TF-LFA

Wärmeleitfähigkeits- / Temperaturleitfähigkeitsmessungen: 10 nm – 20 µm

Beschreibung

Auf den Punkt gebracht

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 10 nm bis 20 µm zu analysieren.

Thermische Eigenschaften:

  • Thermische Leitfähigkeit
  • Volumetrische Wärmekapazität
  • Thermische Diffusivität
  • Thermische Effusivität
  • 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 ein berührungsloses Verfahren zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von Dünnschichten im Frequenzbereich, bei dem der Effekt der Thermoreflexion genutzt wird, um ein hochempfindliches Thermometer zur Messung der Oberflächentemperatur der Probe durch Überwachung des Reflexionsvermögens zu schaffen. Zu diesem Zweck wird ein Dauerstrichlaser (Sondenlaser) mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet, während ein harmonisch modulierter Pumplaser mit einer anderen Wellenlänge (405 nm) zum Einsatz kommt.

Die lokale Erwärmung führt zu Veränderungen des Reflexionsvermögens, und die Phasenverzögerung zwischen der thermischen Anregung und der Detektion wird mit einem Lock-in-Verstärker gemessen. Die Modellierung der Reaktion im Frequenzbereich mit einem diffusiven Wärmetransportmodell ermöglicht die Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit, der volumetrischen Wärmekapazität, der thermischen Diffusivität, des thermischen Wirkungsgrads und des thermischen Grenzflächenleitwerts.

Eine dünne metallische Wandlerschicht (60-70 nm Dicke) wird auf die Oberfläche der Proben aufgebracht, um den Temperaturkoeffizienten der Reflexion, dR/dT, zu erhöhen und gleichzeitig die optische Eindringtiefe in das Material zu verringern.

Vorteile:

  • Breiterer Messbereich
  • Leichtere Handhabung
  • Höhere Stabilität
  • Präzisere Ergebnisse
  • Möglichkeit, den thermischen Kontaktwiderstand zwischen zwei Schichten zu messen
  • Keine Annahmen mehr über Wärmekapazität und Dichte von dünnen Probenschichten

Vergleich von FDTR- und TDTR-Methoden

Unser fortschrittliches FDTR-System (Frequency-Domain Thermoreflectance) bietet erhebliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen TDTR-Methode (Time-Domain Thermoreflectance), indem es den Aufbau optimiert und die Messstabilität erhöht.

Der Sondenlaser muss nicht justiert werden: Im Gegensatz zur TDTR-Anordnung, bei der der Sondenlaser relativ zur Probe justiert werden muss, weil sich die Reflexion bei Veränderungen der Probe geringfügig ändert, entfällt diese Notwendigkeit bei unserem FDTR-System. Unser System verfügt über eine automatische Fokussierung, die den Fokus des Sondenlasers kontinuierlich an alle Veränderungen der Probe anpasst und so optimale Messbedingungen ohne manuelle Eingriffe gewährleistet.

Ausgerichtete Laser: Dank der perfekt ausgerichteten Laser in unserem FDTR-System muss der Sondenlaserstrahl nicht justiert werden, was zu einer einfacheren Probeneinrichtung und stabileren Messungen führt.

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

Unser Service ist Montag bis
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

Auswertesoftware

  • Bestimmung des Kontaktwiderstands
  • Mehrschichtiges Wärmetransportmodell zur gleichzeitigen Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, des Wärmewirkungsgrads und der volumetrischen Wärmekapazität
  • Überprüfung der Durchführbarkeit der Messung
  • Sensitivitätsdiagramm

Messsoftware

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

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