TF-LFA Laserflash für Dünnfilme - Time Domain ThermoReflectance (TDTR)

Wärmeleitfähigkeits- / Temperaturleitfähigkeitsmessungen für Dünnschichten (80 nm - 20 µm)

Thin film Laserflash Apperatus

Die Bestimmung der thermo-physikalischen Eigenschaften von Materialien und die Optimierung von Wärmeflüssen in Endprodukten wird für viele industrielle Anwendungen immer wichtiger.

Aus diesem Grund hat sich die Flash Methode in den letzten Jahrzehnten zu der am häufigsten verwendeten Technik zur Messung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von verschiedensten Feststoffen, Pulvern und Flüssigkeiten entwickelt.

Im Zeitalter der Nanotechnologie benötigen nun immer mehr Industrien und Anwender präzise Messdaten für sehr dünne Schichten. Den größten Bedarf hat dabei die Halbleiterindustrie mit typischen Produkten wie Licht emittierenden Dioden (LEDs), Phasenwechselspeicher oder Flachbildschirmen. Dabei werden häufig mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien auf einem Substrat abgeschieden, um dadurch ein Bauteil mit einer bestimmten Funktion zu erstellen. Da sich die physikalischen Eigenschaften von Dünnfilmen meist von denen eines Vollmaterials unterscheiden, ist deren Charakterisierung für die Auslegung und Optimierung im Bereich des Wärmemanagements unbedingt erforderlich.

Basierend auf der bewährten Laser Flash Technik, bietet der Linseis Laserflash für dünne Schichten (TF-LFA) nun eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten um die Stoffdaten von Dünnfilmen mit einer Dicke von 80 nm bis 20 µm zu analysieren.

1. High Speed ​​Laserflash Methode (Heizung von der Rückseite, Detektion von der Vorderseite (RF)):

Da sich die thermischen Eigenschaften von dünnen Schichten und Filmen erheblich von denen der entsprechenden Vollmaterialien unterscheiden, ist eine Technik erforderlich, welche die Grenzen des klassischen LaserFlash Verfahrens überwinden kann: die sogenannte "High Speed ​​Laserflash Methode".

Die Messanordnung ist dabei die gleiche wie bei der Standard Laserflash Technik: Detektor und Laser liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Probe. Ein Standard IR-Detektoren wäre für die Messung von dünnen Schichten zu langsam, deshalb wird die Erfassung durch die "thermoreflectance Methode" bewerkstelligt. Das Prinzip dahinter ist, dass sich die Reflexion einer Oberfläche bei Erhitzung verändert. Die Änderung dieser Oberflächenreflexion kann dann schließlich dazu verwendet werden um auf die thermischen Eigenschaften zurückzuschließen. Die Reflektivität wird dabei außerdem im Bezug zur Zeit gemessen und ebenfalls in das Modell eingepflegt.

2. Time Domain Thermoreflectance Method (Heizung und Detektion von der Vorderseite (FF)):

Die Time-Domain Thermoreflectance Technik ist eine weitere Methode um die thermischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit) von dünnen Schichten zu bestimmen. Hier liegen Detektor und Laser allerdings auf der selben Probenseite. Dieses Verfahren wird eingesetzt um dünne Schichten auf undurchlässigen Substraten zu vermessen, was mit der RF-Technik nicht möglich ist.

3. Kombinierte High Speed Laserflash (RF) und Time Domain thermoreflectance Methode (FF):

Die beiden Methoden lassen sich selbstverständlich auch in einem System kombinieren um die Vorteile beider bestmöglich nutzen zu können.

 

 

Materialien

Halbleiter, Keramik/Glas/Baustoffe, Metalle/Legierungen, Polymeter, Halbleiter

Industrie

Halbleiterindustrie / Keramik-, Baustoff und Glasindustrie / Automobilbau / Luftfahrt / Raumfahrt, /Energie / Forschung, Entwicklung und Wissenschaft / Metallverarbeitende Industrie / Elektronikindustrie

Anwendungsbeispiel: SiO2

Vergleich von gemessenen und berechneten Kurven (2-Schicht Modell)

Mo Dünnschicht auf SiO2; Temperatur-Zeit-Kurve von Proben mit verschiedenen Dicken

Temperatur-Zeit-Kurve von ZnO Proben unterschiedlicher Dicke

Gemessene Wärmeleitfähigkeit und thermischer Übergangswiderstand eines ZnO Dünnfilms

Temperaturbereich*: RT 
  RT bis 500°C
  -100°C bis 500°C 
Pump-Laser:  Nd:YAG Laser,
Maximale Impulsenergie:  90mJ/Impuls (Software kontrolliert)
Pulslänge: 8 ns 
Probe-Laser:CW DPSS-Laser (473 nm), 2mW
Photoreceiver: Si-PIN-Photodiode, aktiver Durchmesser: 0,8 mm, Bandbreite DC … 400MHz, risetime: 1ns
Messbereich: 0,01 mm2/s bis 1000 mm2/s
Probendurchmesser: Runde Proben mit ∅ 10...20 mm 
Probendicke:80 nm bis 20 µm
Anzahl an Proben: Probenroboter für bis zu 6 Proben
Atmospheres: inert, oxid., red.
Vakuum: bis 10E-4mbar
Elektronik: Integriert
Interface: USB

 *alle Öfen können vom Benutzer leicht getauscht werden

Die leistungsfähige, auf Microsoft® Windows® basierende LINSEIS Thermoanalyse Software übernimmt bei der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von thermoanalytischen Experimenten, neben der eingesetzten Hardware, die wichtigste Funktion. Linseis bietet mit diesem Softwarepaket eine umfassende Lösung zur Programmierung aller gerätespezifischen Einstellungen und Steuerungsfunktionen, sowie zur Datenspeicherung und Auswertung. Das Paket wurde von unseren hausinternen Softwarespezialisten und Applikationsexperten entwickelt und jahrelang erprobt.

Allgemeine Funktionen:

  • Vollständig kompatibel mit MS ® Windows™ 32 - Bit-Software
  • Datensicherheit bei Stromausfall
  • Schutz vor Bruch der Thermoelemente
  • Auswertung der laufenden Messung
  • Kurvenvergleich
  • Einfache Speicherung und Export der Auswertungen
  • Export und Import von Daten im ASCII Format
  • Einfacher Datenexport in MS Excel

Auswertesoftware:

  • Automatische oder manuelle Eingabe der entsprechenden Messparameter wie Dichte und Cp (spezifische Wärme)
  • Assistenten für die Auswahl des geeigneten Modells
  • Automatische bestimmung der Kontaktwiderstand

Messsoftware:

  • Einfache und benutzerfreundliche Parametereingabe für Temperatursteuerrung, Gasssteuerung usw.
  • Software zeigt automatisch eine korrigiert Messungen nach dem Puls
  • Vollautomatische Messung