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TFA – Thin Film Analyzer

Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von dünnen Schichten

Beschreibung

Auf den Punkt

Spannende Möglichkeiten
Revolutionäres Messsystem zu Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Dünnschichten. Hoch integrierte und einfach zu bedienende Messplattform.

Die physikalischen Eigenschaften von dünnen Filmen unterscheiden sich von Vollmaterialien, da parasitäre Oberflächeneffekte aufgrund geringerer Abmessungen und hoher Aspektverhältnisse viel dominanter wirken!

  • Steigender Einfluss von Oberflächenstreuung (a)
  • Zusätzliche Korngrenzenstreuung (b)
  • Quantisierungs-Effekte für sehr dünne Schichten (c)

Der LINSEIS Thin Film Analyzer ist das perfekte Werkzeug um eine breite Palette von Dünnschichtproben auf äußerst komfortable und schnelle Weise zu charakterisieren. Es ist ein benutzerfreundliches Tabletop-System und liefert, dank des zum Patent angemeldeten Messdesigns, höchst präzisse Ergebnisse.

Komponenten
Die Platform besteht aus einem Messchip, auf dem die zu untersuchende Probe abgeschieden wird, und einer Messkammer, um die erforderlichen Umgebungsbedingungen bereitzustellen. Je nach Anwendung kann das Setup mit einem Lock-In-Verstärker und / oder einem starken Elektromagneten erweitert werden. Die Messungen werden typischerweise unter UHV durchgeführt, wobei die Probentemperatur während der Messung zwischen -170°C und +280°C mittels LN2 und leistungsstarken Heizern geregelt werden kann.

Vorstrukturierte Messchips
Der Messchip kombiniert die 3-Omega-Technik zur Wärmeleitfähigkeitsmessung mit einer 4-Punkt Van-der-Pauw-Anordnung zur Messung der elektrischen Transporteigenschaften. Der Seebeck-Koeffizient kann mit zusätzlich integrierten Widerstandsthermometern bestimmt werden, die sich in der Nähe der Van-der-Pauw-Elektroden befinden. Diese Konfiguration ermöglicht eine vollständige und nahezu simultane Charakterisierung aller Eigenschaften an einer einzigen Probe, die entweder durch PVD (z. B. thermisches Verdampfen, Sputtern, MBE), CVD (z.B. ALD), spin coating, drop casting or ink-jet printing in einem Schritt hergestellt wurde. Für eine einfache Probenpräparation auf dem Messchip, kann entweder eine abziehbare Folienmaske oder eine Metallschattenmaske verwendet werden.

Ein weiterer, großer Vorteil dieses Systems ist die gleichzeitige Bestimmung aller physikalischen Eigenschaften innerhalb eines einzigen Messlaufs. Dabei erfolgen sämtliche Messungen in dieselbe Richtung (in der Ebene) und sind somit für die weitere Auswertung (z.B. Bestimmung der thermoelektrischen Gütezahl ZT oder Untersuchung von Ausheilvorgängen) konsistent und bestens vergleichbar.

1.    Van-der-Pauw Messung
Zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit (σ) und des Hall-Koeffizienten (AH) der Probe wird das Van-der-Pauw-Verfahren verwendet. Nach dem Abscheiden der Probe auf dem Chip ist diese bereits elektrisch mit vier Elektroden an ihrem Rand verbunden. Zur Messung wird nun zwischen zwei der Kontakte ein Strom angelegt und die resultierende Spannung zwischen den verbleibenden zwei Kontakten gemessen. Durch zyklisches vertauschen der Kontakte im Uhrzeigersinn und Wiederholen des Verfahrens, kann der Schichtwiderstand der Probe mittels der Van-der-Pauw-Gleichung berechnet werden. Durch Anlegen eines Magnetfelds senkrecht zur Probenoberfläche und Messen der Änderung des diagonalen Van-der-Pauw-Widerstands, kann der Hall-Koeffizient der Probe und daraus die Ladungsträgerdichte sowie Hall-Mobilität berechnet werden.

2.   Messung des Seebeck-Koeffizienten
Zur Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten wird auf dem Chip in der Nähe der Probe ein zusätzliches Thermometer sowie ein Linienheizer angebracht. Diese Konfiguration ermöglicht die Messung der Thermospannung bei verschiedenen Temperaturgradienten entlang der Probe, die zur Berechnung des Seebeck-Koeffizienten S = -Vth/∆T verwendet werden können.

3.    Heizdraht Messverfahren
Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in der Ebene wird ein einzigartiger Heißstreifen-Membranaufbau verwendet. In diesem Aufbau wird ein mikrostrukturierter metallstreifen als Heizer und Temperatursensor in einem verwendet. Die Probe wird für die Messung direkt auf der freitragenden Membran abgeschieden. Für die Messung wird dem Metallstreifen ein Strom zugeführt, der sich infolge von Jouleschem heizen erwärmt. Aufgrund des Temperaturanstiegs ändert sich der Widerstand des Drahts und kann somit zur Temperaturmessung verwendet werden. Aus dieser Widerstandsänderung und der Kenntnis der Membrangeometrie kann auf die Wärmeleitfähigkeit der Probe zurückgerechnet werden. Je nach Probe können auch Emissionsgrad und spezifische Wärme gemessen werden. Um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erhalten, sollte das Produkt aus Probendicke und thermischer Leitfähigkeit der Probe gleich oder größer 2×10-7W/K sein.

Modulares Design
Das Grundgerät (optimiert zur Messung der Wärmeleitfähigkeit) kann optional mit einem Thermoelektrik-Kit zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und des Seebeck-Koeffizienten und/oder mit dem Magnet-Upgrade-Kit für die Messung der Hall-Konstante, der Mobilität und der Ladungsträgerkonzentration aufgerüstet werden.

System Konfigurationen

Basis-System / Thermoelektrik-Kit / Magnetik-Kit / Kühloption

Folgende Optionen stehen für den LINSEIS Thin Film Analyzer (TFA) zur Verfügung:

Basisgerät
Bestehend aus Messkammer, Turbomolekularpumpe, Probenhalter mit integrierter Heizung, systemintegriertem Lock-In-Verstärker für die 3w-Messmethode, PC und LINSEIS-Softwarepaket (inklusive Mess- und Auswertesoftware). Das Design ist für die Charakterisierung folgender physikalischer Eigenschaften optimiert:

  • λ – Wärmeleitfähigkeit
  • cp – Wärmekapazität
  • ε – Emissionsgrad (abhängig von der Probe)

Thermoelektrik-Kit
Bestehend aus erweiterter Messelektronik (DC) und Auswertesoftware für thermoelektrische Experimente. Das Design ist für die Messung der folgenden Parameter optimiert:

  • ρ – spezifischer Widerstand / σ – elektrische Leitfähigkeit
  • S – Seebeck-Koeffizient

Magnetik-Kit
Es sind zwei verschiedene Konfigurationen für dieses Paket verfügbar. Entweder ein Elektromagnet (EM) mit Stromversorgung, Umpolvorrichtung, Sicherheitsschaltung und Wasserkühlung oder eine verfahrbare Konfiguration mit zwei Permanentmagneten (PM). Mit dem Elektromagneten kann der Benutzer eine variable Feldstärke zwischen +/-1 Tesla senkrecht zur Probe anlegen. Das Permanentmagneten-Setup kann verwendet werden, um drei definierte Feldpunkte (+0,5T, 0T und -0,5T) an der Probe anzulegen. Das Magnetik-Kit ist für die Messung der folgenden Parameter optimiert:

  • AH – Hall-Konstante
  • μ – Hall-Beweglichkeit (einfache Berechnung nach dem Einbandmodell)
  • n – Ladungsträgerdichte (einfache Berechnung nach dem Einbandmodell)

Tieftemperaturoption für kontrolliertes Abkühlen

  • LN2 Kühlung für Messungen bis 100 K
  • TFA/KREG Geregelte Kühlung
  • TFA/KRYO Dewar 25l

 

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Spezifikationen

Schwarz auf Weiß

Besondere Merkmale

  • Hochwertiges und benutzerfreundliches Messsystem für dünne Schichten (im nm bis µm Bereich).
  • Ermöglicht temperaturabhängige Messungen von -170°C bis +280°C.
  • Einfache Probenpräparation und Handhabung.
  • Chipbasiertes Messgerät mit vollintegrierten, vorstrukturierten Chips als Verbrauchsmaterial.
  • Ausgelegt für höchste Flexibilität (Material, Dicke, Widerstand, Abscheidemethoden).
  • Alle Messungen werden in einem einzigen Messlauf an derselben Probe und in derselben Richtung vorgenommen.
  • Es können damit sowohl Halbleiter-Proben als auch Metalle, Keramiken oder organische Stoffe vermessen werden.
Modell TFA  –  Thin Film Analyzer
Temperaturbereich:  RT bis 280°C
-170°C bis 280°C
Probendicke: Von 5 nm bis 25 µm (abhängig von Probe)
Messprinzip: Chipbasiert (vorstrukturierte Messchips, 24 Stück pro Box)
Abscheidetechniken: Unter anderem: PVD (sputtern, verdampfen), ALD, Spin coating, Ink-Jet Printing und viele weitere
Gemessene Parameter: Wärmeleitfähigkeit (3 Omega)
Wärmekapazität
Optional: Elektrische Leitfähigkeit / spezifischer Widerstand
Hall-Konstante / Beweglichkeit / Ladungsträgerdichte
(Elektromagnet bis 1 T oder Permanentmagnet mit 0.5 T)
Vakuum: ~10E-5mbar
Electronik: Integriert
Interface: USB
Messbereich:
Wärmeleitfähigkeit: 0.05 bis 200 W/m∙K
Elektrische Leitfähigkeit: 0.05 bis 1 ∙ 106 S/cm
Seebeck-Koeffizient: 5 bis 2500 μV/K
Wiederholbarkeit & Genauigkeit
Wärmeleitfähigkeit: ± 3% (für die meisten Materialien)
± 10% (für die meisten Materialien)
Spezifischer Widerstand: ± 3% (für die meisten Materialien)
± 6% (für die meisten Materialien)
Seebeck-Koeffizient: ± 5% (für die meisten Materialien)
± 7% (für die meisten Materialien)

Software

Werte sichtbar und vergleichbar machen

Neben der eingesetzten Hardware übernimmt die leistungsstarke LINSEIS-Software für Microsoft® Windows® die wichtigste Funktion bei der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der Experimente. Mit diesem Softwarepaket bietet Linseis eine umfassende Lösung für die Programmierung aller gerätespezifischen Einstellungen und Steuerfunktionen sowie für die Speicherung und Auswertung von Daten. Das Paket wurde von unseren Softwarespezialisten und Anwendungsexperten entwickelt und bereits seit vielen Jahren getestet und verbessert.

Das TFA-Softwarepaket besteht aus 2 Modulen: dem Messprogramm zur Datenerfassung und einer Auswertesoftware mit vordefinierten Plugins zur Datenauswertung. Die Software von Linseis bietet alle wesentlichen Funktionen für die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der Messungen.

Allgemeine Funktionen

  • Vollständig kompatible MS® Windows™-Software
  • Datensicherheit bei Stromausfall
  • Automatische Kontrolle der Probenkontaktierung
  • Integrierte Plugins zum direkten Auswerten der gemessenen Rohdaten nach publizierten Modellen
  • Speichern und Exportieren von Auswertungen
  • Export und Import von Rohdaten im ASCII-Format
  • Datenexport nach MS Excel
  • Einfacher Export (CTRL C)
  • Datenbank zum Archivieren aller Messungen und Auswertungen
  • Online-Hilfe-Menü
  • Statistische Kurvenauswertung
  • Zoomoption für die Kurvenanalyse
  • Integrierte Evaluierungsplugins
  • Es können beliebig viele Kurven zum Vergleich geladen werden

Messsoftware

  • Einfache und benutzerfreundliche Dateneingabe für Temperatursegmente und Messaufgaben.
  • Automatische Ausgabe der gemessenen Rohdaten.
  • Vollautomatische Messungen.

Auswertesoftware

  • Alternativ: Dirketer Zugriff auf gemessene Rohdaten
  • Integrierte Auswerteplugins (nach publizierten Modellen)
  • Zur Berechnung von
    • Wärmeleitfähigkeit
    • Wärmekapazität
    • Spezifischem Widerstand / elektrischer Leitfähigkeit
    • Seebeck-Koeffizient
  • Einfache Datenaufzeichnung und Datenexport

Applikationen

Bismuth-Antimon Dünnschicht

Messungen eines 142 nm dicken Bismut-Antimon-Films, der durch thermische Verdampfung unter Vakuumbedingungen hergestellt wurde, im Temperaturbereich von -160°C bis + 140°C .

PEDOT:PSS Dünnschicht

Messungen eines 15 µm dicken PEDOT: PSS-Films (High Conductive Grade), der durch Tropfenbeschichtung hergestellt wurde, im Temperaturbereich von -150 ° C bis + 100°C.

Gold Nanofilm

Messungen eines 100 nm dicken Au-Films, der durch DC-Magnetron-Sputtern unter Vakuumbedingungen von hergestellt wurde, im Temperaturbereich von -50°C bis +100°C.

 

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Downloads

Alles auf einen Blick

Linseis Produktbroschüre TFA

Produkt-
broschüre TFA (2,2Mb)

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Linseis Produktbroschüre Thermal Electrics

Produkt-
broschüre Thermoelektrik (2Mb)

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