2006/09/26

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

光を用いたin situ / in vivo温度・熱物性計測技術によるマイクロ・ナノシステムデザイン田口 良広
慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科 助手

本日の流れ背景・目的
マイクロスケール熱物性測定法の開発◆ レーザーを用いた計測技術とその限界

ナノスケール熱物性計測法の開発◆ 近接場光を用いた温度・熱物性計測技術

総論

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

背景・目的
電子デバイスの熱設計● ナノ新材料の熱物性情報●

異方性，サイズ効果，Ballistic伝導高分解能型 in situ 測定法
レーザー励起温度格子

Dynamic Grating Radiometry: DGR

近接場光

Near-field Optics Thermal Nanoscopy: NOTN
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

成膜条件による結晶構造の変化

D.Song, et al, Appl. Surf. Sci., 195 (2002)291-296.

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

マイクロスケール熱物性計測法の開発
・ ナノテクノロジーの進展
・ 超微細化技術による集積度の向上

熱制御の必要性
高熱伝導薄膜への期待

しかし，，，・熱シミュレーション
・Thermal System Design

異方性・サイズ効果
測定が困難

信頼できる熱物性値● 面方向および厚み方向の温度伝導率の同時測定● in situ 計測への応用
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

測定原理(a) 温度格子の励起(b)温度履歴の検知

Temperature change:⎛ t ⎞ ⎪⎫⎛ t ⎞⎛ t ⎞⎪⎧⎛ 2 π x ⎞ ⎫⎪ ⎪⎧Txz ( x, 0, t ) = ⎨T0 + T1 exp ⎜ − ⎟ cos ⎜⎟⎟ ⎬⎟ ⎬ ⎨exp ⎜ ⎟ erfc ⎜⎜τΛττ⎝⎠⎪⎩⎪⎭ ⎪⎩⎝ z⎠⎝ x⎠⎝ z ⎠ ⎭⎪
干渉縞間隔

Where,
温度伝導率

τx =1⎛ Λ ⎞⎜⎟ax ⎝ 2 π ⎠2andτz =1az α 2吸収係数

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

異方性分離解析法

Temperature Distribution, KΛAB012
Horizontal Position of Heating Beam, mm

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

異方性分離解析法
Peak(point A)の温度履歴⎧⎪⎛ t ⎞ ⎪⎫⎛ t ⎞ ⎫⎪ ⎪⎧⎛ t ⎞TP (0, 0, t ) = ⎨T0 + T1 exp ⎜ − ⎟ ⎬ ⎨exp ⎜ ⎟ erfc ⎜⎜⎟⎟ ⎬τττ⎪⎩⎝ z⎠
⎝ x ⎠ ⎪⎭ ⎪⎩⎝ z ⎠ ⎪⎭Valley(point B)の温度履歴⎧⎪⎛ t ⎞ ⎪⎫⎛ t ⎞ ⎫⎪ ⎪⎧⎛ t ⎞TV (Λ 2, 0, t ) = ⎨T0 − T1 exp ⎜ − ⎟ ⎬ ⎨exp ⎜ ⎟ erfc ⎜⎜⎟⎬⎟τττ⎪⎩⎝ z⎠⎝ x ⎠ ⎪⎭ ⎩⎪⎝ z ⎠ ⎭⎪⎛ t ⎞⎛ t ⎞1⎟⎟
厚み方向： T⊥ (0, t ) = {TP (0, 0, t ) + TV ( Λ 2, 0, t )} = T0 exp ⎜ ⎟ erfc ⎜⎜2⎝τz ⎠⎝ τz ⎠⎛ t ⎞TPT1= 1 + exp ⎜ − ⎟面方向： T// (0, t ) =T0(TP + TV ) 2⎝ τx ⎠

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

異方性分離解析法: Tp: Tv
: (Tp+Tv)/20.5

Non–dimensional
Temperature Change, arb. unit

Signal Output, V

11.4: Tp/{(Tp+Tv)/2}

1.2

10100200300

Tim, µs
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

Non–dimensionalTemperature Change, arb. unit

Te mp erat ure , ar b. u nit

Detected Signal, arb. unit

異方性分離解析法
0.20.1(a)(b)

Gauss分布加熱

678Horizontal Position of Heating Beam, mm(a ): Infrared Signal of PeakT P(b )TV: Infrared Signal of Valley0

試料厚みの影響1.4

Tx =TP/{(T P+T V)/2}

1.3
1.2
1.1 Zr0100

200
Time, µs

300
S/N比の影響

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

測定装置

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

測定装置

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン特徴(1) ２次元熱伝導を考慮 →異方性の測定(2) 高熱伝導材料の測定が可能(3) 非接触測定 → in situ 測定への応用

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定 -Zrの場合-

Time Constant, µs

600

τx ∝1⎛ Λ ⎞⎜⎟az ⎝ 2π ⎠2400

2000.10.22
Square of Fringe Space, mm
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定 -Zrの場合Experimental Results of Zr Foil.
Thermal diffusivity, mm2/s

Anisotropic ratio ax/az

Reproducibility *1

Present work

12.9 : ax
10.6 : az

1.2

± 4%
± 1%

TPRC

12.7 : az-N/A*1 Experimental standard deviation of the mean.

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定 -GSの場合直交異方性を有する高熱伝導薄膜 Graphite Sheet: GS
The specifications of Graphite Sheet.
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

ThicknessDensity
Refractive index
Extinction coefficientµmg/cm3-

Thermal conductivity

W/m K

100 (nominal)
1.0 (nominal)
2.75
1.77
600 ~ 800 : λx
5 : λz

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定 -GSの場合-

Temperature, arb. unit

Det ector Output, VA

1B
0123

Horizontal position of heating beam, mm: Detector output of peak (point A): Detector output of valley (point B)

GS00100200Time, µs

300

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定 -GSの場合-

Time Constant, µs

201⎛ Λ ⎞τx ∝ ⎜ ⎟az ⎝ 2π ⎠215100.350.42
Square of Fringe Space, mm
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定 -GSの場合-

Experimental Results of Graphite Sheet.
Thermal diffusivity, mm2/s

Present work
Nagano et al.

868 : ax
10.5 : az
801 : ax
15.4 : az

Anisotropic ratio ax/az

Reproducibility*1

83±4%±7%

52

N/A
N/A

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価
CVDダイヤモンド薄膜
The Specifications of CVD Diamon d.
MethodGases
Temperature
Pressure
Thickness

Microwave plasma CVD method
3 % of CH 4 and H 2
900 ~ 1000 ºC
50 ~ 60 Torr
500 µm nominal

結晶成長面（growth surface）

基板側(backside)

CVD DiamondSi

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価

2

Thermal Diffusivity, mm /s

1000

800600400

growth surface

backside

Experimental Results of CVD Diamond.

Growth surface
Backside

Thermal diffusivity mm2/s

Reproducibility *1

855 : ax
528 : ax

±2%±4%
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価(a) CVD Diamond 断面SEM像(b) CVD Diamond 結晶成長面SEM像

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価(a) CVD Diamond 基板側SEM像(b) CVD Diamond 基板側金属顕微鏡像

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価–11336 cm
Intensity, arb. unit

1020001000–1
Raman Shift, cm

結晶成長面ラマンスペクトル

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価

Raman Spectrum of CVD Diamond.
1333cm-1
G and G’
D, D’ and D’’

ダイヤモンド構造
Graphite 構造
結晶性の悪い無定形炭素
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価
Island Structure

Network Structure⑨④G'D''③03000G'

1Intensity, arb. unit

⑤Intensity, arb. unit

1⑩ D''⑧028002600–1
Raman Shift, cm

2400

30002800
2600–1
Raman Shift, cm2400The Intensity Ratio of Crystalline Structure with the Change of Graphitization.

I G ′ I D′′

Island Structure

Network Structure

3.86

12.3
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

高熱伝導薄膜の熱物性評価
結晶成長面
Island 構造
Network 構造

基板側

結晶性の高いダイヤモンド
ダイヤモンド構造と無定形炭素
グラファイト構造と無定形炭素

1000

2

Thermal Diffusivity, mm /s

growth surface

500

backside

DLC

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

ナノスケール熱物性測定法の開発
学術的工学的

ナノスケールでの熱輸送現象解明

超高集積化デバイスの熱設計やインプロセスでの熱物性制御

メゾスコピック領域での新性質の発現

新しいナノマテリアルの熱物性デザイン

高い分解能を有した熱物性値その場測定法
しかし，，，
従来の光学的測定方法

光の回折限界Near-field Optics Thermal Nanoscopy: NOTN
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

熱量子？

K. Schwab, et al, Physica B, 280 (2000)458-459.
M.L.Roukes, Physica B, 263-264 (1999)1-15.
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

カーボンナノチューブの熱伝導率

M. Fujii, et al, Phys. Rev. Lett., 95 (2005)065502 1-4.
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

MWNTの熱伝導率

The rmal Conductivity, W/m K

3000

2000

1000

00200
Temperature, K400

P. Kim, et al, Phys. Rev. Lett., 87 (2001)215502 1-4.
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

光の回折限界

真空での最小集光径

δ = 0.61λNA

光の波長

開口数

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

Ｓｉ固侵レンズ

G.S. Kino, et al, J. MEMS, 11 (2002) 470-478.

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場光とはD. Corjon, “Near-Field Microscopy and Near-Field Optics” ,(Imperial College Press, London) 2003.
大津元一, 小林潔, “近接場光の基礎”, (オーム社, Tokyo) 2002.
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場ファイバーの作り方

ＢＯＥ１ 98分後 顕微鏡写真
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場ファイバーの作り方

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場ファイバーの作り方

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場ファイバーの作り方

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場ファイバーの作り方

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

ファイバー制御技術

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

ファイバー制御技術

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

ファイバー制御技術

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

測定原理: Al: Ag

80
Phase–lag, deg.

: Ti
d = 200nm
706050410681010Frequency, HzA

加熱光と温度応答の位相差

熱拡散長∆φ = F ( f : as , ab , λs , λb , d ,α s )λA=π fマイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

測定原理
Thermoreflectance法∆R ∝ β ∆T
温度変化

λ = 633nm
Reflectivity, arb. unit

反射率変化

Al

0.840.83

300

310

320

330

Temperature, K

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

測定装置

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

特徴
(1)

~10nmの高空間分解能(2)~100nmの積層材料への適応(3)

in situ 計測可能

(4)

表面形状・温度変化・熱物性分布の同時測定可能

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定200NISTトレーサブル
Height, nm表面形状標準STR3-1000P
10002468Horizontal Position, µm

10マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定遠視野

500nm
100nmAperture
Aperture

近視野

接触

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定SiO2Si

Vertical Displacement, nm

400: VerticalDisplacement: Intensity ofReflected Signal

20002010002000

4000

Probe Displacement, nm

Intensity of Reflected Signal, arb. unit

30

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

予備的測定–40

Intensity, dB

20.5 kHz–60

–80

12000

16000

20000

24000

28000

Frequency, Hz
石川慶太, 田口良広, 斎木敏治, 長坂雄次,”ナノスケール熱物性値計測のための近接場光サーモリフレクタンス信号の高感度検出”,
日本機械学会熱工学コンファレンス2006, 2006.11.24-25, 横浜.
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場蛍光を用いた温度計測◆ 蛍光分子修飾された試料の近接場蛍光温度依存性を測定

WR
ϕ=WR + WNR⎛ −∆U ⎞WNR ∝ exp ⎜⎟⎝ k BT ⎠マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

Ｃｙ3蛍光分子修飾◆ 蛍光顕微鏡によるスペクトルと温度依存性の確認

1Fluorescence Intensity, a.u.

Fluorescence Intensity, a.u.

1

0.50.9

0500

600

700

W avelength, nm
(a)

800

300

305
Temperature, K(b)310

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

ナノヒーターの作成
Cy3

Ni81Fe19PR

SiO2
Si500nmマイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

Temperature Increase, K

ナノヒーターの作成

10Applied Current：6mA

5：5mA：4mA：3mA：2mA

0–5 –4 –3 –2 –1 0 1 2 3
Horizontal Location, µm

45マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場蛍光を用いた温度計測

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場蛍光を用いた温度計測
1Vertical Displacement, nm

0.90.80Fluorescence Intensity, a.u.

：Fiber Displacement：Fluorescence Intensity

1000.7
100 nm開口

0102030

Horizontal Displacement, µm
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場蛍光を用いた温度計測

Temperature Increase, °C

4422000

Fluorescence quenching rate, arb. unit

Fluorescence
Applied Current 6quenching rate
: 2mA
: 3mA
: 4mA
: 6mA

60.5
1Horizontal Displacement, µm

マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

近接場蛍光測定におけるノイズ励起光

Intensity, arb. unit

近接場ファイバー自身のラマンおよび自家蛍光1Cy30500600700800

W avelength, nm
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン

総論
In situ / In vivoで計測するためのマイクロ・ナノスケール温度、熱物性計測技術を新たに提案した。
マイクロスケール熱物性計測法では、結晶構造の違いによる熱物性変化をin situ計測できることが示されたが、光の回折限界のためにその空間分解能はマイクロメートルオーダーに留まる。
ナノスケール熱物性計測法(Near-field Optics Thermal Nanoscopy: NOTN)を新しく提案し，装置を自作し、その高い空間分解能を実証した。

近接場光を用いて、試料の熱物性情報を含んだ，近接場信号を初めて検知することに成功した．
近接場蛍光および近接場蛍光寿命を用いた温度計測技術を開発した。
高いS/N比とコントラストを実現する新しい温度計測技術として材料分野やバイオ分野など幅広い応用が期待される。
これらの近接場光学熱顕微技術はMEMS技術との融合により、更なる高付加価値化が可能となる。
マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン