JP3294206B2 - 微小領域熱物性測定装置 - Google Patents
微小領域熱物性測定装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は熱反射法を用いて微
小領域の熱浸透率分布を測定する装置に関し、特に、試
料表面の微小領域に加熱用レーザと測定用レーザを集光
させ、その測定用レーザの反射光を検出して試料の熱物
性値を算出する微小領域熱物性測定装置に関する。
小領域の熱浸透率分布を測定する装置に関し、特に、試
料表面の微小領域に加熱用レーザと測定用レーザを集光
させ、その測定用レーザの反射光を検出して試料の熱物
性値を算出する微小領域熱物性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、熱伝導測定法にはレーザフラッシ
ュ法が知られている。この方法は直径１０ｍｍ，厚さ１
ｍｍ以上の試料サイズが必要であり、測定した熱伝導は
その平均を示す熱物性値であった。産業界においてはよ
り小さな範囲、即ちミクロン単位の熱物性値の分布を知
りたい要求はあったが、実用的な方法はなかった。薄膜
は工業的に広く使用されており、特に半導体電子デバイ
スや記録媒体は集積度及び性能向上のために微細構造
化、複雑化が進んでいる。これらを構成する微小な各素
材の熱物性値はデバイスの熱設計において必要とされる
が、一般的にその測定はバルク材料の測定に比べて難し
い。１マイクロメートル以下の薄膜の熱拡散率を計測す
るためにピコ秒パルスレーザを用いた「ピコ秒サーモリ
フレクタンス法薄膜熱拡散率計測システム」が開発され
ている。ところが、本システムでは１点の熱拡散率を計
測するのに約３０分かかり、試料表面の熱物性値分布の
測定は時間的な制約のため、ほとんど不可能である。
ュ法が知られている。この方法は直径１０ｍｍ，厚さ１
ｍｍ以上の試料サイズが必要であり、測定した熱伝導は
その平均を示す熱物性値であった。産業界においてはよ
り小さな範囲、即ちミクロン単位の熱物性値の分布を知
りたい要求はあったが、実用的な方法はなかった。薄膜
は工業的に広く使用されており、特に半導体電子デバイ
スや記録媒体は集積度及び性能向上のために微細構造
化、複雑化が進んでいる。これらを構成する微小な各素
材の熱物性値はデバイスの熱設計において必要とされる
が、一般的にその測定はバルク材料の測定に比べて難し
い。１マイクロメートル以下の薄膜の熱拡散率を計測す
るためにピコ秒パルスレーザを用いた「ピコ秒サーモリ
フレクタンス法薄膜熱拡散率計測システム」が開発され
ている。ところが、本システムでは１点の熱拡散率を計
測するのに約３０分かかり、試料表面の熱物性値分布の
測定は時間的な制約のため、ほとんど不可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の問題点を解消し、試料表面の微小領域の熱物
性を高い空間分解能により測定することができる微小領
域熱物性測定装置を提供することにある。
従来技術の問題点を解消し、試料表面の微小領域の熱物
性を高い空間分解能により測定することができる微小領
域熱物性測定装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る微
小領域熱物性測定装置は、試料表面に金属薄膜を形成
し、該金属薄膜を通して前記試料表面を加熱する加熱用
レーザビームを発する加熱用レーザと、該加熱用レーザ
ビームを交流変調する変調器と、加熱した試料表面に照
射する測温用レーザビームを発する測温用レーザと、両
レーザビームを前記試料表面のほぼ同一位置に集光させ
る顕微鏡光学系と、測温用レーザビームの反射光を検出
する手段と、検出された反射光に基づいて試料の熱物性
値を算出する手段とを備え、測温用レーザビームの反射
光強度変化の加熱用レーザビーム強度変化に対する位相
遅れから熱物性値を算出することを特徴とする。請求項
２の発明に係る微小領域熱物性測定装置は、試料表面に
金属薄膜を形成し、該金属薄膜を通して前記試料表面を
加熱する加熱用レーザビームを発する加熱用レーザと、
該加熱用レーザビームを交流変調する変調器と、加熱し
た試料表面に照射する測温用レーザビームを発する測温
用レーザと、両レーザビームを前記試料表面のほぼ同一
位置に集光させる顕微鏡光学系と、測温用レーザビーム
の反射光を検出する手段と、検出された反射光に基づい
て試料の熱物性値を算出する手段とを備え、測温用レー
ザビームの反射光強度変化の加熱用レーザビーム強度変
化に対する相対強度から熱物性値を算出することを特徴
とする。また、試料をＸ，Ｙステージに設置し、顕微鏡
光学系に対する相対位置を二次元的に移動させ、熱物性
値の平面分布を測定することを特徴とする。
小領域熱物性測定装置は、試料表面に金属薄膜を形成
し、該金属薄膜を通して前記試料表面を加熱する加熱用
レーザビームを発する加熱用レーザと、該加熱用レーザ
ビームを交流変調する変調器と、加熱した試料表面に照
射する測温用レーザビームを発する測温用レーザと、両
レーザビームを前記試料表面のほぼ同一位置に集光させ
る顕微鏡光学系と、測温用レーザビームの反射光を検出
する手段と、検出された反射光に基づいて試料の熱物性
値を算出する手段とを備え、測温用レーザビームの反射
光強度変化の加熱用レーザビーム強度変化に対する位相
遅れから熱物性値を算出することを特徴とする。請求項
２の発明に係る微小領域熱物性測定装置は、試料表面に
金属薄膜を形成し、該金属薄膜を通して前記試料表面を
加熱する加熱用レーザビームを発する加熱用レーザと、
該加熱用レーザビームを交流変調する変調器と、加熱し
た試料表面に照射する測温用レーザビームを発する測温
用レーザと、両レーザビームを前記試料表面のほぼ同一
位置に集光させる顕微鏡光学系と、測温用レーザビーム
の反射光を検出する手段と、検出された反射光に基づい
て試料の熱物性値を算出する手段とを備え、測温用レー
ザビームの反射光強度変化の加熱用レーザビーム強度変
化に対する相対強度から熱物性値を算出することを特徴
とする。また、試料をＸ，Ｙステージに設置し、顕微鏡
光学系に対する相対位置を二次元的に移動させ、熱物性
値の平面分布を測定することを特徴とする。
【０００５】
【発明の作用】請求項１の発明によれば、交流変調した
加熱用レーザビームを数マイクロメートルのスポット径
で試料表面に集光加熱する。試料の表面温度は熱拡散に
より加熱の交流変動から位相遅れの変化を示す。その変
化の大きさは試料の熱物性値によって定まる。加熱用レ
ーザビームの同一位置に測温用レーザビームを集光する
と、その反射光の強度は試料表面の温度変化に比例して
変化する。従って、検出手段で検出した測温用レーザビ
ームの反射光に対する出力を加熱用レーザビームの強度
変化を参照信号としてロックイン増幅することにより試
料表面の周期的温度変化の加熱用レーザビームの強度の
周期的変化に対する位相遅れと相対強度が測定される。
測温用レーザビームの加熱用レーザビームに対する位相
遅れは金属薄膜の熱容量Ｃが小さく、試料の熱浸透率ｂ
ｓが大きいほど小さいので、測温用レーザビームの反射
光強度変化の加熱用レーザビーム強度変化に対する位相
遅れからＣ／ｂｓが求められる。また、加熱用レーザビ
ームおよび測温用レーザビームに対する吸収係数が小さ
い試料、または測温用レーザビームの反射率の温度係数
が小さい試料に対しても、その表面に金属薄膜を形成す
ることによりサーモリフレクタンス測定が実現される。
更に、測温用レーザビームの強度は試料表面の温度変化
に比例して変化する。加熱用レーザビームに対する試料
の吸収係数αが大きく、且つ熱拡散率κが大きいほど試
料表面の温度変化の位相遅れは小さいので、測温用レー
ザビームの反射光強度変化の加熱用レーザビーム強度変
化に対する位相遅れからα２κが求められる。請求項２
の発明によれば、測温用レーザビームの強度は試料表面
の温度変化に比例して変化する。加熱用レーザビームに
対する試料の吸収係数αが大きく、且つ熱拡散率κが大
きいほど試料表面の温度変化は大きいので、測温用レー
ザビームの反射光強度変化の加熱用レーザビーム強度変
化に対する相対強度からα２κが求められる。測温用レ
ーザビームの加熱用レーザビームに対する相対強度は金
属薄膜の熱容量Ｃが小さく、試料の熱浸透率ｂｓが大き
いほど大きいので、測温用レーザビームの反射光強度変
化の加熱用レーザビーム強度変化に対する相対強度から
Ｃ／ｂｓが求められる。請求項３の発明によれば、Ｘ，
Ｙステージにより試料の相対位置を操作しつつ位相遅れ
と相対強度の測定を継続することにより局所的な熱物性
値の二次元分布が求められる。
加熱用レーザビームを数マイクロメートルのスポット径
で試料表面に集光加熱する。試料の表面温度は熱拡散に
より加熱の交流変動から位相遅れの変化を示す。その変
化の大きさは試料の熱物性値によって定まる。加熱用レ
ーザビームの同一位置に測温用レーザビームを集光する
と、その反射光の強度は試料表面の温度変化に比例して
変化する。従って、検出手段で検出した測温用レーザビ
ームの反射光に対する出力を加熱用レーザビームの強度
変化を参照信号としてロックイン増幅することにより試
料表面の周期的温度変化の加熱用レーザビームの強度の
周期的変化に対する位相遅れと相対強度が測定される。
測温用レーザビームの加熱用レーザビームに対する位相
遅れは金属薄膜の熱容量Ｃが小さく、試料の熱浸透率ｂ
ｓが大きいほど小さいので、測温用レーザビームの反射
光強度変化の加熱用レーザビーム強度変化に対する位相
遅れからＣ／ｂｓが求められる。また、加熱用レーザビ
ームおよび測温用レーザビームに対する吸収係数が小さ
い試料、または測温用レーザビームの反射率の温度係数
が小さい試料に対しても、その表面に金属薄膜を形成す
ることによりサーモリフレクタンス測定が実現される。
更に、測温用レーザビームの強度は試料表面の温度変化
に比例して変化する。加熱用レーザビームに対する試料
の吸収係数αが大きく、且つ熱拡散率κが大きいほど試
料表面の温度変化の位相遅れは小さいので、測温用レー
ザビームの反射光強度変化の加熱用レーザビーム強度変
化に対する位相遅れからα２κが求められる。請求項２
の発明によれば、測温用レーザビームの強度は試料表面
の温度変化に比例して変化する。加熱用レーザビームに
対する試料の吸収係数αが大きく、且つ熱拡散率κが大
きいほど試料表面の温度変化は大きいので、測温用レー
ザビームの反射光強度変化の加熱用レーザビーム強度変
化に対する相対強度からα２κが求められる。測温用レ
ーザビームの加熱用レーザビームに対する相対強度は金
属薄膜の熱容量Ｃが小さく、試料の熱浸透率ｂｓが大き
いほど大きいので、測温用レーザビームの反射光強度変
化の加熱用レーザビーム強度変化に対する相対強度から
Ｃ／ｂｓが求められる。請求項３の発明によれば、Ｘ，
Ｙステージにより試料の相対位置を操作しつつ位相遅れ
と相対強度の測定を継続することにより局所的な熱物性
値の二次元分布が求められる。
【０００６】
【発明の実施の態様】本発明の実施例について図面を参
照しながら説明する。先ず、本発明の微小領域熱物性測
定装置の測定原理を説明する。薄膜・基板２層モデルを
考える。ここで、薄膜は金属薄膜、基板は対象となる試
料にそれぞれ対応する。角周波数ωの正弦的な強度変調
を受けた加熱光が試料表面に施された厚さｄ、熱拡散率
ｋｆ、熱浸透率ｂｆの金属薄膜に照射し、加熱される。
このとき、表面の温度応答は加熱光に対してある位相遅
れδを伴った角周波数ωの周期的な応答になる。試料の
熱浸透率が大きいほど、または角周波数ωが小さいほ
ど、表面温度応答の加熱光に対する位相差は小さくな
る。
照しながら説明する。先ず、本発明の微小領域熱物性測
定装置の測定原理を説明する。薄膜・基板２層モデルを
考える。ここで、薄膜は金属薄膜、基板は対象となる試
料にそれぞれ対応する。角周波数ωの正弦的な強度変調
を受けた加熱光が試料表面に施された厚さｄ、熱拡散率
ｋｆ、熱浸透率ｂｆの金属薄膜に照射し、加熱される。
このとき、表面の温度応答は加熱光に対してある位相遅
れδを伴った角周波数ωの周期的な応答になる。試料の
熱浸透率が大きいほど、または角周波数ωが小さいほ
ど、表面温度応答の加熱光に対する位相差は小さくな
る。
【０００７】試料の局所熱浸透率は、図１に示した薄膜
・基板２層モデルに基づいて計算することができる。基
板は半無限の厚みとし、熱は厚さ方向のみ拡散すること
を仮定する。周期加熱Ｆ（ｔ）は下記の式（１）で与え
られるものとする。
・基板２層モデルに基づいて計算することができる。基
板は半無限の厚みとし、熱は厚さ方向のみ拡散すること
を仮定する。周期加熱Ｆ（ｔ）は下記の式（１）で与え
られるものとする。
【０００８】
【数１】 このとき、表面温度応答のラプラス変換Ｔ（ξ）は次の
式（２）で表される。
式（２）で表される。
【０００９】
【数２】 ｂｓは基板（試料）の熱浸透率である。ここで、τｆは
薄膜層の熱拡散についての特性時間、τｆ＝ｄ２／
ｋｆ、βは薄膜に対する基板の熱浸透率比である。式
（２）を逆ラプラス変換すると、表面温度応答は一般に
以下の式により記述できる。
薄膜層の熱拡散についての特性時間、τｆ＝ｄ２／
ｋｆ、βは薄膜に対する基板の熱浸透率比である。式
（２）を逆ラプラス変換すると、表面温度応答は一般に
以下の式により記述できる。
【００１０】
【数３】
【００１１】
【数４】
【００１２】ここで、δは周期加熱に対する表面温度応
答の位相遅れを示す。薄膜の表から裏側までの熱拡散の
特性時間ｄ２／ｋｆが加熱光の変調周期ωに比べて十分
小さく、薄膜に対する基板の熱浸透率比βが十分小さい
とき、表面位相応答式（３）は、近似的に次のようにな
る。
答の位相遅れを示す。薄膜の表から裏側までの熱拡散の
特性時間ｄ２／ｋｆが加熱光の変調周期ωに比べて十分
小さく、薄膜に対する基板の熱浸透率比βが十分小さい
とき、表面位相応答式（３）は、近似的に次のようにな
る。
【００１３】
【数５】 ここで、τｓは基板内の熱拡散を表す特性時間である。
（５）式によると加熱光に対する温度応答の位相遅れδ
はωτｓが０から∞まで変化したとき、４５゜から９０
゜の間で変化する。
（５）式によると加熱光に対する温度応答の位相遅れδ
はωτｓが０から∞まで変化したとき、４５゜から９０
゜の間で変化する。
【００１４】次に測温用レーザビームの反射光強度変化
の加熱用レーザビーム強度変化に対する相対強度の算出
を説明する。振幅１の変調された単位面積当たりの熱流
を
の加熱用レーザビーム強度変化に対する相対強度の算出
を説明する。振幅１の変調された単位面積当たりの熱流
を
【００１５】
【数６】 このとき、表面温度応答のラプラス変換は、
【００１６】
【数７】 ここで、τｆ：薄膜の熱拡散特性時間 （２）はβ、τｆともに充分小さいとき、
【００１７】
【数８】 と近似できる。（４）を逆ラプラス変換して以下の式を
得る。
得る。
【００１８】
【数９】 表面温度は一般的に以下のように書ける。
【００１９】
【数１０】 計算の便宜上、以下を導入する。
【００２０】
【数１１】 （６），（８），（９）より
【００２１】
【数１２】 （１０），（１１）より
【００２２】
【数１３】 （７），（９），（１２）より
【００２３】
【数１４】 （１０），（１１）より
【００２４】
【数１５】 （２）を近似せずに逆ラプラス変換して計算すると
【００２５】
【数１６】 となる。当然（１５）に対応した振幅Ａも計算できる。
このとき、
このとき、
【００２６】
【数１７】
【００２７】図２は本発明の微小領域熱物性測定装置の
システム構成を示す概念図である。Ｘ，Ｙステージ１は
Ｘ，Ｙ方向の二次元に移動自在な機構になっており、マ
イクロメータ２により上下方向の高さが微調整可能にな
っている。測定すべき試料３はＸ，Ｙステージに載置さ
れ、レーザ光が試料表面に集光するようマイクロメータ
２により高さ調整を行う。試料３の表面には顕微鏡光学
系４を通過した後に同一光軸上に重なった加熱用レーザ
ビーム５と測温用レーザビーム６が照射される。
システム構成を示す概念図である。Ｘ，Ｙステージ１は
Ｘ，Ｙ方向の二次元に移動自在な機構になっており、マ
イクロメータ２により上下方向の高さが微調整可能にな
っている。測定すべき試料３はＸ，Ｙステージに載置さ
れ、レーザ光が試料表面に集光するようマイクロメータ
２により高さ調整を行う。試料３の表面には顕微鏡光学
系４を通過した後に同一光軸上に重なった加熱用レーザ
ビーム５と測温用レーザビーム６が照射される。
【００２８】加熱用レーザビーム５は、例えば波長５１
４．５ｎｍのＣＷアルゴンレーザ等で構成される加熱用
レーザ７から発せられ、交流変調器８により変調され
る。測温用レーザビーム６は、例えばＣＷヘリウムネオ
ンレーザ等で構成される測温用レーザ９から発せられ
る。ドライバ１０はファンクションジェネレータ１１か
ら出力される所定周波数の交流を加熱用レーザビームの
変調に必要なパワーに処理し、交流変調器８に出力す
る。交流変調器８は加熱用レーザ７からの加熱用レーザ
ビームをドライバ１０から出力される交流により変調す
る。
４．５ｎｍのＣＷアルゴンレーザ等で構成される加熱用
レーザ７から発せられ、交流変調器８により変調され
る。測温用レーザビーム６は、例えばＣＷヘリウムネオ
ンレーザ等で構成される測温用レーザ９から発せられ
る。ドライバ１０はファンクションジェネレータ１１か
ら出力される所定周波数の交流を加熱用レーザビームの
変調に必要なパワーに処理し、交流変調器８に出力す
る。交流変調器８は加熱用レーザ７からの加熱用レーザ
ビームをドライバ１０から出力される交流により変調す
る。
【００２９】顕微鏡光学系４の光軸上には第１ハーフミ
ラー１２と第２ハーフミラー１３が配置されている。第
１ハーフミラー１２は加熱用レーザ７から発生される加
熱用レーザビーム５を顕微鏡光学系４の光軸に一致して
反射させ、また測温用レーザ９から発せられる測温用レ
ーザビーム６を顕微鏡光学系４の光軸に一致して通過さ
せるよう作用する。第２ハーフミラー１３は第１ハーフ
ミラー１２により反射された加熱用レーザビーム５と第
１ハーフミラー１２を通過した測温用レーザビーム６を
顕微鏡光学系４の光軸に一致して通過させると共に、試
料表面で反射した加熱用レーザビーム５と測温用レーザ
ビーム６を光ディテクタ１４の入射光軸に一致して反射
するよう作用する。ここで、光ディタクタ１４は、例え
ばホトダイオード等により構成される。
ラー１２と第２ハーフミラー１３が配置されている。第
１ハーフミラー１２は加熱用レーザ７から発生される加
熱用レーザビーム５を顕微鏡光学系４の光軸に一致して
反射させ、また測温用レーザ９から発せられる測温用レ
ーザビーム６を顕微鏡光学系４の光軸に一致して通過さ
せるよう作用する。第２ハーフミラー１３は第１ハーフ
ミラー１２により反射された加熱用レーザビーム５と第
１ハーフミラー１２を通過した測温用レーザビーム６を
顕微鏡光学系４の光軸に一致して通過させると共に、試
料表面で反射した加熱用レーザビーム５と測温用レーザ
ビーム６を光ディテクタ１４の入射光軸に一致して反射
するよう作用する。ここで、光ディタクタ１４は、例え
ばホトダイオード等により構成される。
【００３０】第２ハーフミラー１３で反射したレーザ光
はバンドパスフィルタ１５により加熱用レーザビーム５
の反射光を遮断し、測温用レーザビーム６の反射光のみ
を通過させて光ディテクタ１４で検出する。第２ハーフ
ミラー１３とバンドパスフィルタ１５との間には第３ハ
ーフミラー１６が反射光の光軸から外れた位置と反射光
の一部をＣＣＤカメラ１７の方向に反射させる位置に回
動可能に配置されている。ＣＣＤカメラ１７に入射した
両反射光によりモニタ１８上に像を映出し、この像を見
ながら加熱用レーザビーム５と測温用レーザビーム６の
試料表面上のスポットサイズ、位置合わせを行う。
はバンドパスフィルタ１５により加熱用レーザビーム５
の反射光を遮断し、測温用レーザビーム６の反射光のみ
を通過させて光ディテクタ１４で検出する。第２ハーフ
ミラー１３とバンドパスフィルタ１５との間には第３ハ
ーフミラー１６が反射光の光軸から外れた位置と反射光
の一部をＣＣＤカメラ１７の方向に反射させる位置に回
動可能に配置されている。ＣＣＤカメラ１７に入射した
両反射光によりモニタ１８上に像を映出し、この像を見
ながら加熱用レーザビーム５と測温用レーザビーム６の
試料表面上のスポットサイズ、位置合わせを行う。
【００３１】ロックインアンプ１９は光ディテクタ１４
で検出した測温用レーザビームの強度変化に応じた検出
信号のうち、加熱用レーザビームの強度変化に比例する
参照信号に同期した成分を増幅し、参照信号に対する反
射光の位相遅れδを得る。局所熱浸透率は金属薄膜の熱
物性値を既知として、実測した位相遅れδを（５）式に
代入して計算する。
で検出した測温用レーザビームの強度変化に応じた検出
信号のうち、加熱用レーザビームの強度変化に比例する
参照信号に同期した成分を増幅し、参照信号に対する反
射光の位相遅れδを得る。局所熱浸透率は金属薄膜の熱
物性値を既知として、実測した位相遅れδを（５）式に
代入して計算する。
【００３２】図３に厚さの異なるモリブデンの温度応答
を示す。（４）式に基づいた計算値にはバルク材料の値
を用いた。測定された位相遅れは計算値と同様にモリブ
デン薄膜の膜厚とともに、増大している。モリブデン薄
膜に対するガラス基板の熱浸透率比βは小さいので、
（５）式に基づいて、測定で得られた位相差から求めた
ガラス基板の熱浸透率を表１に示す。
を示す。（４）式に基づいた計算値にはバルク材料の値
を用いた。測定された位相遅れは計算値と同様にモリブ
デン薄膜の膜厚とともに、増大している。モリブデン薄
膜に対するガラス基板の熱浸透率比βは小さいので、
（５）式に基づいて、測定で得られた位相差から求めた
ガラス基板の熱浸透率を表１に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】本発明はマイクロ・エレクトロニクス関係
の記録媒体、ＤＶＤ光ディスク、ＭＯ光磁気ディスク、
熱電素子、ＬＳＩのＣＰＵ及びＲＡＭ、半導体レーザ、
ＬＥＤ、パワートランジスタなど、又素材として複合材
料、特に原子力分野や宇宙機の耐熱材料などに用いられ
るＣＣコンポジット、超伝導線材、種々のコーティング
材、傾斜機能材料、複合材料など物性の異なる２種類以
上の材料を組み合わせることにより個々の材料だけでは
得られない優れた性質を実現した材料の熱物性値分布を
測定するのに直接利用可能である。従来の熱設計をより
詳細にできるようになる為、熱工学関係の産業資材にお
ける特性を飛躍的に向上させる。
の記録媒体、ＤＶＤ光ディスク、ＭＯ光磁気ディスク、
熱電素子、ＬＳＩのＣＰＵ及びＲＡＭ、半導体レーザ、
ＬＥＤ、パワートランジスタなど、又素材として複合材
料、特に原子力分野や宇宙機の耐熱材料などに用いられ
るＣＣコンポジット、超伝導線材、種々のコーティング
材、傾斜機能材料、複合材料など物性の異なる２種類以
上の材料を組み合わせることにより個々の材料だけでは
得られない優れた性質を実現した材料の熱物性値分布を
測定するのに直接利用可能である。従来の熱設計をより
詳細にできるようになる為、熱工学関係の産業資材にお
ける特性を飛躍的に向上させる。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、加熱用レーザビームを
高速正弦波変調して加熱光とすることにより、局所熱浸
透率分布が測定可能になるようにサーモリフレクタンス
法の測定時間を短縮する。また、試料表面に金属薄膜を
形成することにより、測定対象を金属のみならず、半導
体、セラミックス、炭素材料などに拡大することができ
る。更に、表面温度応答を薄膜・基板２層系の解析に基
づいて計算することで、金属薄膜下の基板の局所熱浸透
率が算出される。
高速正弦波変調して加熱光とすることにより、局所熱浸
透率分布が測定可能になるようにサーモリフレクタンス
法の測定時間を短縮する。また、試料表面に金属薄膜を
形成することにより、測定対象を金属のみならず、半導
体、セラミックス、炭素材料などに拡大することができ
る。更に、表面温度応答を薄膜・基板２層系の解析に基
づいて計算することで、金属薄膜下の基板の局所熱浸透
率が算出される。
【図１】薄膜・基板２層モデルの熱拡散の特性を表すパ
ラメータの説明図である。
ラメータの説明図である。
【図２】本発明の微小領域熱物性測定装置のシステム構
成を示す概念図である。
成を示す概念図である。
【図３】厚さに対する位相遅れの関係を示す図である。
１ Ｘ，Ｙステージ ２ マイクロメータ ３ 試料 ４ 顕微鏡光学系 １２,１３,１６ ハーフミラー １４ 光ディテクタ １５ バンドパスフィルタ １７ ＣＣＤカメラ １８ モニタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (74)上記３名の代理人 100089336 弁理士 中野 佳直 (73)特許権者 301021533 独立行政法人産業技術総合研究所 東京都千代田区霞が関１−３−１ (72)発明者 竹歳 尚之 茨城県つくば市梅園１−１−４ 工業技 術院計量研究所内 (72)発明者 馬場 哲也 茨城県つくば市梅園１−１−４ 工業技 術院計量研究所内 (72)発明者 羽鳥 仁人 茨城県石岡市荒金３−11 株式会社ベテ ル内 (72)発明者 大槻 哲也 茨城県石岡市荒金３−11 株式会社ベテ ル内 審査官 郡山 順 (56)参考文献 特開 平４−9641（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−79033（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 25/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】 試料表面に金属薄膜を形成し、該金属薄
膜を通して前記試料表面を加熱する加熱用レーザビーム
を発する加熱用レーザと、 該加熱用レーザビームを交流変調する変調器と、 加熱した試料表面に照射する測温用レーザビームを発す
る測温用レーザと、 前記両レーザビームを前記試料表面のほぼ同一位置に集
光させる顕微鏡光学系と、 前記測温用レーザビームの反射光を検出する手段と、 前記検出された反射光に基づいて試料の熱物性値を算出
する手段とを備え、前記測温用レーザビームの反射光強度変化の加熱用レー
ザビーム強度変化に対する位相遅れから 熱物性値を算出
することを特徴とする微小領域熱物性測定装置。 - 【請求項２】 試料表面に金属薄膜を形成し、該金属薄
膜を通して前記試料表面を加熱する加熱用レーザビーム
を発する加熱用レーザと、 該加熱用レーザビームを交流変調する変調器と、 加熱した試料表面に照射する測温用レーザビームを発す
る測温用レーザと、 前記両レーザビームを前記試料表面のほぼ同一位置に集
光させる顕微鏡光学系と、 前記測温用レーザビームの反射光を検出する手段と、 前記検出された反射光に基づいて試料の熱物性値を算出
する手段とを備え、 前記測温用レーザビームの反射光強度変化の加熱用レー
ザビーム強度変化に対する相対強度から 熱物性値を算出
することを特徴とする微小領域熱物性測定装置。 - 【請求項３】 試料をＸ，Ｙステージに設置し、顕微鏡
光学系に対する相対位置を二次元的に移動させ、熱物性
値の平面分布を測定することを特徴とする請求項１又は
２に記載の微小領域熱物性測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1998290555A JP3294206B6 (ja) | 1998-10-13 | 微小領域熱物性測定装置 | |
| US09/416,993 US6595685B2 (en) | 1998-10-13 | 1999-10-13 | Method and apparatus for measuring thermophysical properties |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1998290555A JP3294206B6 (ja) | 1998-10-13 | 微小領域熱物性測定装置 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000121585A JP2000121585A (ja) | 2000-04-28 |
| JP3294206B2 true JP3294206B2 (ja) | 2002-06-24 |
| JP3294206B6 JP3294206B6 (ja) | 2004-11-04 |
Family
ID=
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010243482A (ja) * | 2009-03-19 | 2010-10-28 | National Institute For Materials Science | 薄膜の熱物性測定装置とこの測定装置を用いた熱伝導率と界面熱抵抗の測定方法 |
| CN105318985A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-02-10 | 厦门大学 | 一种通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置及方法 |
| KR102074593B1 (ko) * | 2018-11-09 | 2020-02-06 | 한국기초과학지원연구원 | 레이저 스캐닝 기반 현미경 장치 및 이의 동작 방법 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010243482A (ja) * | 2009-03-19 | 2010-10-28 | National Institute For Materials Science | 薄膜の熱物性測定装置とこの測定装置を用いた熱伝導率と界面熱抵抗の測定方法 |
| CN105318985A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-02-10 | 厦门大学 | 一种通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置及方法 |
| CN105318985B (zh) * | 2015-12-10 | 2018-04-24 | 厦门大学 | 一种通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置及方法 |
| KR102074593B1 (ko) * | 2018-11-09 | 2020-02-06 | 한국기초과학지원연구원 | 레이저 스캐닝 기반 현미경 장치 및 이의 동작 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20020131476A1 (en) | 2002-09-19 |
| US6595685B2 (en) | 2003-07-22 |
| JP2000121585A (ja) | 2000-04-28 |
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