[发明专利]谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及测试技术领域，是关于一种利用交流加热和谐波法测量微/纳米薄膜热物性参数(如导热系数和热扩散率等)的方法，特别是应用于衬底表面单/多层微/纳米薄膜结构热物性参数测试的方法。

背景技术

在微/纳米科技应用领域，对微/纳米尺度薄膜的热参数的测量是目前面临的一个重要挑战。迄今为止，由于对微/纳米材料热物理性质数据的需求，人们发展了多种测试方法。目前适用于微纳米尺度薄膜的测量方法主要有两类：周期交流量热法和基于激光加热的闪光法。周期交流量热法虽然经过改良热源后能测量厚度为500nm以下的薄膜，但是这种方法直接测量的是热扩散率，然后导出热导率，测量结果的准确度与热容的不确定性等有关。基于激光加热的改进的闪光法虽然能直接对热导率进行测试，但是仅对于微米厚度的薄膜有较好的测试精度，而对于500nm以下的纳米薄膜测试比较困难。另外，微/纳米材料中一种更为先进的材料结构为晶体表面沉积有多层纳米厚薄膜的结构，然而现有的测量方法都无法准确地表征各层纳米厚薄膜的导热系数和热扩散系数。针对上述这些问题，我们发明了一种基于交流电流加热，同时结合谐波探测技术的适于测量微、纳米尺寸的单、多层薄膜结构热物性的方法，可以同时测量衬底表面单/多层微/纳米薄膜结构的导热系数和热扩散率参数。

发明内容

本发明目的是解决现有薄膜热物性测量方法无法同时准确地测量纳米厚薄膜多个热物性参数及无法测量多层微/纳米薄膜结构的技术缺陷。为此，本发明提供一种谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，该方法，能有效减弱辐射影响、热波探测深度可调，可用于衬底表面单/多层微/纳米薄膜结构的导热系数和热扩散率等多个热物性参数同时测试。

为达成所述目的，本发明的技术解决方案是：

一种谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，其包括步骤如下：

步骤1：采用磁控溅射工艺在薄膜结构表面先沉积一薄层Ti或Ge金属，以增强探测器的附着强度，再在Ti或Ge金属层上沉积一层Pt或Au金属膜作为微型金属探测器的材料；

步骤2：采用光刻法在Pt或Au金属膜上制作一个包括中间段金属带的微型四焊盘探测器；

步骤3：把带有微型金属探测器的薄膜结构置于恒温真空腔中，启动温度调节系统使恒温真空腔内达到要求的温度；

步骤4：开启抽真空系统，待恒温真空腔内的真空度达到要求后关闭抽真空系统；

步骤5：将微型金属探测器的四个引线端连接谐波测量单元，给微型金属探测器通入一定幅值的正弦交流电流，测量相关频率范围内中间段金属带的基波电压实部和三次谐波电压实部的有效值；

步骤6：根据三次谐波电压实部与基波电压实部测量值计算对应的微型金属探测器温升实部值，记录并分析温升实部与对数频率的关系曲线；

步骤7：根据谐波法测试原理拟合单/多层微/纳米薄膜结构的导热系数和热扩散率参数。

所述的谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，其所述步骤1中，对于单层薄膜结构，通过热氧化或化学沉积或真空溅射工艺制备在衬底上，对于多层薄膜结构，多层薄膜通过重复上述工艺制作。

所述的谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，其所述步骤5中，微型金属探测器采用微弱周期正弦电流加热，测试时，调整所述微型金属探测器的基波电压，使中间两引线端间的三次谐波电压接近几十至几百μV。

所述的谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，其所述微弱周期正弦电流，其幅值大小为数毫安。

所述的谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，其所述步骤5中，相关频率范围对于单层薄膜/衬底结构一般为几百到几万Hz，对于多层薄膜/衬底结构一般为小于1KHz。

所述的谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，其所述若微型金属探测器所用材料为金属Pt时，用于增强附着强度的金属采用Ti；为金属Au时，用于增强附着强度的金属采用Ge。

所述的谐波法微/纳米薄膜热物性测试方法，其所述薄膜结构中各层薄膜的厚度范围，对于纳米厚薄膜为50～500nm，对于微米厚薄膜为1～10μm；微型金属探测器的厚度范围为100～300nm，宽度范围为8～100μm，总长度范围为3～10mm，中间段金属带的有效长度为2～8mm；增强附着强度金属层的厚度范围为5～20nm；四个焊盘的长度或宽度范围为200～1500μm。

所述的谐波法单根导电丝状材料热物性测试方法，其用于测量衬底表面单/多层微/纳米薄膜结构的导热系数和热扩散率参数。