Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von dünnen Schichten
Die 3ω-Methode ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Bestimmung der
thermischen Leitfähigkeit von Volumenmaterialien als auch von dünnen Schichten.
Jedoch ist es für den letzten Fall erforderlich, einige Randbedingungen bei der
Messung so festzulegen, dass im Allgemeinem von einem eindimensionalem
Wärmefluss ausgegangen werden kann.
Naturgemäß ist es nicht möglich, diese Randbedingungen immer zu erfüllen, weswegen verbesserte zweidimensionale Modelle entwickelt wurden. Jedoch werden all diese Modelle meist für den Fall einer thermisch isolierenden Schicht auf einem Substrat angewendet. Für den Fall einer Schicht, welche thermisch besser leitet als das Substrat auf welchem sie sich befindet, bleibt meist nur die Möglichkeit das Substrat zu entfernen, um so die Schicht allein vermessen zu können. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt um für den Fall einer
anisotropen Schicht, welche thermisch besser oder gleich leitend ist wie das Substrat, eine 3ω-Messungen durchzuführen. Zu diesem Zweck wird ein
3ω-Messplatz aufgebaut und getestet. Nach der Vermessung verschiedener nanokristalliner Diamantschichten und einiger DLC-Schichten wird anhand einer mikrokristallinen Diamantschicht das neue Verfahren demonstriert, welches auf einer Kopplung zweier 3ω-Messungen über einer Phasenverschiebung beruht. Es kann gezeigt werden, dass mit dieser Methode weitere Messdaten von der Schicht extrahiert werden können, welche mit einer einfachen 3ω-Messung nicht zugänglich wären.
The 3ω-method is a widely used technique for determining the thermal
conductivity of bulk materials as well as thin films. However, for thin films it is required to set some boundary conditions, so that an one-dimensional heat flow can be assumed during the measurement. Naturally, it is not always possible to fulfill these boundary conditions, that is why improved two-dimensional models have been developed. However, all these models are usually applied in the case of a thermal insulating film on a substrate. In case of a thin film which is thermally
a better conductor than the substrate it is usually not possible to define any
anisotropic thermal behavior of the film using this technique.
In this work a possible method for the case of a thermally better conducting
anisotropic film on a substrate is presented. A different approach based on the
3ω-method introducing a seperated thermometer in the form of a second
3ω measuring system is used. By coupling both systems and introducing a phase shift to the two currents, the thermal damping of the thin film can be extracted and thus, the thermal conductivity can be defined. For this purpose a complete 3ω-device is built up from scratch and several
different types of thin films are measured. The new method is finally introduced
and applied for a microcrystalline diamond film on a silicon substrate. It is shown
how further data can be acquired by this method making it possible to measure
an anisotropic thermal behavior even on a silicon substrate.
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