TF-LFA Laser Flash for thin films - Time Domain ThermoReflectance (TDTR)

Thermal Conductivity / Diffusivity measurements for thin films

Information of the thermo physical properties of materials and heat transfer optimization of final products is becoming more and more vital for industrial applications.

Over the past few decades, the flash method has been developed into the most commonly used technique for the measurement of the thermal diffusivity and thermal conductivity of various kinds of solids, powders and liquids.

Thermophysical properties from thin-films are becoming more and more important in industries for products such as, phase-change optical disk media, thermoelectric materials, light emitting diodes (LEDs), phase change memories, flat panel displays and of curse all kinds of semiconductors. In all these cases, a thin film gets deposit on a substrate in order to give a device a particular function. Since the physical properties of these films differ from bulk material, these data are required for accurate thermal management predictions.

Based on the well established Laser Flash technique, the Linseis Laserflash for thin films (TF-LFA)now offers a whole range of new possibilities to analyze thermophysical properties of thin films from80nm up to 20 μm thickness.

 

1. High Speed Laserflash Method (Rear heating Front detection (RF)):

As thermal properties of thin layers and films differ considerably from the properties of the corresponding bulk material a technique overcoming the limitations of the classical Laserflash method is required: the “High Speed Laserflash Method”.

The measurement geometry is the same as for the standard Laserflash technique: detector and laser are on opposide sides of the samples. Because IR-detectors are to slow for measurement of thin layers, detection is done by the so called thermoreflectance method. The idea behind this technique is that once a material is heated up, the change in the reflectance of the surface can be utilized to derive the thermal properties. The reflectivity is measured with respect to time, and the data received can be matched to a model which contains coefficients that correspond to thermal properties.


2. Time Domain Thermoreflectance Method (Front heating Front detection (FF)):

The Time-Domain Thermoreflectance technique is a method by which the thermal properties (thermal conductivity, thermal diffusivity) of thin layers or films. The measurement geometry is called “front heating front detection (FF)” because detector and laser are on the same side of the sample. This method can be applied to thin layers on non-transparent substrates for which the RF technique is not suitable.

 

3. Combined High Speed Laserflash (RF) and Time Domain Thermoreflectance Method (FF):

Of curse both methods can also be implemented in a single system to combine the advantages of both.

 

Zakres temperatury roboczej *:RT 
 RT do 500°C
 -100°C do 500°C 
Pompa laserowa: Nd:YAG Laser
Maksymalna energia impulsu:90mJ/Impuls (programowalna)
Szarokość impulsu:8 ns
Laser:HeNe-Laser (632nm), 2mW
Termoreflektancja (front): Si-PIN-Fotodioda, średn. akt.: 0.8 mm, 
pasmo DC … 400MHz, czas narastania: 1ns
Termoreflektancja (spód):kwadrantowa dioda, średn. akt.: 1.1 mm
pasmo DC … 100MHz, czas narastania: 3.5ns
Zakres pomiarowy:0,01 mm2/s do 1000 mm2/s
Średnica próbki:Próbki okrągłe  ∅ 10...20 mm 
Grubość próbki:80 nm od 20 µm
Atmosfera:obojętna, utleniająca, redukujaca
Próżnia:do 10-4mbar
Electronika:zintegrowana
Połączenie z PC:USB

*wszystkie piece są wymienne

Wszystkie termoanalizatory LINSEIS są kontrolowane z poziomu PC i pracują pod systemem operacyjnym Microsoft Windows. Kompletne oprogramowanie składa się z 3 modułów: kontrola temperatury, zbieranie wyników i ocenę danych. Oprogramowanie 32-bitowe LINSEIS łączy w sobie wszystkie poziomy zarządzania: przygotowanie pomiaru, pomiar i zbieranie danych podczas pracy. Dzięki współpracy specjalistów i inżynierów aplikacyjnych, LINSEIS opracował oprogramowanie, którego zaletą jest praktyczność i wygoda użytkowania.

 

General Features

• Oprogramowanie pracujace pod systemem MS Windows™ 32 – bit 

• Zabezpieczenie danych w przypadku utraty zasilania 

• Zabezpieczenie termopary przed uszkodzeniem

• Kontrola prowadzonego eksperymentu

• Porównywanie krzywych

• Przechowywanie i eksport danych 

• Wysyłanie I przyjmowanie danych w formacie ASCII 

• Wysyłanie danych do MS Excel

 

Funkcje oprogramowania

• Automatyczne lub manualne wprowadzanie danych (gęstość, ciepło właściwe)

• Narzędzia do wyboru najlepszego modelu doświadczalnego

• Wyznaczenie oporu kontaktowego

 

Oprogramowanie pomiarowe

• Łatwe dla użytkownika wprowadzanie danych (gazy, temperature)

• Oprogramowanie koryguje automatycznie pomiar po impulsie energetycznym

• Pomiar w pełni automatyczny

Materiały

Półprzewodniki, ceramika, szkło, metale i ich stopy, związki nieorganiczne 

Zastosowanie przemysłowe 

Przemysł ceramiczny, wytwarzanie materiałów budowlanych, przemysł szklarski, przemysł samochodowy, lotniczy, aeronautyka, prace badawczo-rozwojowe, badania naukowe nad metalami, ich stopami oraz w przemyśle elektronicznym. 

 

Przykład aplikacyjny: SiO2  -

porównanie wyznaczonych i obliczonych krzywych (model dwuwarstwowy)

Ciekna warstwa molibdenu na SiO2. Krzywe temperaturowe próbek różnej grubości

Krzywe temperaturowe próbek ZnO różnej grubości

Wyznaczona przewodność cieplna i kontaktowa rezystancja termiczna cienkich warstw ZnO.