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,器件的散熱性能對其運行狀態(tài)有很大的影響。對于納米尺度的結(jié)構(gòu)和器件,材料之間的界面在熱傳輸過程中起到關(guān)鍵作用,因此,需要對界面熱阻進行深入的研究,以指導(dǎo)微電子器件設(shè)計和制造等應(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,界面熱阻的理論和實驗研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。
　　 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)熱反射實驗系統(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)作為實驗系統(tǒng)的光源,輸出的激光脈寬約為100飛秒。光學(xué)系統(tǒng)是實驗系統(tǒng)的核心,由泵浦光光路和探測光光路兩部分組成。首先,激光束被分束器分成泵浦光和探測光；其次,泵浦光通過聲光調(diào)制器調(diào)制至設(shè)定頻率,探測光經(jīng)過電控位移平臺實現(xiàn)特定時間延遲；最后,泵浦光和探測光均聚焦與樣品表面同一點。數(shù)據(jù)采集和儀器控

3、制系統(tǒng)由光電探測器、鎖相放大器、計算機軟硬件等電子儀器共同組成。其主要功能是對信號進行提取放大,并實現(xiàn)各儀器的自動運行和控制。在實驗系統(tǒng)建立過程中,對傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)進行了改進,便于實驗調(diào)節(jié)；設(shè)計編寫了系統(tǒng)軟件,實現(xiàn)了實驗系統(tǒng)的自動運行；此外,對整個系統(tǒng)進行了優(yōu)化,以提高實驗信噪比,減小實驗誤差。超快脈沖激光加熱金屬是一個先非平衡熱傳輸后平衡熱傳輸?shù)倪^程。目前,金屬中微尺度非平衡熱輸運過程采用拋物兩步模型描述,平衡熱輸運則滿足經(jīng)典傅里葉定

4、律。
　　 本文在兩個模型基礎(chǔ)上,對現(xiàn)有界面熱阻模型進行了分析和對比,提出了新的修正模型,并完成了對應(yīng)的數(shù)值模擬計算。利用飛秒激光瞬態(tài)熱反射實驗系統(tǒng)對Al膜／Si基底、Au膜／Si基底和Au膜／SiO2基底等樣品進行了實驗測試,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)測值