金剛石薄膜熱導(dǎo)率測(cè)量的難點(diǎn)和TDTR解決方案

金剛石

從4000年前，印度首次開(kāi)采以來(lái)，金剛石在人類歷史上一直扮演著比其他材料引人注意的角色，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，誠(chéng)勿論加之其因稀缺而作為財(cái)富和聲望象征屬性。單就一系列非凡的物理特性，例如：

已知最硬的材料，在室溫下具有最高的熱導(dǎo)率，寬的透光范圍，最堅(jiān)硬的材料，可壓縮性最小，并且對(duì)大多數(shù)物質(zhì)是化學(xué)惰性，就足以使得其備受推崇，所以金剛石常常被有時(shí)被稱為“終極工程材料”也不那么為人驚訝了。

一些金剛石的物理特性

解決金剛石的稀缺性的工業(yè)方案：金剛石的化學(xué)氣相沉積（CVD）

高溫高壓

但是因?yàn)榇笮吞烊汇@石的成本和稀缺性，金剛石的工業(yè)化應(yīng)用一致非常困難。200 年前，人們就知道鉆石是僅由碳組成（Tennant 1797），并且進(jìn)行了許多嘗試以人工合成金剛石，作為金剛石在自然界中最常見(jiàn)的同素異構(gòu)體之一的石墨，被嘗試用于人造金剛石合成。

雖然結(jié)果確被證明其過(guò)程是非常困難

因?yàn)槭徒饎偸m然標(biāo)準(zhǔn)焓僅相差 2.9 kJ mol-1 （Bundy 1980），但因?yàn)橐粋€(gè)大的活化勢(shì)壘將兩相隔開(kāi)，阻止了石墨和金剛石在室溫和大氣下相互轉(zhuǎn)化。

有趣的是，這種使金剛石如此稀有的巨大能量屏障也是金剛石之所以成為金剛石的原因。

但是終究在1992年，一項(xiàng)稱之為HPHT（high-pressure high-temperature）生長(zhǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，并隨著通用電氣發(fā)布為幾十年來(lái)一直用于生產(chǎn)工業(yè)金剛石的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

在這個(gè)過(guò)程中，石墨在液壓機(jī)中被壓縮到數(shù)萬(wàn)個(gè)大氣壓，在合適的金屬催化劑存在下加熱到 2000 K 以上，直到金剛石結(jié)晶。由此產(chǎn)生的金剛石晶體用于廣泛的工業(yè)過(guò)程，利用金剛石的硬度和耐磨性能，例如切割和加工機(jī)械部件，以及用于光學(xué)的拋光和研磨。

高溫高壓法的缺點(diǎn)是它只能生產(chǎn)出納米級(jí)到毫米級(jí)的單晶金剛石，這限制了它的應(yīng)用范圍。

直到金剛石的化學(xué)氣相沉積（CVD）生產(chǎn)方法以及金剛石薄膜的出現(xiàn)，該金剛石的形式可以允許其更多的最高級(jí)特性被利用。

金剛石的化學(xué)氣相沉積（CVD）生產(chǎn)方法

相比起HPHT 復(fù)制自然界金剛石產(chǎn)生的環(huán)境和方法，化學(xué)氣相沉積選擇將碳原子一次一個(gè)地添加到初始模板中，從而產(chǎn)生四面體鍵合碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)果。

化學(xué)氣相沉法，顧名思義，其主要涉及在固體表面上方發(fā)生的氣相化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致沉積到該表面上。

下圖展示了一些比較常見(jiàn)的制備方法

金剛石薄膜

一旦單個(gè)金剛石微晶在表面成核，就會(huì)在三個(gè)維度上進(jìn)行生長(zhǎng)，直到晶體聚結(jié)。而形成了連續(xù)的薄膜后，生長(zhǎng)方向就會(huì)會(huì)限定會(huì)向上生長(zhǎng)。

因此得到的薄膜是具有許多晶界和缺陷的多晶產(chǎn)品，并呈現(xiàn)出從襯底向上延伸的柱狀結(jié)構(gòu)。

不過(guò)，隨著薄膜變厚，晶體尺寸增加，而缺陷和晶界的數(shù)量減少。這意味著較厚薄膜的外層通常比初始形核層的質(zhì)量要好得多。

下文中會(huì)提到的在金剛石薄膜用作熱管理散熱器件時(shí)，通常將薄膜與其基材分離，最底部的 50-100 um 是通過(guò)機(jī)械拋光去除。盡管如此，在 CVD 過(guò)程中獲得的金剛石薄膜的表面形態(tài)主要取決于各種工藝條件，導(dǎo)致其性能表現(xiàn)個(gè)不一致，相差很大。這也為作為散熱應(yīng)用中的一些參數(shù)測(cè)量，例如熱導(dǎo)率等帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

金剛石薄膜的熱管理應(yīng)用

金剛石薄膜在作為散熱熱管理材料應(yīng)用時(shí)，有著出色的前景，與此同時(shí)也伴隨著巨大挑戰(zhàn)。

一方面，而在熱學(xué)方面，金剛石具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率（1000~2000Ｗ/(m·K )），比碳化硅（SiC）大4倍，比硅（Si）大13倍，比砷化稼（GaAs）大43倍，是銅和銀的4~5倍，目前金剛石熱沉片大有可為。

下圖展示了常見(jiàn)材料和金剛石材料的熱導(dǎo)率參數(shù)：

另一方面，但人造金剛石薄膜的性能表現(xiàn)，往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一高水平。

并且就日常表現(xiàn)而言，現(xiàn)代大功率電子和光電器件（5G應(yīng)用，半導(dǎo)體芯片散熱等）由于在小面積內(nèi)產(chǎn)生大量熱量而面臨嚴(yán)重的冷卻問(wèn)題。為了快速制冷，往往需要一些高導(dǎo)熱性材料制成的散熱片/散熱涂層發(fā)熱端和冷卻端（散熱器，風(fēng)扇，熱沉等等）

CVD 金剛石在很寬的溫度范圍內(nèi)具有遠(yuǎn)優(yōu)于銅的導(dǎo)熱率，而且它還具電絕緣的優(yōu)勢(shì)。

早在1996年沃納等人就在可以使用導(dǎo)熱率約為 2 W mm-1 K-1 的大面積 CVD 金剛石板用于各種熱管理應(yīng)用。 包括用于集成電路的基板（Boudreaux 1995），用于高功率激光二極管的散熱器（Troy 1992），甚至作為多芯片模塊的基板材料（Lu 1993）。從而使得器件更高的速度運(yùn)行，因?yàn)樵O(shè)備可以更緊密地安置而不會(huì)過(guò)熱。 并且設(shè)備可靠性也有望提高，因?yàn)閷?duì)于給定的器件，安裝在金剛石上時(shí)合流合度會(huì)更低。

比起現(xiàn)在流行的石墨烯，金剛石也有著其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR）在CVD金剛石薄膜熱學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用挑戰(zhàn)

金剛石薄膜的熱導(dǎo)率表征不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，特別是在膜層厚度很薄的情況下美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的電子熱管理金剛石薄膜熱傳輸項(xiàng)目曾經(jīng)將將來(lái)自五所大學(xué)的研究人員聚集在一起，全面描述CVD金剛石薄膜的熱傳輸和材料特性，以便更好地進(jìn)一步改善熱傳輸特性，可見(jiàn)其在應(yīng)用端處理優(yōu)化之挑戰(zhàn)。

而這其中，用于特殊需求材料熱導(dǎo)率測(cè)量的飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR）（又叫飛秒時(shí)域熱反射（TDTR）測(cè)試系統(tǒng)）發(fā)揮了極其重要的作用，它在精確測(cè)量通常具有高表面粗糙度的微米厚各向異性薄膜的熱導(dǎo)率的研究，以及在某些情況下，CVD金剛石薄膜的熱導(dǎo)率和熱邊界改善研究，使其對(duì)大功率電子器件的熱管理應(yīng)用根據(jù)吸引力的研究上發(fā)揮了決定性指導(dǎo)作用。

常見(jiàn)的材料熱學(xué)測(cè)試方法，包括閃光法（Laser Flash），3-Ω法，穩(wěn)態(tài)四探針?lè)?，懸浮電加熱法，拉曼熱成像法，時(shí)域熱反射法（TDTR）等。

而對(duì)于CVD金剛石薄膜的熱學(xué)測(cè)量，受限于在過(guò)程中可能需要多層解析、精細(xì)的空間分辨率、高精度分析，以及解析薄膜特性和界面的能力，飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR）（又叫飛秒時(shí)域熱反射（TDTR）測(cè)試系統(tǒng)）已成為為過(guò)去十年來(lái)最普遍采用的的熱導(dǎo)率測(cè)量方法之一。

飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR）

飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR），也被稱為飛秒時(shí)域熱反射（TDTR）測(cè)量，被用于測(cè)量0.1 W/m-K至1000 W/m-K，甚至更到以上范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率

系統(tǒng)適用于各種樣品測(cè)量，如聚合物薄膜、超晶格、石墨烯界面、液體等。

總的來(lái)說(shuō)，飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR）是一種泵-探針光熱技術(shù)，使用超快激光加熱樣品，然后測(cè)量其在數(shù)ns內(nèi)的溫度響應(yīng)。泵浦（加熱）脈沖在一定頻率的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)制，這不僅可以控制熱量進(jìn)入樣品的深度，還可以使用鎖定放大器提取具有更高信噪比的表面溫度響應(yīng)。

探測(cè)光（溫度感應(yīng)）脈沖通過(guò)一個(gè)機(jī)械級(jí)，該機(jī)械級(jí)可以在0.1到數(shù)ns的范圍內(nèi)延遲探頭相對(duì)于泵脈沖的到達(dá)，從而獲取溫度衰減曲線。

如上文提到，因?yàn)樯L(zhǎng)特性，導(dǎo)致典型的金剛石樣品是粗糙的、不均勻的和不同厚度特性的

這就為飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR）的CVD 金剛石薄膜熱學(xué)測(cè)量帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。

具體而言，粗糙表面會(huì)影響通過(guò)反射而來(lái)的探測(cè)光采集，且過(guò)于粗糙導(dǎo)致實(shí)際面型為非平面，這對(duì)理論熱學(xué)傳遞建模分析也會(huì)引入額外誤差，在某些情況下，可以對(duì)樣品進(jìn)行拋光以降低表面粗糙度，但仍必須處理薄膜的不均勻和各向性質(zhì)差異。

對(duì)于各向異性材料，存在 2D 和 3D 各向異性的精確解析解，但這使得熱導(dǎo)率和熱邊界電阻的確定更加困難，并且具有額外的未知屬性。

即使樣品中和傳導(dǎo)層鋁模之間總是存在未知的邊界熱阻，但是通常使用單個(gè)調(diào)制頻率可以從樣本中提取兩個(gè)未知屬性，這意味著在大多數(shù)情況下測(cè)量可以提取層熱導(dǎo)率。

然而，對(duì)于金剛石樣品，樣品內(nèi)縱向和橫向熱導(dǎo)率是不同的，這意味著需要額外的測(cè)量來(lái)提取這兩種特性；這可以通過(guò)改變一些系統(tǒng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)校正，參見(jiàn)系統(tǒng)參數(shù)描述（詳情聯(lián)系請(qǐng)上海昊量光電）。

另一個(gè)困難是確定金剛石 CVD 的熱容量，根據(jù)生長(zhǎng)質(zhì)量和樣品中存在的非金剛石碳（NDC）的數(shù)量，生長(zhǎng)出來(lái)的金剛石的熱容量值相差極大。在這種情況下對(duì)于<5 um的金剛石薄膜，測(cè)量將完全穿透金剛石樣品，抵達(dá)樣品到下面的基底材料

（上圖不同情況下的金剛石薄膜TDTR測(cè)量分析手段將會(huì)有很大不同）

這使得測(cè)量對(duì)金剛石-基底邊界電阻也很敏感。這意味著測(cè)量可能總共有五個(gè)未知參數(shù)：1）鋁膜-金剛石間邊界熱阻，2）金剛石內(nèi)橫向熱導(dǎo)率，3）金剛石內(nèi)縱向熱導(dǎo)率，4）金剛石熱容量，5）金剛石-基底材料間邊界熱阻

即使結(jié)合一定分析處理手段，見(jiàn)設(shè)備說(shuō)明（詳情聯(lián)系請(qǐng)上海昊量光電），準(zhǔn)確提取所有未知參數(shù)也很困難。

一些常見(jiàn)影響

樣品尺寸

確認(rèn) 測(cè)量相對(duì)于樣本尺寸的采樣量很重要；飛秒高速熱反射測(cè)量（FSTR）通常是基于標(biāo)準(zhǔn)體材料傳熱建模，而現(xiàn)在一些測(cè)量的塊體材料樣品越來(lái)越小，對(duì)于高質(zhì)量的單晶半導(dǎo)體，基于塊體材料的傳熱模型分析假設(shè)是有效的，但是對(duì)于更多缺陷和異質(zhì)材料，例如 CVD 金剛石，這個(gè)假設(shè)就只是一個(gè)近似值。

縱向均勻性

通常而言，金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中，顆粒梯度會(huì)非常大，這也可能會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率梯度非常大。

此外，非金剛石碳（NDC，non-diamond carbon）含量、晶粒尺寸或表面粗糙度的局部變化也可能影響熱導(dǎo)率的局部測(cè)量。TDTR測(cè)量中，可以 通過(guò)控制調(diào)制頻率，從而實(shí)現(xiàn)加熱深度控制，從而實(shí)現(xiàn)采樣深度控制（詳細(xì)技術(shù)討論聯(lián)系請(qǐng)上海昊量光電）

對(duì)于不同熱導(dǎo)率樣品和不同加熱頻率，測(cè)量薄膜中采樣 可能從1-2 um 到 20 um 不等 （相對(duì)應(yīng)的，薄膜厚度超過(guò)300微米）

其他

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審核編輯 黃昊宇