Teplota a tepelná vodivost

Tepelné ztráty jsou jedním z hlavních limitujících faktorů při miniaturizaci mikroelektroniky. Při průchodu elektrického proudu vysoce integrovanými mikroelektronickými obvody se v podstatě všechen výkon proměňuje na teplo, které je nutné odvádět, přičemž menší a více integrovaná součástka poskytuje méně možností, jak odvod tohoto tepla realizovat. Zahřívání přitom znamená nejen spotřebu elektrické energie, ale také potencionálně větší množství chyb při zpracování signálů, čemuž je nutné součástku přizpůsobit. Je proto důležité generování tepla, a tedy také spotřebu, minimalizovat.

Dokud byly velikosti mikroelektronických prvků v řádu mikrometrů, bylo možné sledovat rozložení lokální teploty například pomocí infračervené kamery. Rozlišení takových konvenčních metod ale nemůže být v principu lepší než v řádu mikrometrů. Řešením je využít metody rastrovací sondové mikroskopie, konkrétně rastrovací termální mikroskopii (SThM - scanning thermal microscopy). Využitím speciálního hrotu jsme schopni měřit současně tvar povrchu a jeho teplotu s prostorovým rozlišením v řádu desítek nanometrů a tepelným rozlišením v desetinách stupně Celsia.

Na snímku je zobrazen povrch zahřátého mikrostrukturovaného čidla pro detekci vodíku. Zjevný rozdíl teplot mezi platinovou a keramickou částí čidla je dán různou emisivitou obou povrchů - keramický povrch více vyzařuje a tím pádem je i více ochlazován.

Mapování teploty na povrchu vodíkového čidla

Další fyzikální vlastností, kterou můžeme pomocí rastrovacího termálního mikroskopu sledovat, je tepelná vodivost. Tu je důležité znát nejen při výrobě mikroelektronických prvků, ale i při návrhu různých nanokompozitních materiálů, ať už jsou vyráběny se snahou o velkou tepelnou vodivost, nebo naopak o dokonalé izolační vlastnosti. I zde je možné říct, že žádná konvenční metoda není schopna poskytnout tak velké prostorové rozlišení. Na druhou stranu jsou metody SThM zatím poměrně daleko od skutečně robustní kvantitativní analýzy (kalibrace vyžaduje použití speciálních vzorků, při měření pozorujeme mnoho systematických chyb), takže pro vzorky, které nejsou malé nebo mikrostrukturované je stále výhodnější použít konvenční metody.


(c) CMI 2012

Novinky

Zveme vás na Seminář o metodách blízkého pole.

Snímek měsíce


Atomární schodky na Si

Kontakt

Oddělení primární nanometrologie a technické délky
Český metrologický institut
Okružní 31, 638 00 Brno
pklapetek(at)cmi.cz