基于飛秒激光瞬態(tài)熱反射方法的界面熱阻研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,微電子器件特征尺寸已經(jīng)縮小至納米量級(jí),器件的散熱性能對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)有很大的影響。對(duì)于納米尺度的結(jié)構(gòu)和器件,材料之間的界面在熱傳輸過(guò)程中起到關(guān)鍵作用,因此,需要對(duì)界面熱阻進(jìn)行深入的研究,以指導(dǎo)微電子器件設(shè)計(jì)和制造等應(yīng)用需求。由于傳統(tǒng)的宏觀導(dǎo)熱模型在納米尺度下無(wú)法適用,現(xiàn)有的界面熱阻模型也均存在較大的缺陷,因此,近十年來(lái),界面熱阻的理論和實(shí)驗(yàn)研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。
　　 本文在分析了飛秒激光瞬態(tài)

2、熱反射方法原理的基礎(chǔ)上,建立了飛秒激光瞬態(tài)熱反射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包括飛秒激光器系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)等三大部分。飛秒激光器系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源,輸出的激光脈寬約為100飛秒。光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心,由泵浦光光路和探測(cè)光光路兩部分組成。首先,激光束被分束器分成泵浦光和探測(cè)光；其次,泵浦光通過(guò)聲光調(diào)制器調(diào)制至設(shè)定頻率,探測(cè)光經(jīng)過(guò)電控位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間延遲；最后,泵浦光和探測(cè)光均聚焦與樣品表面同一點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集和儀器控

3、制系統(tǒng)由光電探測(cè)器、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)軟硬件等電子儀器共同組成。其主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取放大,并實(shí)現(xiàn)各儀器的自動(dòng)運(yùn)行和控制。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立過(guò)程中,對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),便于實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)；設(shè)計(jì)編寫了系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行；此外,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,以提高實(shí)驗(yàn)信噪比,減小實(shí)驗(yàn)誤差。超快脈沖激光加熱金屬是一個(gè)先非平衡熱傳輸后平衡熱傳輸?shù)倪^(guò)程。目前,金屬中微尺度非平衡熱輸運(yùn)過(guò)程采用拋物兩步模型描述,平衡熱輸運(yùn)則滿足經(jīng)典傅里葉定

4、律。
　　 本文在兩個(gè)模型基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)有界面熱阻模型進(jìn)行了分析和對(duì)比,提出了新的修正模型,并完成了對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算。利用飛秒激光瞬態(tài)熱反射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)Al膜／Si基底、Au膜／Si基底和Au膜／SiO2基底等樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,其界面熱阻分別為1.0×10-8m2KW-1,1.3×104m2KW-1和1.8×10-8m2KW-1。此結(jié)果和散射失配模型預(yù)測(cè)值有較大差異。采用濺射方法制作的Al膜／Si基底樣品界面熱阻大于DMM預(yù)測(cè)值