Toruń, dr hab. Jacek Zakrzewski Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika ul. Grudziądzka 5/ Toruń

Transkrypt

1 dr hab. Jacek Zakrzewski Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika ul. Grudziądzka 5/ Toruń Toruń, Recenzja pracy doktorskiej pani magister inżynier Justyny Juszczyk pt.: Opracowanie metod pomiaru lokalnych właściwości cieplnych wykorzystujących skaningowy mikroskop cieplny wykonanej w Instytucie Fizyki - C.N.D. Politechniki Śląskiej w Gliwicach Przedstawiona do oceny, licząca 99 stron, praca doktorska pani magister inżynier Justyny Juszczyk dotyczy nowych metod pomiaru lokalnych właściwości cieplnych w badaniach mikro- i nanostruktur za pomocą mikroskopu cieplnego o dużej rozdzielczości. Zjawiska związane z pojawianiem się źródeł ciepła o dużej gęstości i efektywnym odprowadzaniem ciepła są bardzo istotne dla konstrukcji i eksploatacji stosowanych obecnie urządzeń elektronicznych, które charakteryzują się coraz mniejszymi rozmiarami. Transport ciepła w nanostrukturach wiąże się z powstawaniem zjawisk, które nie występują w makroskali. Metody termiczne, w tym mikroskopia cieplna jest jedną z metod, którą można wykorzystać w takich badaniach, istotny jest także ich rozwój i doskonalenie. Tego zadania podjęła się autorka pracy. Głównymi celami, jakie sobie postawiła było: opracowanie nowej metody pomiaru lokalnych właściwości cieplnych i zastosowanie jej dla wybranych materiałów i struktur, stworzenie modelu numerycznego układu sonda próbka w oparciu o metodę elementów skończonych, analiza numeryczna zjawisk zachodzących w układzie pomiarowym oraz analiza czułości pomiaru na własności cieplne badanych materiałów. Autorka zaproponowała także nowe warianty istniejących metod pomiarowych oraz przedstawiła ich numeryczną i eksperymentalną weryfikację. Obiekty badań i stosowane metody W pomiarach właściwości cieplnych wykorzystano dwie konfiguracje układu pomiarowego. W pierwszej, sondę pomiarową łączono szeregowo z opornikiem, w drugiej sonda stanowiła jedno z ramion mostka Wheatstone a. Zastosowane przez autorkę metody wymagały wykonania pomiarów wstępnych w celu zbadania czułości pomiaru w zależności od właściwości cieplnych badanych próbek. Wykorzystano do tego szereg materiałów wzorcowych (o znanych wartościach przewodności termicznych). Na podstawie tych badań autorka sporządziła wykresy do wyznaczania rzeczywistej wartości przewodności cieplnej cienkich warstw na podstawie wartości pozornych, otrzymanych bezpośrednio z eksperymentu. Zaproponowana przez autorkę nowa metoda wykorzystuje nanosondy cieplne, nie tak szeroko wykorzystywane dotychczas, jak sondy z drutem Wollastona. Metoda oparta jest na jednoczesnym pomiarze oporu dynamicznego i statycznego, i może być wykorzystana w obrazowaniu właściwości cieplnych, jak i w pomiarach ilościowych. Przykłady zawarte w pracy dotyczą obrazowania właściwości cieplnych struktury TSV (through-silicon via), które 1

2 są wykorzystywane w trójwymiarowych układach elektronicznych o wysokim stopniu integracji. Badania barier cieplnych zostały przeprowadzone dla wielowarstwowych struktur fotonicznych, które są wykorzystywane w nowoczesnych układach elektronicznych i fotonice, np. w laserach o emisji powierzchniowej. Zbadano układy naprzemiennie ułożonych warstw GaAs/Al 0.05 Ga 0.95 As oddzielonych warstwą GaAs, cienkie warstwy SiO 2 oraz BaTiO 3. Układ pracy oraz charakterystyka i ocena zawartości poszczególnych rozdziałów Praca składa się z trzynastu rozdziałów, z których pierwszy stanowi wstęp a ostatni spis literatury zawierający 131 pozycji. Wstęp jest wprowadzeniem do tematu, autorka pisze w nim o wadze badań właściwości cieplnych materiałów o coraz większej skali integracji i wysokiej częstotliwości pracy. Autorka wskazuje urządzenia, dla konstrukcji których zagadnienia transportu ciepła są bardzo istotne, opisuje mechanizmy, które należy brać pod uwagę w ich opisie. Analizuje, który model opisu zjawisk transportu ciepła można użyć w zależności od rodzaju materiału i rozmiarów badanych obiektów. Zwraca uwagę, że zjawiska te w nanoskali wymagają innego opisu niż występujące w skali makro. W przypadku nanostruktur opisane jest znaczenie defektów i zanieczyszczeń powstających w procesie wytwarzania, a także ich wpływ na właściwości cieplne. Wnioski poparte są odnośnikami do literatury przedmiotu. Analiza zawarta w tym rozdziale jest przeprowadzona poprawnie, autorka wykazała znajomość tematu, przywołane są badania, które mogą stanowić odwołanie i podstawę do badań własnych. Cel i zakres pracy opisane są w krótkim, jednostronicowym rozdziale drugim. Rozdział trzeci traktuje o skaningowej mikroskopii cieplnej. Autorka krótko opisuje początki metody, której rozwój trwa od 1986 roku. W dalszej części przedstawia najczęściej wykorzystywany obecnie układ pomiarowy, oparty na mikroskopie sił atomowych i zrealizowany poprzez dołączenie do niego odpowiedniego modułu i zastąpienie sondy mikroskopu, specjalną sondą cieplną. Przedstawione są możliwości metody: rodzaje otrzymywanych obrazów, tryby pracy sond cieplnych. Opisane są zalety, ale także ograniczenia metody. Pisząc o wykorzystaniu metody 3ω autorka bardzo krótko ją charakteryzuje. W pracy kilkakrotnie odwołano się to tej metody. Uważam, że powinno się poświęcić jej więcej miejsca, pełniejsze byłoby wtedy jej zestawienie z metodą wykorzystaną przez autorkę. W dalszej części omówiono rodzaje sond cieplnych, kluczowych elementów w skaningowej mikroskopii cieplnej. Przedstawiono najczęściej wykorzystywane sondy z drutem Wollastona oraz nanosondy cieplne. Stwierdzenie, że sondy cieplne są wykorzystywane znacznie rzadziej, powinno być tu poparte komentarzem i wyjaśnieniem takiego stanu rzeczy. Można to znaleźć w dalszej części pracy, lecz i tu należałoby to krótko opisać. Literatura na temat wykorzystania sond cieplnych znajduje się w kolejnym podrozdziale. Autorka zwraca w nim uwagę na trudności związane z analizą wyników pomiarów, wymienia czynniki, które warunkują prawidłową interpretację metod ilościowych. Przedstawiony jest tu dobry opis aktualnego stanu wiedzy na temat skaningowej mikroskopii cieplnej, przedyskutowano ważny temat, czyli transport ciepła w układzie sonda próbka, podkreślono popularność i zalety metody opartej na drucie Wollastona i niewielką ilość prac teoretycznych dla nanosond cieplnych. Wyprowadzono wniosek o potrzebie rozwoju tej metody doświadczalnej i teoretycznych narzędzi do jej interpretacji. Bardzo krótki rozdział czwarty opisuje układ pomiarowy i charakteryzuje własności cieplne materiałów wzorcowych wykorzystanych w pracy. Wybrana została grupa materiałów 2

3 o bardzo różnych przewodnościach cieplnych, od 1 (szkło laboratoryjne) do 490 (węglik krzemu) W m -1 K -1. Rozdział piąty przedstawia model i analizę zjawisk cieplnych w układzie sonda NThP próbka oparty na metodzie elementów skończonych oraz wyniki analiz numerycznych. Autorka dokładnie opisuje budowę i parametry nanosond cieplnych, pokazuje wykonane przez siebie obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej. Podkreślona jest złożoność budowy sondy. Na rysunku 6, który przedstawia wykonany dzięki mikroskopowi sił atomowych zabrakło informacji, który dokładnie fragment został przedstawiony. Następnie przedstawiony jest model układu sonda próbka. Autorka wykonała symulacje zjawisk transportu ciepła, które wymagają zdefiniowania warunków początkowych i brzegowych. Nie zdefiniowała ich jednak w postaci równań, ograniczając się tylko do ich wymienienia. Brak jest także szczegółów, w jaki sposób w modelu uwzględnione są takie parametry symulacji jak przewodności cieplne próbki i podstawy czy prąd płynący przez sondę. Informacje te z pewnością są zawarte w modelu, brak dokładniejszego opisu pozostawia pewien niedosyt. Autorka pisze, że symulacje zjawisk elektryczno cieplnych oparte są na klasycznych równaniach transportu ciepła i energii, nie napisano jednak dokładniej, jak zostały one wykorzystane w symulacjach. W kolejnych podrozdziałach przedstawiono analizę jakościową zjawisk cieplnych w układzie sonda NThP próbka, pokazano rozkład źródeł ciepła w pasku oporowym i rozpływ strumieni ciepła. Przeprowadzono analizy ilościowe dla cienkich warstw. Symulowano zmiany oporu w funkcji prądu sondy dla sondy w powietrzu oraz w kontakcie z materiałami o różnej przewodności cieplnej, zmiany napięcia na sondzie w funkcji przewodności cieplnej warstwy dla podłoża o różnej przewodności. Autorka podaje wzór (5.1) na zmiany spadku napięcia na sondzie w funkcji grubości cienkiej warstwy. Zabrakło odnośnika skąd pochodzi ten wzór, lub informacji, na jakiej podstawie został wyprowadzony. Symulacje pozwoliły autorce na opracowanie procedury korekcyjnej, pozwalającej na wyznaczenie rzeczywistej wartości przewodności cieplnej cienkiej warstwy, w której uwzględnia się wpływ podłoża na mierzony sygnał. Konstrukcja wykresu dla procedury korekcyjnej (rysunek 18) jest opisana jednym zdaniem opis jego wykonania powinien być bardziej szczegółowy. W rozdziale szóstym zaproponowano nowy model opisu wymiany ciepła w układzie sonda próbka. Wyniki w nim zawarte są opublikowane w pracy wykonanej we współpracy z prof. Chirtociem, znanym specjalistą w dziedzinie mikroskopii cieplnej. Zwrócono uwagę, że nie jest znane rozwiązanie analityczne problemu oparte na równaniu Fouriera-Kirchoffa i na trudności spowodowane skomplikowaną geometrią sond. To było powodem opracowania modelu opartego o analogie cieplno elektryczne. Przeanalizowano rozkłady strumieni ciepła w układzie sonda NThP próbka. Na rysunku 19 przedstawiono strumienie ciepła w trzech wyróżnionych charakterystycznych obszarach: kontaktowym, aktywnym i przejściowym. Na wspomnianym rysunku trudno jest jednak ustalić gdzie znajdują się te obszary (w stosunku do układu sonda próbka) sonda i próbka są zaznaczone szarymi, trudnymi do rozpoznania liniami. Poprawność zaproponowanego modelu została zweryfikowana poprzez dopasowanie krzywych teoretycznych do danych eksperymentalnych. Eksperymenty przeprowadzono w dziedzinie czasu oraz w dziedzinie częstotliwości. Przeprowadzono analizę, która pokazała zarówno zalety jak i słabości obranej metody. Dla pomiarów w dziedzinie częstotliwości, dla części parametrów, uzyskano zgodność jedynie co do rzędu wielkości, ale zostało to odpowiednio skomentowane, ustalono także sposoby uzyskania lepszej dokładności poprzez zwiększenie liczby komórek RC i rozszerzenie układu o kolejne czwórniki. Od rozdziału siódmego przedstawione są wyniki eksperymentalne. W tym rozdziale przedstawione są wstępne pomiary przeprowadzone za pomocą metod stało i zmiennoprądowych. Zbadano materiały wzorcowe. Celem było zbadanie wpływu właściwości cieplnych próbek i warunków pomiaru na sygnał sondy. Przeanalizowano 3

4 skomplikowany układ pomiarowy, omówiono liczne czynniki wpływające na pomiar, pokazano zalety jaki i słabe strony wybranych metod. Wykorzystując metodę zmiennoprądową, zaobserwowano korelację miedzy amplitudą sygnału w obszarze niskich częstotliwości i fazą w obszarze przejściowym. Pokazano, że metody zastosowane metody podobnie jak metoda 3ω mogą być stosowane do pomiaru przewodności cieplnej nieznanych materiałów. Kolejny rozdział przedstawia nową metodę pomiarową opartą pomiarze oporu dynamicznego oraz statycznego sondy zasilanej sumą prądu stałego i przemiennego. Na wstępie przedstawiona jest idea nowej metody. Model matematyczny nie jest opisany szczegółowo i wymaga sięgnięcia do oryginalnych prac. Dla ogólnego obrazu i zrozumienia pracy warto by było umieścić więcej szczegółów. Przedstawione są unormowane wartości amplitudy i fazy składowych napięcia na sondzie obliczone w funkcji ωτ (autorka nazywa je częstotliwościowymi ). Obliczone wartości zostały porównane z wynikami eksperymentalnymi zmierzonymi dla sondy Wollastona i nanopondy cieplnej (rys. 33). Autorka pisze, że porównując wykresy z rysunków 31 i 33 można stwierdzić, że zgodność modelu teoretycznego z wynikami eksperymentów jest satysfakcjonująca. Tymczasem na osi rzędnych rysunku 33 przedstawione są wartości częstotliwości, na rysunku 31 częstotliwość pomnożona jest przez wartości stałej czasowej. Trudno więc je porównać. Rysunek 31 przedstawia wyniki teoretyczne dla nanopondy cieplnej, które należy porównać z rysunkiem 33 c,d. Tu rozbieżności charakterystyk są widoczne i warte skomentowania. W dalszej części przedstawiono analizę wpływu różnych parametrów (właściwości cieplnych, natężenia prądu składowej stałej sygnału zasilającego) na wartości oporu statycznego, dynamicznego oraz fazy sygnału dla sondy w powietrzu i w kontakcie z materiałami wzorcowymi. Przedstawione pomiary pozwoliły na wniosek, że opracowana metoda, oparta na jednoczesnym pomiarze oporu dynamicznego i statycznego sondy z wykorzystaniem detekcji homodynowej do rejestracji składowej zmiennej, może być użyteczna w badaniach właściwości cieplnych. Rozdział dziewiąty przedstawia przykłady zastosowania nowej metody w badaniach jakościowych i ilościowych właściwości cieplnych mikro- i nanostruktur. W pierwszej części autorka zbadała struktury TSV (Through Silicon Via) wykorzystywane w trójwymiarowych układach elektronicznych o wysokim stopniu integracji. Autorska metoda została porównana z obrazami mikroskop sił atomowych. Wykonano także pomiary metodą 3ω. W przypadku nowej metody i obrazowania własności cieplnych, uzyskaną lepszą rozdzielczość w porównaniu do metod standardowych. Zbadano także własności barier cieplnych w wielowarstwowych strukturach fotonicznych. Podkreślono wartość stosowania wybranej metody dla tych struktur pracujących w podwyższonej temperaturze. Pokazano zaletę obrazowania cieplnego, które w porównaniu z obrazem topograficznym wykazuje warstwową strukturę próbki. Zbadano również cienkie warstwy SiO 2. Dla pomiarów materiałów wzorcowych i warstw SiO 2 dopasowano krzywą teoretyczną, która zgadza się z wynikami eksperymentu. W przypadku cienkich warstw mierzony sygnał zależy od właściwości cieplnych warstwy jak i podłoża. Autorka zwraca uwagę na trudności z tego wynikające i proponuje procedurę korekcyjną, analizuje także sposób opisu transportu ciepła w nanoskali. Rysunek 47 pracy pokazuje przewodności cieplne wyznaczone dla cienkich warstw SiO 2, zmierzone przez autorkę w zestawieniu z danymi literaturowymi. Wyniki dopasowane są poprzez numeryczne rozwiązanie równania przewodności cieplnej transportu Boltzmana. Wartości literaturowe (otrzymane przez różnych autorów) dla poszczególnych grubości warstw znacznie różnią się od siebie do przedstawionych danych można by dopasować bardzo różne krzywe. To słabość tej interpretacji. Ostatnimi zmierzonymi materiałami były warstwy BaTiO 3, których takie właściwości, jak wysoka stała dialektyczna, piezoelektryczność i ferroelektryczność sprawiają, że związek ten ma liczne zastosowania w przemyśle elektronicznym. Zbadano wpływ procesu 4

5 wygrzewania na strukturę oraz właściwości cieplne próbek, wykonano obrazy AFM oraz SThM. Wykonano także pomiary ilościowe, w których uzyskano dobrą zgodność otrzymanych rezultatów eksperymentalnych dla materiałów wzorcowych i badanych próbek z krzywą teoretyczną. Rozdział dziesiąty stanowi krótkie podsumowanie pracy. Do najważniejszych osiągnięć pracy zaliczyć należy: Opracowanie nowej metody pomiarowej, umożliwiającej badanie lokalnych właściwości ciał stałych z dużą rozdzielczością przestrzenną z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu cieplnego Opracowanie modelu układu sonda próbka w oparciu o metodę elementów skończonych Wykonanie dużej liczby badań eksperymentalnych w celu weryfikacji nowej metody pomiarowej. Zastosowanie zaproponowanej metody do badań właściwości cieplnych wybranych mikro- i nanostruktur. Wykorzystana w pracy metoda i otrzymane rezultaty mają duże znaczenie praktyczne, dają możliwość stosowania nowej metody w badaniach struktur wykorzystywanych w przemyśle. Ocena strony redakcyjnej pracy: Praca jest napisana dobrym stylem, uporządkowana, wywód prowadzony jest jasno i systematycznie. Przeanalizowany został skomplikowany układ pomiarowy. Dobrym rozwiązaniem było dodawanie wniosków podsumowujących etapy wykonywania pracy. Niektóre rozdziały można by uzupełnić, aby opis był pełny. Wyniki, które są przedstawione w sposób graficzny są najczęściej przejrzyste i czytelne. Zauważono niewiele błędów: Arsenek aluminiowo-galowy (Al x Ga 1-x As) jest nazwany arsenkiem aluminium (str. 74). Wymieniając wzór chemiczny tego materiału autorka podaje go prawidłowo, później, dla zawartości aluminium 0.05 jest stosowany wzór Al 0.05 GaAs zamiast Al 0.05 Ga 0.95 As. Na czytelność pracy wpłynęłoby umieszczanie wyjaśnienia skrótów nie tylko na początku pracy, ale także przy ich pierwszym wystąpieniu, z polskimi (jeśli istnieją) tłumaczeniami. Konkluzja: Mgr Justyna Juszczyk w swojej pracy uzyskała szereg ciekawych i wartościowych wyników, które stanowią znaczne rozszerzenie aktualnej wiedzy o cieplnej mikroskopii skaningowej. Zaproponowana nowa metoda pomiarowa została szczegółowo przeanalizowana i sprawdzona eksperymentalnie. Autorka zna dziedzinę w której pracuje, jej działalność dobrze wpisują się w badania, prowadzone za pomocą metod termicznych w innych ośrodkach badawczych. Analiza przedstawionych rezultatów pozwala stwierdzić, że postawiony na początku cel pracy został zrealizowany. Uważam, że przedstawiona mi do recenzji praca spełnia wszystkie wymagania określone w ustawie o stopniach i tytule naukowym stawiane rozprawom doktorskim 5

6 i dlatego wnioskuję o dopuszczenie magister inżynier Justyny Juszczyk do dalszych etapów przewodu doktorskiego. dr hab. Jacek Zakrzewski 6