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微小領域熱物性測定装置

国内特許コード P03A001335
掲載日 2004年4月16日
出願番号 特願平10-290555
公開番号 特開2000-121585
登録番号 特許第3294206号
出願日 平成10年10月13日(1998.10.13)
公開日 平成12年4月28日(2000.4.28)
登録日 平成14年4月5日(2002.4.5)
発明者
  • 竹歳 尚之
  • 馬場 哲也
  • 羽鳥 仁人
  • 大槻 哲也
出願人
  • 株式会社ベテル
  • 竹歳 尚之
  • 馬場 哲也
  • 独立行政法人産業技術総合研究所
発明の名称 微小領域熱物性測定装置
発明の概要 この発明は、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、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を提供する。まず、試料の表面に金属薄膜を形成しする。そして、変調器で交流変調した加熱用レーザビームと加熱した試料表面に照射する測温用レーザビームとを顕微光学系を通して試料表面のほぼ同一位置に集光させ、試料表面を加熱する。その時の測温用レーザビームの反射光を検出し、試料表面の温度変化を検出して位相遅れや相対強度を測定し、試料の微小領域の熱物性値を算出する。その後、試料をX,Yステージにて二次元移動させることにより局所的な熱物性値の二次元分布を得ることができる。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と、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、試料表面の周期的変化に対する位相遅れと相対強度が測定される。この位相遅れから金属薄膜の熱容量/試料の熱浸透率が求められる。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可能になる。
従来技術、競合技術の概要 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1mm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。
産業上の利用分野 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、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
特許請求の範囲 【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。
産業区分
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 権利存続中
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