一种快速测量薄膜材料热容的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种快速测量薄膜材料热容的装置和方法，具体地，该装置包括控制设备、时钟同步器、平顶峰激光设备、快速测温仪以及热容输出设备；控制设备和时钟同步器信号连接，时钟同步器同时与平顶峰激光设备和快速测温仪信号连接；在工作状态下，控制设备向时钟同步器发送启动信号，平顶峰激光设备和快速测温仪协调联动，平顶峰激光设备将能量空间分布为平顶峰的激光照射到样品表面，与此同时，快速测温仪捕捉在样品加热过程中某一个时间点的样品的表面温度，将测得的数据输入热容输出设备，得到所需热容参数。本发明专利技术的装置结构简单，方法高效准确，可为目前的各种超薄半导体薄膜热物性的设置提供可靠的参数数据。

【技术实现步骤摘要】
一种快速测量薄膜材料热容的装置和方法
本专利技术涉及热测量领域，更具体地涉及一种快速测量薄膜材料热容的装置和方法。
技术介绍
通过物理或者化学手段在基底上沉积薄膜材料，由于基底在厚度方向上的尺度比薄膜厚度通常会大数百倍甚至上千倍，因此，对薄膜材料的热物性测量成为难题。差示扫描量热法(DSC)以及热盘法等传统热容测量技术，通常只能进行单一块体的样品进行测量，无法对带有基底的薄膜样品进行测量。热栅法和延迟法是最新发展起来的利用激光技术对薄膜材料进行热容测量的新方法。热栅法的原理是利用相干的激光在膜的表面形成热光栅，温度会引起热光栅的改变，利用低能量的HE-NE激光测量光栅的改变时间来计算材料的热物参数。延迟法是利用一束激光在膜的上表面加热，另一束低能量激光在下表面监测反射率的变化，从而获得热量穿透镀膜所用的时间。延迟法利用的是热量在膜的厚度方向的瞬态传播时间。这两种方法直接测量的物理量都是材料的热扩散系数或者热导，通过一定的物理关系推算得到热容。虽然工业薄膜的沉积技术已经有了广泛使用，但是对于沉积到基底表面的薄膜的热性能的测量仍然存在着大量的困难，本领域尚缺乏一种新的测量薄膜材料热容的装置和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种快速测量薄膜材料热容的装置和方法，本专利技术利用激光升温技术与高速测温技术相结合，从而实现对薄膜材料的热容的测量，本专利技术的装置结构简单，方法高效准确，可为目前的各种超薄半导体薄膜热物性的设置提供可靠的参数数据。在本专利技术的第一方面提供了一种快速测量薄膜材料热容的装置，具体地，该装置包括控制设备、时钟同步器、平顶峰激光设备、快速测温仪以及热容输出设备；所述控制设备和所述时钟同步器信号连接，所述时钟同步器同时与所述平顶峰激光设备和所述快速测温仪信号连接；在工作状态下，所述控制设备向所述时钟同步器发送启动信号，所述平顶峰激光设备和所述快速测温仪协调联动，所述平顶峰激光设备将能量空间分布为平顶峰的激光照射到样品表面，与此同时，所述快速测温仪捕捉在所述样品加热过程中某一个时间点的所述样品的表面温度，将测得的数据输入所述热容输出设备，得到所需热容参数。在另一优选例中，所述平顶峰激光设备包括激光器、扩束镜、空间光整形器和聚焦镜。在另一优选例中，从所述激光器发射激光，所述激光先经过所述扩束镜，所述激光光强降低，所述激光再经过所述束斑整形器，所述激光的能量空间分布从高斯空间分布整形为平顶峰空间分布，所述激光最后经过所述聚焦镜，照射到所述样品的表面。在另一优选例中，所述快速测温仪和所述热容输出设备信号连接，所述快速测温仪直接将测得的数据发送至所述热容输出设备。在另一优选例中，通过操作者手动将所述快速测温仪测得的数据输入到所述热容输出设备。在另一优选例中，所述热容输出设备包括显示器，所述显示器用于显示热容值。在另一优选例中，所述控制设备为计算机。在另一优选例中，所述热容输出设备为计算机。在另一优选例中，所述控制设备和所述热容输出设备为同一台计算机。在另一优选例中，所述样品包括薄膜和基底，所述薄膜覆盖于所述基底的表面，所述激光照射到所述薄膜上。在本专利技术的第二方面提供了一种快速测量薄膜材料热容的方法，具体地，该方法包括包括a)提供如权利要求7所述的装置，利用激光快速加热所述样品，使用快速测温仪测量样品中心部位的温度；b)所述基底和所述薄膜接触面处的界面平均温度Ta为：Ta＝(Ts+T0)/(2*fa)其中，Ts为测量温度，T0为环境温度，fa为材料修正系数；c)通过半无限大热传导公式，求出温度T在所述基底厚度方向的空间分布：其中，为残差函数，a为热扩散系数y为所述基底中的点距离所述接触面的深度，τ为加热时间；d)通过温度在所述基底厚度方向的空间积分，计算整个基底吸收的能量Qs：其中，ρs：基底的密度Cs：基底的热容A：光斑的面积H：温度的传播距离；e)获取温度Tm和其对应的时间τm，以及温度Tn和其对应的时间τn，在所述时间τm内，所述基底吸收的能量为Qm，在所述时间τn内，所述基底吸收的能量为Qn,其中，所述Qm和所述Qn通过d中公式计算获得；f)Tm至Tn温度区间内的所述薄膜材料的平均热容cf为：其中，W为所述激光的设定功率，ρ为薄膜密度，V为激光加热薄膜体积。在另一优选例中，所述基底的材料为SiO2，所述基底和所述薄膜接触面的平均界面温度的材料修正系数fa为0.65～0.75。在另一优选例中，所述激光的加热时间为0-1us。在另一优选例中，优选地，所述激光的加热时间为0-1ns；更佳地，所述激光的加热时间为0-1ps。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一个实例中的激光加热模型图。图2是本专利技术一个实例中的激光的空间光分布图。图3是本专利技术一个实例中的温度的空间分布图。图4是本专利技术一个实例中的激光的加热升温曲线图。图5是本专利技术一个实例中的装置的结构示意图。图6是本专利技术一个实例中的激光的加热升温曲线图。图7是本专利技术一个实例中的薄膜热容值的对比图。各附图中，各标示如下：101-控制计算机；102-时钟同步器；103-激光器；104-快速测温仪；105-扩束镜；106-空间光整形器；107-聚焦镜；108-样品单元。具体实施方式本专利技术人经过广泛而深入的研究，通过大量筛选，首次开发了一种新的快速测量薄膜材料热容的装置和方法，本专利技术利用激光瞬时加热技术，并结合快速测温技术，来计算材料的热容大小，在此基础上完成了本专利技术。本专利技术提供了一种快速测量薄膜材料热容的装置和方法。本专利技术利用激光升温技术与高速测温技术相结合，实现对薄膜材料的热容的测量。典型地，本专利技术的快速测量薄膜材料热容的装置通过计算机控制系统触发时钟同步器，时钟同步器同时触发激光与温度采集系统，激光发出的激光经过扩束，整形，聚集后在材料表面形成空间能量分布均匀的光斑，然后将采集到的温度数据进行计算处理后获得材料的热容。本专利技术的快速测量薄膜材料热容的方法利用激光快速加热和高速测温系统，快速获得材料的表面的温度，利用下文所述的公式(7)计算基底吸收的能量并利用下文所述的公式(8)计算出在某一个温度区间的平均热容，当温度区间足够小时就可以认为计算出的热容就是当前温度下的比热容。薄膜的厚度一般为十几纳米到几微米，基底的厚度为毫米级别，薄膜与基底的厚度在尺寸上的差别通常可达2个数量级以上。据此，将基底近似为一个半无限大模型，不会改变薄膜在被激光加热过程的热响应过程。薄膜材料被激光照射后会发生吸收，升温，热传导等物理过程。(I)薄膜吸收入射激光后升温：根据激光加热原理，薄膜材料对激光的吸收满足下公式：ΔIa(x)≈(1-R)I·δe-δx(1)其中x表示薄膜中点到薄膜表面的距离；ΔIa(x)表示距离薄膜表面深度为x处单位厚度的薄膜吸收功率；I为激光抵达薄膜表面的功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速测量薄膜材料热容的装置，其特征在于，所述装置包括控制设备、时钟同步器、平顶峰激光设备、快速测温仪以及热容输出设备；所述控制设备和所述时钟同步器信号连接，所述时钟同步器同时与所述平顶峰激光设备和所述快速测温仪信号连接；在工作状态下，所述控制设备向所述时钟同步器发送启动信号，所述平顶峰激光设备和所述快速测温仪协调联动，所述平顶峰激光设备将能量空间分布为平顶峰的激光照射到样品表面，与此同时，所述快速测温仪捕捉在所述样品加热过程中某一个时间点的所述样品的表面温度，将测得的数据输入所述热容输出设备，得到所需热容参数。

【技术特征摘要】
1.一种快速测量薄膜材料热容的装置，其特征在于，所述装置包括控制设备、时钟同步器、平顶峰激光设备、快速测温仪以及热容输出设备；所述控制设备和所述时钟同步器信号连接，所述时钟同步器同时与所述平顶峰激光设备和所述快速测温仪信号连接；在工作状态下，所述控制设备向所述时钟同步器发送启动信号，所述平顶峰激光设备和所述快速测温仪协调联动，所述平顶峰激光设备将能量空间分布为平顶峰的激光照射到样品表面，与此同时，所述快速测温仪捕捉在所述样品加热过程中某一个时间点的所述样品的表面温度，将测得的数据输入所述热容输出设备，得到所需热容参数。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平顶峰激光设备包括激光器、扩束镜、空间光整形器和聚焦镜。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在工作状态下，从所述激光器发射激光，所述激光先经过所述扩束镜，所述激光光强降低，所述激光再经过所述束斑整形器，所述激光的能量空间分布从高斯空间分布整形为平顶峰空间分布，所述激光最后经过所述聚焦镜，照射到所述样品的表面。4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述快速测温仪和所述热容输出设备信号连接，所述快速测温仪直接将测得的数据发送至所述热容输出设备。5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热容输出设备包括显示器，所述显示器用于显示热容值。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制设备和所述热容输出设备为同一台计算机。7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品包括薄膜和基底，所述薄膜覆盖于所述基底的表面，所述激光照射到所述薄膜上。8.一种快速测量薄膜材料热容的方法，其特征在于，所述方法包括a)提供如权利要求7所述的装置，利用激光快速...

【专利技术属性】
技术研发人员：项晓东，武跃维，汪晓平，
申请(专利权)人：宁波英飞迈材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33