（机械电子工程专业论文）ai2o3zno双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究.pdf

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n o 双层薄膜的热导率。结果表明：当薄膜厚度从3 0 0 n m 增大到8 0 0 n m 时，2 0 3 z n o 双层薄膜的热导率逐渐增大，而热导率增大幅度不断减小，表 现出一定的尺寸依赖性；舢2 0 3 z n o 双层薄膜的热导率比2 0 3 和z n o 单层薄 膜热导率的平均值小，具有明显的界面效应。 采用平衡分子动力学方法对趟2 0 3 z n o 双层薄膜的热导率进行数值模拟， 研究了温度和薄膜厚度对舢2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的影响。结果表明：当温 度从3 0 0 k 升高到6 0 0 k 时，薄膜的热导率逐渐减小；当薄膜厚度从2 3 4 r i m 增 大到5 7 n m 时，薄膜的热导率不断增大，并且在厚度为5 2 r i m 附近，热导率出 现跳跃性增大。由此可知a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜的热导率具有明显的尺寸效应和 温度依赖性。 实验测试与数值模拟结果均表明：在室温下，趟2 0 3 z n o 双层薄膜的热导 率随着薄膜厚度的增大而增大，具有一定的尺寸效应。实验测试与数值模拟两 者相互补充，具有一定的研究价值。 关键词：a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜，热导率，瞬态热反射技术，分子动力学模拟 al ：0 ，z n o 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h i nf i l mw i t hm i c r o n a n o - m e t e rf e a t u r es i z ei st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f m i c r o n a n o - e l e c t r o n i cd e v i c e s t h e p e r f o r m a n c e a n ds e r v i c el i f e o f m i c r o n a n o e l e c t r o n i cd e v i c e sa r ed i r e c t l ya f f e c t e db yt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h et h i nf i l m s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yo nt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h i nf i l m z i n co x i d e ( z n o ) a n da l u m i n u mo x i d e ( a 1 2 0 3 ) a r ew i d eb a n d g a ps e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s ，a n d h a v ea h i g h v a l u eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i n o p t i c s a n d m i c r o - e l e c t r o n i c sf i e l d h o w e v e r , t h er e c o g n i z a t i o na b o u tt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s o fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l mi sd e f i c i e n c y t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n o b i l a y e rt h i nf i l mi si n v e s t i g a t e db yu s i n ge x p e r i m e n t a lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n a 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l mi sp r e p a r e db yu s i n gt h er a d i o f r e q u e n c y ( r f ) m a g n e t r o ns p u t t e r i n gm e t h o do ns i l i c o n ( s i ) s u b s t r a t e ，a n dt h ef i l mt h i c k n e s s e sa r e 3 0 0 n m ，5 0 0 n ma n d8 0 0 n m ，r e s p e c t i v e l y t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n o b i l a y e rt h i nf i l mi sm e a s u r e db yu s i n gt r a n s i e n tt h e r m o - r e f l e c t a n c et e c h n i q u ea tr o o m t e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e r t h i nf i l mi st h i c k n e s sd e p e n d e n c et os o m ee x t e n t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h i nf i l m t h i c k n e s sf r o m3 0 0 n mt o8 0 0 n m ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i n f i l mi n c r e a s e s g r a d u a l l y , w h i l et h ei n c r e m e n t a l v a l u ed e c r e a s e s t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e r t h i i lf i l mi sl e s st h a nt h e a v e r a g et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3t h i nf i l ma n dz n ot h i n f i l m i ti m p l i e st h a tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l ms h o w ss i g n i f i c a n ti n t e f f a c i a le f f e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i n f i l mi sc a r r i e do i lb yu s i n ge q u i l i b r i u mm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nm e t h o d t h e i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ea n dt h i nf i l mt h i c k n e s so nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f a 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l mi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l md e c r e a s e sa st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s i i i a1 。03 z n 0 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 f r o m3 0 0 kt o6 0 0 k t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h i n f i l mt h i c k n e s sf r o m2 3 4 n mt o5 7 n m ，a n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yh a sag r e a t i n c r e a s ew h e nt h et h i nf i l mt h i c k n e s si s5 2 n m i ti n d i c a t e st h a tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l ms h o w ss i g n i f i c a n ts i z ee f f e c t ，a n dt h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi st e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e b o t he x p e r i m e n t a lt e s tr e s u l ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l mi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go ft h i n f i l mt h i c k n e s sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h es i z ee f f e c ti so b v i o u s t h u s ，t h e e x p e r i m e n t a lt e s tc o m p l e m e n t sw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h ee x p l o r a t o r yw o r k h a sc e r t a i nr e s e a r c hv a l u e k e yw o r d s ：a 1 2 0 3 z n ob i l a y e rt h i nf i l m ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , t r a n s i e m i v t h e r m o - r e f l e c t a n c et e c h n i q u e ，m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 课题的研究背景1 1 2 薄膜热导率的研究现状2 1 3 课题研究目的及主要内容。4 1 3 1 研究目的4 1 3 2 研究的主要内容4 1 4 本章小结5 第二章薄膜制备和热导率测试方法6 2 1 薄膜的制备方法。6 2 2 薄膜热导率的测试方法。7 2 3 本章小结1 0 第三章a 1 2 0 a z n o 双层薄膜的制备与热导率的测试1 1 3 1a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜样品的制备一1 1 3 1 1 实验准备。1 1 3 1 2 样品尺寸选取依据。1 4 3 1 3 薄膜样品制备。1 5 3 2 a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的测试1 9 3 2 1 测试方法的选择1 9 3 2 2 基于传输线理论的传热模型分析。2 0 3 3 结果与讨论2 6 3 3 1 界面结构对薄膜热导率的影响。2 9 3 3 2 界面热阻对薄膜热导率的影响3 0 3 3 3 声子边界散射对薄膜热导率的影响3 2 3 3 4 实验误差的影响3 2 3 4 本章小结3 3 第四章a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的分子动力学模拟3 4 4 1 分子动力学模拟的基本原理3 4 4 2 a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的分子动力学模拟3 6 4 2 1 分子动力学建模：3 6 4 2 2 分子动力学模拟的初始条件3 8 4 3 模拟结果与分析4 3 4 4 本章小结4 6 v a 1 ：03 z n o 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 第五章总结与展望。 5 1 全文总结4 7 5 2 未来展望4 8 参考文献4 9 致谢5 5 作者在攻读硕士期间发表的论文5 6 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着纳米技术的快速发展，纳米薄膜由于其良好的物理和化学特性而被广 泛应用于各种微纳电子器件中，己成为电子器件的重要组成部分，并且，纳米 薄膜的性质将直接影响到微纳电子器件的性能和使用寿命，其中，纳米薄膜的 热特性是一个重要的方面。因此，热导率作为纳米薄膜材料最重要的热物性之 一，对其研究是必要的。本章主要阐述了课题的研究背景、纳米薄膜热导率研 究现状、本课题研究的目的以及研究的主要内容。 1 1 课题的研究背景 2 0 世纪6 0 年代后期，热物理学家开始注意到一系列工程器件中传热问题 的尺度效应，从此微尺度传热得到快速发展，并逐渐形成为- - l - j 学科，1 9 9 7 年 国际传热传质中心首次召开微传热的国际会议成为这一学科正式建立的标志。 随着现代科学技术的进步特别是微纳电子技术和微纳电子机械系统的迅猛发 展，人们对微尺度传热学的研究提出了新的要求。研究发现，与常规尺度下的 传热相比，微尺度传热具有新的特点和规律【l 】：一方面，在微尺度下，物质的 输送和能量的转换都发生在一个有限的微小结构内，而任何不可逆过程中能量 的耗散必然有一部分是以热的形式体现的，随着器件和系统特征尺寸从微米量 级进入到纳米量级，微纳系统内的热流密度将大大增加，而高的热流密度对于 电子器件是致命的，并且电子器件的可靠性对温度十分敏感，器件温度在7 0 8 0 水平上每增加1 ，可靠性就会下降5 ；另一方面，当系统的特征尺寸进入 到微纳米量级时，系统的热惯性将迅速地下降，热惯性的减小使得很多在常规 尺度下难以实现的过程在微尺度下可以实现，并且实现过程更快，灵敏度更高。 另外，在微尺度下，基于连续介质理论的传热规律己不再适用，传热具有微尺 度效应1 2 】。因此，对于所有微纳电子器件和微纳电子机械系统的设计和应用而 言，全面掌握系统在微纳尺度下的性质及材料的热物性、热行为是相当重要的。 同时，微尺度传热的进展将在很大程度上影响微纳电子技术和微纳机电系统的 发展。 a1 ：o ，z n 0 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 目前，微尺度传热已取得了很大的进展，但是要建立完善的理论体系还需 要进一步地发展。在实验方面，3 法和瞬态热反射法的提出和运用在很大程度 上促进了微尺度传热的实验研究，并取得了很大成绩。但总的来说，实验技术 和实验方法还不成熟，虽然提出了许多新方法和新思路，但仍需要时间和大量 实践的检验。在数值模拟方面，各种模拟方法的提出和应用为在微尺度下研究 系统的传热特性提供了有效手段，大大地弥补了实验的不足。其中，最主要的 模拟方法是基于原子分子水平的分子动力学方法。并且随着计算机性能的不断 提高以及大规模并行机的出现，为提高模拟效率提供了必要的条件。 1 2 薄膜热导率的研究现状 薄膜材料是微纳电子器件的重要组成部分，其导热性能在很大程度上决定 了微纳电子器件和微纳机械电子系统的可靠性和使用寿命。因此，研究薄膜的 导热性能对于科学实现微纳电子器件的热设计、热管理以及器件的优化设计都 具有重要意义。研究表明，在微尺度传热领域中，薄膜热导率不再是一个状态 量，而是一个与温度、尺寸等有关的过程量【3 1 。由于实验条件的限制，薄膜导 热性能的研究主要采用数值模拟方法，其中最常用的是分子动力学方法。 s u s u m uk o t a k e 4 】等人对固体材料的热传导过程进行了分子动力学模拟，指出晶 格缺陷的存在会阻碍热传导过程，并且在缺陷处存在很大的温差。l u k e s 5 】等人 采用分子动力学方法研究了固体薄膜的热导率，得出热导率随着薄膜厚度的增 加而增大，这与根据实验数据预测的结果一致，表明在j 下确的条件下运用分子 动力学方法计算固体薄膜的热导率是切实可行的。冯晓利1 6 】等人采用分子动力 学方法研究了厚度为微纳米量级的固体薄膜在垂直于膜平面方向的导热系数， 发现纳米薄膜导热系数具有尺寸效应。并且模拟结果与声子b o l t z m a n n 输运方 程的近似解相一致，揭示了导热系数的尺寸效应来源于薄膜边界对声子的散射。 叶杰成【7 】等人采用平衡态分子动力学方法模拟了铜薄膜的热导率，发现铜薄膜 的热导率不仅与薄膜厚度有依赖关系，还与温度有一定的依赖关系。h e n r yj c a s t e j o n t 8 】采用非平衡分子动力学方法计算了固体材料的热导率，得出热导率与 温度有关。k i t a g a w a 和s h i b u t a n i l 9 】采用平衡态分子动力学方法模拟了氮化铝在 不同温度下的导热系数，模拟结果表明基于g r e e n k u b o 方程的分子动力学模拟 2 江苏大学硕士学位论文 得到的热导率与系统的平衡温度有很大的关系，在温度1 7 0 k 处得到最大值， 之后随着系统温度的升高，热导率逐渐降低。随着纳米技术的快速发展，以及 实验方法的提出和实验设备的研制，薄膜热导率的实验研究得到了长足的发展。 m i h a igb u r z o 1 0 】采用瞬态热反射测试系统测试s i 0 2 薄膜的热特性，结果表明在 薄膜厚度为1 0 0 1 0 0 0 a 时，薄膜热导率与薄膜厚度没有依赖关系，但相比体材 料的热导率要小。同时研究了金属层与s i 0 2 薄膜间的界面热阻，指出在金属层 与s i 0 2 薄膜间沉积一层厚度为l o o a 的铬薄膜后，界面热阻将大大减小。s u n r o c kc h o i r l l 】等人分别利用射频磁控溅射法和离子束辅助射频溅射法在s i 衬底 上制备了t k l n 薄膜和s i c 薄膜，并采用3 法测试了薄膜的热导率。结果表明， t k l n 薄膜热导率随着薄膜厚度的增大而增大；在临界温度以下，薄膜的沉积温 度对薄膜热导率的影响很小。s y e da h m e d 1 2 】等人对3 ( i ) 法进行了改进，并测试 了金刚石薄膜的热导率。s u y u a nb a i 1 3 】采用瞬态热反射技术测试了室温下氧化 铝薄膜的热导率，得到薄膜厚度为3 3 0 1 0 0 0 n m 时，薄膜的热导率为 3 1 5 3 4 7 w m k 。同时，随着研究的深入，人们发现相比单层薄膜多层薄膜具 有更好的特性，故关于多层薄膜传热特性的研究在不断地展开。由于在多层薄 膜中，界面是重要的组成部分，故界面对多层薄膜的影响是不可忽略的。 s t e v e n s l l 4 】等人采用非平衡分子动力学模拟方法研究了固体一固体界面的热传导 特性，发现随着界面晶格失配的增大，界面热导将降低，并且界面热导与温度 有依赖关系，主要是与边界的弹性散射有关。p i n gy a n g 和n i n g b ol i a o 1 5 】f 1 6 】采 用分子动力学与有限元结合的多尺度模型研究了c u 和舢两种材料所形成界面 的传热特性，得到在界面处温度分布是不均匀的，在界面处会发生塑性变形， 并且内应力和系统温度都对界面的传热特性有影响。a b r 锄s o n 旧研究得出含有 一个界面的双层薄膜的有效热导率小于两种薄膜热导率平均值的一半，表明界 面对薄膜热导率有很大影响。t w u 和h o 1 8 】采用分子动力学方法对由两种材料所 构成的双层薄膜的热导率进行了研究，发现在界面处温度发生较大的跳变，研 究表明界面热阻是影响双层薄膜热导率的主要因素，并且随着两种材料差异的 增大热导率不断减小。x i n g a n gl i a n g l l 9 】采用非平衡分子动力学方法研究了界面 结构对双层纳米薄膜热阻的影响，得到界面效应对薄膜热导率有很大影响。 e n g l i s h 2 0 t i 开究了中间介质层对双层薄膜的影响，结果表明中间介质层可以提高 3 a1 ：03 z n 0 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 双层薄膜的热导，提高程度依赖于中间介质层与薄膜的匹配程度。李博翰【2 1 】等 人采用分子动力学方法对硅锗超晶格薄膜导热系数与界面晶格失配的关系进行 了研究，得出界面晶格失配在一定程度上降低了薄膜的传热性能。l i a o ，c n 吲 等人对b i t e 双层薄膜的热特性进行了研究，发现当对薄膜进行退火处理时， 薄膜的热导率有了很大程度的减小。 1 3 课题研究目的及主要内容 1 3 。1 研究目的 随着研究的深入，人们发现过渡金属氧化物在光电磁等方面都表现出优异 的性能，认为有可能会替代硅，具有潜在的应用价值，因而关于过渡金属氧化 物的研究成了当今研究的热点，但是目前关于这方面的研究还处在探索阶段。 氧化锌( z n o ) 是一种重要的过渡金属氧化物，也是一种i i 一族宽禁带半导体 材料瞄】；氧化铝( 鼬2 0 3 ) 是一种新型的i i i 一族宽禁带半导体材料【矧，两者由 于具有优良的物理和化学特性，在光电子了领域都有广泛的应用价值。双层薄 膜表现出比单层薄膜更好的性能，但目前对双层薄膜的研究主要是力学性能方 面而对双层薄膜的传热特性还缺乏足够的认识。 因此，本课题对a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜的热导率进行研究，探究2 0 3 z n o 双层薄膜在微纳尺度下的传热性能，找出触2 0 3 z n o 双层薄膜与单层薄膜在传 热方面的不同，并探索影响a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的内在机制。本课题的 研究对电子器件的优化设计和2 0 3 z n o 双层薄膜的深入研究都有一定的参考 价值。 1 3 2 研究的主要内容 基于以上分析，本论文将主要开展以下两个方面的研究： ( 1 ) a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的实验研究。 采用磁控溅射法在合适的衬底上制备不同厚度的触2 0 3 z n o 双层薄膜样 品，同时，为了热导率测试的需要，在所制备的a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜样品上溅 射一层金属薄膜用来吸收加热激光产生瞬态热流并反射探测激光。然后利用瞬 态热反射测试系统测试2 0 3 z n o 双层薄膜的热导率，并依据传输线理论建立 4 江苏大学硕士学位论文 传热模型，结合遗传算法对测试数据进行拟合从而提取2 0 3 z n o 双层薄膜的 热导率，研究a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜的传热特性。 ( 2 ) a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的数值模拟研究 采用分子动力学方法建立砧2 0 3 z n o 双层薄膜的分子动力学模型，选择合 适的初始条件后对舢2 0 3 z n o 双层薄膜的热导率进行数值模拟，研究温度和薄 膜厚度对2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的影响。 1 4 本章小结 本章对舢2 0 3 z n o 双层薄膜热导率的课题背景和研究现状进行了详尽的论 述，指出目前薄膜材料传热性能研究方面存在的问题与不足，最后提出本文的 主要研究内容。 5 al ：o ，z n 0 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 第二章薄膜制备和热导率测试方法 2 1 薄膜的制备方法 薄膜的制备方法很多，大致可分为物理法和化学法。其中，物理法主要包 括磁控溅射法、离子束溅射法、脉冲激光沉积法和分子束外延法等；化学法主 要包括化学气相沉积法、喷雾热解法和溶胶凝胶法等。现就较为常用的薄膜制 备方法作一介绍。 ( 1 ) 离子束溅射法 离子束溅射法【2 5 1 利用直流或高频电场使惰性气体( 通常为氩气) 发生电离， 在辉光放电时，电离产生的正离子和电子高速轰击靶材，使靶材上的原子或分 子溅射出来，然后沉积到衬底上形成薄膜。该方法的优点是可以精确地控制离 子束的能量、密度和入射角度来调整纳米薄膜的微观形成过程，而且可以把衬 底控制在较低的温度范围。但是该方法由于在溅射中使用高电压和气体，仪器 装置较为复杂，薄膜的形成受溅射气氛的影响较大，沉积速率较低。 ( 2 ) 脉冲激光沉积法 脉冲激光沉积法( p l d ) 2 6 1 是2 0 世纪8 0 年代后发展起来的一种真空物理 沉积方法，是一种很有竞争力的新工艺。在超高真空( 本底压强可达9 1 0 。8 p a ) 系统中将k r f 或a r f 激光器发出的高能激光脉冲汇聚在靶表面，使靶材料瞬时 熔融气化，并沉积到衬底上形成薄膜。p l d 法具有很多的优点，但其对沉积条 件的要求也高，同时p l d 在掺杂控制、平滑生长多层膜方面存在一定的困难， 因此难以进一步提高薄膜的质量。 ( 3 ) 溶胶凝胶法 溶胶凝胶( s 0 1 g e l ) 法【2 7 】是一种新型的技术，该方法的基本过程是：易于 水解的金属化合物在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝 胶化，再经过干燥、烧结等后处理，最后制得所需薄膜材料。采用s o l g e l 法时， 溶质、溶剂以及稳定剂的选取关系到薄膜的最终质量、成本以及工艺复杂程度。 优点是无需真空设备，因而大幅降低制作成本，简化了工艺且易于控制薄膜组 6 江苏大学硕士学位论文 分，生成的薄膜对衬底的附着力强。另外，此法还可在分子水平控制掺杂，尤 其适合于制备掺杂水平要求精确的薄膜。 ( 4 ) 化学气相沉积法 化学气相沉积( c v d ) 【2 8 】是将反应物由气相引入到衬底表面发生反应，形 成薄膜的一种工艺。它的实质是在催化条件下发生的氧化还原反应。采用该方 法制各的薄膜质量不是很高，需要改善气体输入的位置并尽可能地限制其气相 反应。 ( 5 ) 磁控溅射法 磁控溅射法【2 9 】的工作方式基本上和离子束溅射法相同，只是磁控溅射在阳 极( 衬底) 与阴极( 靶材) 之间加一个正交磁场和电场，电场和磁场方向相互 垂直。磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，增加了同工作气体分 子的碰撞几率，提高了工作气体的电离效率，因而在同样的电流和气压下可以 显著地提高溅射的效率和沉积的速率。一般磁控溅射的沉积速率可以比其他溅 射方法高出一个数量级。另外，电子与气体分子碰撞几率的提高使得工作气压 可以明显降低，这一方面降低了薄膜的污染；另一方面提高了入射到衬底表面 原子的能量，因而将可以在很大程度上改善薄膜的质量。 2 2 薄膜热导率的测试方法 由于薄膜的特征尺寸为微纳米量级，对薄膜热物性的测试较为困难。到目 前为止，虽然人们提出了各种适用于薄膜材料热物性测试的实验方法，但还是 不成熟，测试方法也没有统一的标准。而且，在已提出的测试方法中，关于薄 膜热导率测试的方法较少，当薄膜较薄时仍然不能测试。根据测温元件是否与 待测薄膜样品接触，可以将热导率测试方法分为接触式和非接触式。接触式方 法主要有：36 0 法、单带法、双桥法和热比较器法；非接触式方法主要有瞬态热 反射法和差分激光检测方法。 ( 1 ) 接触式测试方法 接触式测试方法中，最为常用的是3 法。而对于其它接触式测试方法， 如单带法、双桥法和热比较器法，由于对测试条件要求比较严格，而且测量误 差较大，故在测试薄膜热导率时用的很少。在此主要介绍36 0 法的测试原理。 7 al ：03 z n o 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 36 0 法最早用于测量各向同性低热导率绝缘体材料的热导率的测量，后来这 种方法成功地应用于沉积在良热导率衬底上的薄膜的测量【刈。36 0 法测试薄膜热 导率时须在薄膜上制一金属桥，其宽度为b 且6 d ( d 为薄膜的厚度) ，长度 为z 。薄膜样品的结构如图2 1 所示。a ) 为样品结构的截面图，b ) 为金属桥的 示意图。在测试时，金属桥同时作为加热器和测温装置。 。l “ 1 厂i 隐膜 l a ) 薄膜样品截面结构 b ) 金属桥结构示意图 图2 13 i ，法的测试结构 f i g 2 1t e s ts t r u c t u r eo f3 t dm e t h o d 在r 、i 两电极上通一交流电，= i oc o s c o t ，此电流在金属桥上产生的焦耳 热功率为【删： p o ) = 委，。2 尺( 1 + c o s 2 c o t ) ( 2 1 ) 其中，而是交流电的峰值，尺为金属桥的电阻，为交流电的角频率。 金属桥吸收热量后产生频率为2 的温度波。同时，对于纯金属，温度的 上升使电阻增加，增加的电阻的变化频率也是2c o ，增加的电阻与频率为6 0 的 交流电共同作用产生频率为36 0 的电压【3 1 1 。 金属桥阻值与温度成正比且满足【捌： 尺o ) = 尺o 1 + a a t c o s ( 2 c o t 一矽) 】 ( 2 2 ) 其中，尺。是通交流电前金属桥的电阻，a 为温度系数，j f l 为金属桥温度的变化， 钠相位角。 则电极y + 、y 一两端的电压为【3 0 1 ： y o ) = ，( f ) 尺( f ) = ，。r oc o s 耐+ 1 1i 。r o a a t c o s ( 耐一矽) + c o s ( 3 耐一矽) 】 ( 2 3 ) 8 江苏大学硕士学位论文 变化丁与频率为3 ( i ) 的电压e 。的关系为【刈： 丁：鱼量 ( 2 4 ) 其中，温度系数口：一1 _ = d r 。 薄膜上下表面的温度差乃与频率无关【捌。 兄= 塞 ( 2 5 ) 衬底与介质层交界处的温度乙 3 0 l ： 小去i l i l 妒 啦，卜乃汜6 ， 9 a1 ：03 z n 0 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 待测薄膜材料的热导率可表示为k ：= d ( 一r l - r 2 ) ，d 为薄膜的厚度。如果薄 膜的厚度较大不能忽略热容效应，则需要更复杂的公式【3 3 1 。 当忽略薄膜热容，则表面温度随时间的变化关系可表示为【3 0 1 ： z o ) = t o + a te x p ( - t a h c ) ( 2 7 ) 其中，r o 为薄膜样品被加热前的温度，丁为样品被加热后温度升高的最大值， g 为单位面积上的热导，h 为金属层的厚度，c 为金属层的体比热容。由温度 的衰减周期可以得到温度的衰减时间常数h c g ，从而可以得到g 。 图2 2 瞬态热反射测试方法的原理 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo ft h et r a n s i e n tt h e r m o r e f l e c t a n c em e t h o d 采用瞬态热反射法测试热导率，克服了由导线带走热量而造成的误差。该 测试方法的最大优点是不用知道准确的温度值，只需要知道它的相对变化即可， 故金属层的反射率无需校正。 2 3 本章小结 i+ v 本章系统地介绍了当前薄膜制备的主要方法及薄膜热导率测试的常用手 段，对不同薄膜制备方法及薄膜热导率测试方法进行了评价分析，为后续 a 1 2 0 3 z n o 双层纳米薄膜的制备以及热导率的测试提供理论技术支持。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第三章ai ：0 j z n 0 双层薄膜的制备与热导率的测试 3 1a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜样品的制备 3 1 1 实验准备 3 1 1 1 薄膜制备方法的选择 通过对各种薄膜制备方法进行比较，磁控溅射法具有如下优势：所制备 薄膜均匀性较好；薄膜与衬底的结合较好，结合力强；衬底的性质对所制 各薄膜的影响较小；沉积效率较高；通过调节溅射工艺参数可以较方便地 控制和改善薄膜的性质。因此，本次采用磁控溅射法制备a 1 2 0 3 z n o 双层薄膜 样品，实验设备选用了f j l 6 0 0 e 1 高真空多功能离子束溅射与磁控溅射镀膜装 置，如图3 1 所示，该设备共有5 个靶位( a 、b 、c 、d 、e ) 。如图3 2 所示为 磁控溅射的工作原理，当室内气压达到一定值时，在阳极( 衬底) 与阴极( 靶 材) 之间加上高压会发生放电现象，即辉光放电现象。辉光放电使惰性气体( ) 发生电离，电离产生的a r 离子在电场和磁场的作用下轰击靶材，使靶材原子溅 射出来，并在衬底上沉积形成薄膜。本次薄膜样品制备主要用到磁控溅射部分， 该部分的气路系统简图如图3 3 所示，其中v 和g 表示阀门，t 表示分子泵， d f 表示电磁阀，r 表示机械泵。 缪笏i “鬻 图3 1f j l 6 0 0 e 1 型磁控溅射设备 f i g 3 1f j l 6 0 0 e 1m a g n e t r o ns p u t t e r i n gm a c h i n e a1 ：03 z n 0 双层薄膜热导率的实验及数值模拟研究 l衬底 i 靶原予 i j 尿3 司 。； ，一、，热、 靶材 ns n sns 图3 2 磁控溅射的工作原理 f i g 3 2t h ep r i n c i p l e o fm a g n e t r o ns p u t t e d n g 图3 3 磁控溅射设备气路系统 f i g 3 3t h eg a sc i r c u i ts y s t e mo fm a g n e t r o ns p u t t e r i n ge q u i p m e n t 3 1 1 2 实验材料 ( 1 ) 衬底的选择 制备薄膜时需要选择合适的衬底，不同衬底材料与薄膜的结合状况不同， 并且衬底材料的选择与所制备薄膜的性质有关。目前，普遍选用的衬底有玻璃 和硅，通过讨论，本次实验的衬底选用硅( s i ) ，一方面，s i 衬底与z n o 薄膜 1 2 江苏大学硕士学位论文 的结合性较好；另一方面，对薄膜样品进行热导率测试时，采用激光对样品加 热，相比玻璃衬底，s i 衬底更加适合。衬底表面的粗糙度、平面度等都会影响 薄膜的生长情况以及薄膜和衬底问的结合强度，进而影响薄膜的性质。因此， 对硅片的一个表面进行抛光处理以提高其表面质量。考虑到样品在测试时装夹 的方便，衬底的尺寸定为1 0 m m 1 0 m m 0 5 m m 。 ( 2 ) 靶材的选择 该磁控溅射设备中既有射频靶又有直流靶，因此，采用磁控溅射法制备 2 0 3 z n o 双层薄膜有三种方法，分别是射频磁控溅射法、直流磁控溅射法和 反应磁控溅射法。射频磁控溅射法主要用于制各氧化物薄膜，并且靶材的导电 性较差，一般为陶瓷靶，如z n o 、t i 0 2 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 等；直流磁控溅射法主要 用于制备金属薄膜，并且靶材导电性较好，一般为金属靶，如a u 、c u 、a i 、w 、 c r 等；反应磁控溅射法主要用于制备氧化物薄膜，与射频磁控溅射法不同的是 所用的靶材为金属靶，在溅射过程中通入反应气体( 一般为氧气) 。由此，制备 2 0 3 薄膜和z n o 薄膜都有两种方法，一种是射频磁控溅射法，即直接采用陶 瓷靶溅射制备薄膜，另一种是直流反应磁控溅射法，即采用金属靶，在溅射过 程中通入氧气发生反应从而制备薄膜。不同的制备方法对薄膜的形成过程和薄 膜的性质都有一定的影响，由于采用反应磁控溅射法制备陶瓷薄膜时，薄膜的 成分较难控制，并且所选用的衬底材料为硅( s i ) ，采用反应法制备薄膜时将对 薄膜的生长质量有影响。同时，考虑到射频磁控溅射法的诸多特点：靶材适 用材料范围广，溅射功率调节方便；靶材自偏压效应；沉积速率高。并且， 采用射频磁控溅射法制备的薄膜更加均匀，与衬底的结合强度更大，质量更好。 故本次薄膜制备实验便采用射频磁控溅射法来制备舢2 0 3 z n o 双层纳米薄膜， 相应的靶材选为2 0 3 陶瓷靶和z n o 陶瓷靶。靶材的尺寸和纯度见表3 1 。 表3 1 实验材料的相关参教 t a b 3 1t h em a t e r i a lp a r a m e t e r so fs a m p l e s p r e p a r a t i o n 材料 2 0 3 靶z n o 靶 纯度9 9 9 9 9 9 9 9 尺寸 5 0t o n i x 31 1 1 1 1 1 5 0 m m 3m i l l a1 ：0 。z n 0 双层薄膜热导率的实验及数值模