness were investigated by TF-LFA in this application.
Aluminiumnitrid AIN 800nm
Aluminiumnitrid AIN 1600nm
Anwendungsbeispiel: CVD-Diamant – Wärmeleitfähigkeit
Diamantproben mit hoher Leitfähigkeit können mit dem Linseis Laser Frequency Analyzer (TF-LFA) gemessen werden, der die Frequency Domain Thermoreflectance-Technik zur Charakterisierung des thermischen Verhaltens und zur
Qualitätskontrolle in Anwendungen nutzt, bei denen eine effiziente Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung ist. Genaue Wärmeleitfähigkeitsmessungen sind unerlässlich, um die Qualität und Leistung von Diamantproben zu überprüfen, da Faktoren wie Korngröße, Reinheit und Dicke die Transporteigenschaften beeinflussen können.
Messung der thermischen Eigenschaften von CVD-Diamant. Die x-Achse zeigt die logarithmisch skalierte Frequenz in Hertz an, während die y-Achse die Phasenverschiebung zwischen der Anregung durch den Pumplaser und den Probenlaser darstellt. Dabei ist λ die Wärmeleitfähigkeit, α die Temperaturleitfähigkeit, e die Wärmeeffusivität und TBC die thermische Grenzleitfähigkeit zwischen der Wandlerschicht (Gold) und der Probe (Diamant). Sie bestimmt, wie gut eine Materialkombination in der Lage ist, Wärme miteinander auszutauschen.
Die Frequenzbereichs-Thermoreflektanz (FDTR) ist eine bevorzugte Methode zur Messung der Wärmeleitfähigkeit in Materialien wie CVD-Diamant, insbesondere in dünnen Filmen und Proben im Mikromaßstab, bei denen eine hohe räumliche Auflösung
. 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
bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen. Diese Technik ermöglicht es Forschern, die Wärmeleitfähigkeit durch Modellierung des Wärmeflusses durch den Diamanten und seine Grenzflächen zu bestimmen.
Bestens informiert
