本專題研究為探討金屬氧化膜的熱傳導特性，以電子鎗蒸鍍法輔 以離子助鍍技術(Ion-Assisted Deposition，簡稱IAD)製鍍金屬氧化膜樣 品，分別針對各個樣品進行熱傳導量測實驗，並探討量測時外在的影 響因素，藉此量測出精確值較高的熱傳導係數，並建立金屬氧化膜熱 傳導係數的資料庫。
5-1 金屬氧化膜熱傳導係數量測結果
本專題研究針對氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3) 、 氧化鉭(Ta2O5)及氧化鈮(Nb2O5)等金屬氧化膜，進行熱傳導係數之量 測實驗，在量測條件不變的情況下，分別針對每組樣品進行5次量測，
量測所得數據經由平均計算之後顯示(表5-1至表5-5)，可得到氧化矽 (SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鉭(Ta2O5)及氧化鈮(Nb2O5) 等金屬氧化膜的熱傳導係數，其值分別為0.45(W/mK)、0.59(W/mK)、
0.38(W/mK)、0.57(W/mK)、0.69(W/mK)，接著整理其量測數據，如 圖5-1所示，最後與文獻中的數據，如表5-6所示，作分析比較，發現 所量測的薄膜熱傳導係數值，其誤差在10%以內。
表5-1 SiO2膜熱傳導係數 353.1 338.9 302.1 300 3.591549 0.011972 0.461495
349.5 332.5 301.9 300 2.8 0.009333 0.591958 349.3 337.3 302.2 300 3.925 0.013083 0.422288 349.7 339.4 302.2 300 4.61165 0.015372 0.359412 349.5 337.5 302.1 300 3.95 0.013167 0.419616
351.7 334.5 302.3 300 2.872093 0.009574 0.577099
358 334.5 302.3 300 2.370213 0.007901 0.699297 353.6 335 302.3 300 2.758065 0.009194 0.600958 350 337 302.5 300 3.653846 0.012179 0.453627 356 335.7 302.5 300 2.635468 0.008785 0.628914
353 340.7 302.4 300 4.113821 0.013713 0.402906
353.8 339.8 302.3 300 3.678571 0.012262 0.450578 352 342.4 302.3 300 5.177083 0.017257 0.320158 352.5 340.2 302.3 300 4.081301 0.013604 0.406116 351.6 342.3 302.2 300 5.311828 0.017706 0.312036
0.378359
表5-4 Ta2O5膜熱傳導係數 353.5 340.3 304.8 300 3.689394 0.012298 0.449256
351.1 338.3 305.3 300 3.578125 0.011927 0.463226 359.3 338.5 305.3 300 2.596154 0.008654 0.638438 355.2 335.9 305.4 300 2.580311 0.008601 0.642358 354.6 334.5 305.6 300 2.437811 0.008126 0.679906
349.4 331.4 302.1 300 2.627778 0.008759 0.630754
357.7 332.4 301.9 300 2.205534 0.007352 0.751511 356.3 332.3 302.2 300 2.254167 0.007514 0.735297 357.9 335.9 302.1 300 2.536364 0.008455 0.653488 358.9 336.3 302.4 300 2.5 0.008333 0.662993
0.686809
SiO2 TiO2 Al2O3 Ta2O5 Nb2O5
0.0
0.7 0.69W/mk
0.57W/mk
2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8
5-2 溫度比例的影響
從表5-1至表5-5中，發現，雖然氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)及 氧化鈮(Nb2O5)等薄膜之熱傳導係數比氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)薄 膜高，然而其溫度比例卻比較低，因此可知，溫度比例與薄膜熱傳導 係數之關係成反比，如圖5-2所示。
0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70
KF(W/mK)
Tem perature ratio
圖5-2 溫度比例的變化與薄膜熱傳導係數之關係
5-3 接觸面的影響
對於C.H.Henager[1]等人所建立的熱比較測定法架構而言，其穩態 溫度差的建立，是在接觸樣品後兩秒，然後利用電腦資料讀取系統，
所得到的溫度差，需要幾秒的時間，因此在標準的情況下，一筆穩態 溫度差資料的取得，需要七到十秒的時間。
然而在此情況下，因為溫度梯度的變化關係，產生了溫度感測頭 與樣品之間的熱阻抗，進而導致接觸面的不穩定，接著影響薄膜熱傳
導係數的結果，因此為了改善其缺點，本專題利用自製的一台熱傳導 量測儀，經過多次反覆不停的實驗後發現到，在八秒時，溫度差的變 化，已達穩態的情況，然後利用光學顯微鏡量測接觸面積並與探針頭 半徑作比較，發現其誤差已降低至7%左右，如圖5-3及圖5-4所示。
圖5-3 探針頭半徑
圖5-4 接觸面積半徑
表5-6 金 屬 氧 化 膜熱傳導係數資料庫
法(Thermal comparator)
0.45(a) 0.59(a) 0.38(a) 0.57(a)
C.H.Henager[1]
熱比較測定法 (Thermal comparator)
0.12(c) 0.12(c) 0.12(c)
0.45-0.61(b) 0.59(b) 0.72(b)
J.C.Lambropoulos[2]
熱比較測定法 (Thermal comparator)
0.41-1.05(d) 0.48(d)
袁崑益[18]
熱比較測定法 (Thermal comparator)
0.13(b) 0.44(b) 0.363-
0.382(b)
S.Govorkov[16]
(聲光法)
0.618(b)
0.25(b) Z.L.Wu[21]
(Photothermal) 0.45(e) D.Ristau[22]
ISLC
0.1(b) 0.018(b) 0.026(b)
H.Guenther[23]
(Microdifferential Calorimetry)
0.17-0.28(b) 0.025-0.036(b)
附註：製鍍方式
(a) 離子源助鍍 (b) 電子槍蒸鍍 (c) 射頻濺鍍 (d) 離子源濺鍍 (e) 離子披覆反應蒸鍍
第六章 結論
為研究金屬氧化薄膜之熱傳導特性，本專題研究報告中，提出
一種改良式的熱比較測定法，利用自製的熱傳導量測儀，結合修定過 的熱傳導理論，成功地量測出氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋁 (Al2O3)、氧化鉭(Ta2O5)及氧化鈮(Nb2O5)等金屬氧化薄膜的熱傳導係 數，不僅靈敏度與精確度明顯的提升，而且還有效地改善了接觸面的 不穩定。
就目前的情況而言，整個實驗有兩個較難控制的因素，第一是熱 對流的影響，因本專題所使用是均勻熱平衡態的加熱探針，而非傳統 熱比較測定法架構，量測溫度用的探針；第二是熱傳導基本理論的推 導，由於本實驗的理論基礎是採用J.R.Dryden[4]的理論模式，與本實 驗架構比較起來，還是有些微的誤差，因此，為了使整個實驗架構更 完善，本專題研究未來將進一步地改善其舊有的缺點，而發展出完美 的熱傳導量測儀，並且將繼續朝多層膜的方向前進，期許能使金屬氧 化膜的熱傳導性質更完善。
參考文獻
[1]. C. H. Henager and W. T. Pawlewicz” Thermal conductivities of thin sputtered optical films” Applied optics,Vol. 32, pp.91-100, 1993.
[2]. J. C. Lambropoulos, M. R. Jolly, C. A. Amsden, S. E. Gilman,M. J.
Sinicropi, D. Diakomihalis, and S. D. Jacobs, "Thermal conductivity of dielectric thin films" Journal of applied physics,Vol.66,
pp.4230-4242,1989.
[3].H.S.Carslaw and J.C.Jaeger ”Conduction of heat in solids” Oxford U.press,New York, pp.214-216,1947.
[4]. J.R.Dryden ”Effect of a surface coating on the constriction resistance of a spot on an infinite half-plane” Transactions of the
ASME,Vol.105,pp.408-410,1983.
[5]. D.G.Cahill ” Thermal conductivity measurement from 30 to 750 K.
The 3ω method “Review of Scientific Instruments , Vol.61, pp.802-808,1990.
[6]. G. B. Martin , A .Altes , R. Heiderhoff and L.J.Balk “Quantitative thermal conductivity measurements with nanometre resolution” Journal of Physics D:Applied physics,Vol.32, pp.13-17, 1998.
[7]. L. Lu , W. Yi and D. L. Zhang “3ω method for specific heat and thermal conductivity measurements” Review of scientific
instruments ,Vol.72,pp.2996-3003, 2001.
[8].A. Jacquot, B. Lenoir, A. Dauscher, M. Stolzer and J. Meusel
“Numerical simulation of the 3w method for measuringthe thermal conductivity” Journal of applied physics, Vol. 91,
pp.4733-4738 ,2002.
[9]. A .Altes, R.Heiderhoff and L.J.Balk “Quantitative dynamic near-field microscopy of thermal conductivity”, Journal of Physics D :Applied physics,Vol. 37,pp.952-963, 2004.
[10].N.O.Birge, S.R.Nagel ”Wide-frequency specific heat spectrometer”
Review of scientific instruments,Vol.58,pp.1464-1470,1987.
[11]. S.M.Lee, D.G.Cahill ”Heat transport in thin dielectric films ” Journal of Applied Physics ,Vol. 81, pp.2590-2595,1997.
[12]F.Volklein, H.Balles ”A microstructure for measurement of thermal conductivity of polysilicon thin films” Journal of
microelectromechanical systems, Vol.1, pp.193-196, 1992.
[13].M.B.Kleiner , S.A.Kuhn , W.Weber ”Thermal conductivity measurements of thin silicon dioxide films in integrated circuits”
IEEE Transactions On Electron Devices ,Vol.43 , pp.1602-1609,1996.
[14].董建立”量測薄膜材料熱傳導係數之簡易方法的研究”國立中興 大學精密工程研究所，2000年.
[15].M.Rohde "Photoacoustic Characterization of thermal transport properties in thin films and microstructures," Thin solid films, Vol.238, pp.199-206,1994.
[16]. S. Govorkov , W. Ruderman , M.W.Horn, R.B.Goodman and
M.Rothschild ,“A new method for measuring thermal conductivity”, Review of scientific instruments,Vol. 68 , pp.3828-3834, 1997.
[17].X.Wang, H.Hu , and X.Xu ”Photo-acoustic measurement of thermal conductivity of thin films and bulk materials” Journal of heat
transfer,Vol.123, pp.138-144, 2001.
[18]袁崑益”光學薄膜熱傳導特性量測之研究”國立中央大學碩士論 文，2000.
[19] K. R. Cheruparambil , B. Farouk1 ,J. E. Yehoda, N. A.
Macken ”Thermal conductivity measurement of cvd diamond films using a modified thermal comparator method” Journal of heat transfer, Vol. 122 , pp.808-816, 2000.
[20]J. C. Manifacier, J. Gasiot and J. P. Fillard,”A simple method for thedetermination of the optical constants n, k and the thickness of a weekly absorbing thin film” Journl of Physics E, Vol.9 , pp.
1002-1004, 1976.
[21] Z.L.Wu , M.Reichling , X.Q.Hu , K.Balasubranian , and K.H.
Guenther “Absorption and thermal conductivity of oxide thin films measured by photothermal displacement and reflection”Applied optics., Vol. 32,pp.5660-5665,1993.
[22]. D. Ristau and J. Ebert , “Development of a thermographic laser calorimeter” Applied Optics. ,Vol.25 No.24,pp.4571-4578,1986.
[23]H.Guenther and J. K. Mciver “The role of thermal conductivity in the pulsed laser damage sensitivity of optical thin films “ Thin solid films, Vol. 163, pp. 203-214,1988.