[发明专利]一种基于微纳荧光颗粒的薄膜热导率测量系统

说明书

技术领域

本发明属于微纳米尺度热系数测量领域，特别是涉及一种基于微纳荧光颗粒的薄膜热导率测量系统。

背景技术

随着半导体器件、微机电系统(MEMS)、超大规模集成电路的快速发展，微纳米薄膜材料的热导率对于器件的散热越来越重要。例如，在运行高密度的集成电路时，必需要把产生的热量尽快散发掉，以减少热噪声从而影响到CPU速度的提高。显然，计算机所用薄膜材料的热导率直接关系到其中芯片以及集成电路散热的能力。此外，热导率也影响着薄膜的制备，微尺度传热研究可以对薄膜成核生长和使用过程的热传输做出计算，热物理参数是保证这种模拟可靠的关键。由于微尺度下薄膜材料具有量子效应、表面及界面效应使得微尺度传热有着更明显的尺寸效应。

目前虽然有一些薄膜材料热导率的测试方法已被报道，但其测量方法中误差等不确定因素较多，且测量较为繁琐。薄膜材料的热导率测量中温度测量尤为重要为。较为成熟的测量方法为Cahill的3ω法(Cahill D G.Thermal conductivity measurement from 30to 750K:the 3ω method[J].Review of scientific instruments,1990,61(2):802-808.)，主要采用传统的温度测量即在待测薄膜表面镀金属层，通过电阻的变化来表征薄膜表面温度的变化。该方法能够测量尺寸极小的薄膜样品且能有效减小黑体辐射引起的测量误差。该方法缺点也较为明显，3ω法未考虑金属层与待测膜的界面热阻、膜的各向异性以及金属条形状厚度对测量结果都有较大的影响，同时在光刻金属层过程可能会对膜造成损伤，产生缺陷，对声子的散射影响较大，降低材料的热导率。Perichon等人提出了基于显微拉曼(Raman)光谱的薄膜热导率测量方法 (Perichon S,Lysenko V,Remaki B,et al.Measurement of porous silicon thermal conductivity by micro-Raman scattering[J].Journal of Applied Physics,1999,86(8):4700-4702.)，其原理主要基于Raman光谱效即：使用激光束照射被测试样，会在照射处引起试样的局部温升，该温升与试样的热导率直接相关，同时被测试样的Raman谱峰位置与试样的温度有对应关系。该方法采用光学方法进行薄膜热导率的测量，通过Raman峰的位移量来表征待测薄膜表面的温度，对待测薄膜不产生损伤。基于Raman法测量薄膜热导率测量不同材料的膜都得重新标定待测膜Raman谱峰位移量与温度的关系，且该方法具有一定的局限性，只能用于测量Raman峰位移量与温度具有较好线性关系的材料。

微纳荧光颗粒受到一定波长的激光照射其激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子产生荧光现象。由于受量子尺寸效应和介电限域效应的影响，半导体微纳荧光颗粒显示出独特的发光特性。主要表现为：(1)半导体微纳荧光颗粒的发光性质可以通过改变微纳荧光颗粒的尺寸来加以调控；(2)半导体微纳荧光颗粒具有较大的斯托克斯位移和较窄而且对称的荧光谱峰(半高全宽只有40nm)；(3)半导体微纳荧光颗粒具有较高的发光效率。在其他影响因素中，温度的变化对微纳荧光颗粒发射光子的性质有着很大的影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微纳荧光颗粒的薄膜热导率测量系统，用于解决现有技术中3ω法测量薄膜热导率时界面热阻、膜的各向异性以及金属条形状厚度和薄膜损伤等对热导率造成影响以及利用显微Raman法测量局限性大等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种所述测量系统至少包括：样品结构模块、成像光路模块以及激光发射和光谱测量模块；

所述样品结构模块至少包括衬底、待测薄膜、吸收热源和微纳荧光颗粒；其中，所述待测薄膜置于所述衬底上，所述吸收热源和微纳荧光颗粒放置在所述待测薄膜表面；或者所述微纳荧光颗粒直接放置在所述衬底上；

所述成像光路模块安装在所述样品结构模块的上方，用于提取所述待测薄膜的形状特征参数；

所述激光发射和光谱测量模块用于照射待测薄膜以使所述吸收热源吸收激光能量产生热量，同时使微纳荧光颗粒受到激光激发产生荧光，并对光谱进行测量。

优选地，所述成像光路模块至少包括光源、第一半透半反射镜、选择窗口、物镜以及图像传感器；

所述选择窗口包括有反射镜一侧和无反射镜一侧；