高時(shí)間分辨力瞬態(tài)熱反射顯微熱成像裝置

劉 巖，翟玉衛(wèi)，荊曉冬，丁立強(qiáng)，任宇龍，吳愛華

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051）

1 引 言

電子器件的工作溫度對(duì)其性能和可靠性有著重要影響，特別是大功率器件，獲得準(zhǔn)確的工作溫度特性對(duì)器件的設(shè)計(jì)、篩選、考核、失效分析等都有非常重要的意義。 基于光學(xué)原理的顯微熱成像技術(shù)為獲取器件微觀溫度分布提供了有效的技術(shù)手段，目前應(yīng)用比較廣泛主要有顯微紅外熱像儀、微區(qū)拉曼測溫儀及熱反射成像測溫儀［1－3］，這幾類儀器的突出優(yōu)勢是非接觸測溫、不影響被測器件或產(chǎn)品工作狀態(tài)、測試結(jié)果直觀。

新興的熱反射顯微熱成像技術(shù)以其突出的空間分辨力和時(shí)間分辨力優(yōu)勢，獲得了日益廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可。 材料對(duì)光信號(hào)的反射率會(huì)隨溫度改變而發(fā)生微小變化，據(jù)此，利用顯微成像系統(tǒng)測量器件表面反射光強(qiáng)變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件表面溫度分布的測量，這就是熱反射顯微熱成像技術(shù)的基礎(chǔ)原理。 由于工作在可見光至淺紫外波段，其空間分辨力可以到達(dá)300 nm 水平，與此同時(shí)，該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)測溫，以納秒級(jí)的時(shí)間分辨力獲取溫度分布隨時(shí)間變化的情況［4－6］，這是該技術(shù)獨(dú)有的優(yōu)勢。

國際上，熱反射顯微熱成像技術(shù)近年來已逐漸趨于成熟，應(yīng)用日益廣泛，目前已有美國兩家公司推出了商用儀器，已經(jīng)在德國泰雷茲公司、美國英飛凌公司、美國海軍實(shí)驗(yàn)室和英國薩里大學(xué)［7－10］等數(shù)十家機(jī)構(gòu)得到應(yīng)用，典型測試對(duì)象在包括GaN HEMT［11－12］，MESFET［13］，IGBT［14］，LD［15］等大功率器件。

目前，國內(nèi)對(duì)熱反射顯微熱成像技術(shù)研究尚顯薄弱，相關(guān)介紹多數(shù)是對(duì)進(jìn)口儀器的應(yīng)用、測試結(jié)果分析及綜述，在自主研發(fā)方面報(bào)道較少，文獻(xiàn)［16－17］介紹了一套自研的瞬態(tài)熱反射顯微熱成像系統(tǒng)，根據(jù)裝置參數(shù)推算時(shí)間分辨力2 μs，但是實(shí)驗(yàn)中測溫點(diǎn)間隔10 μs，整個(gè)升溫過程40 μs，并不能體現(xiàn)出其標(biāo)稱的時(shí)間分辨力性能。 作者所在團(tuán)隊(duì)基于相同的熱反射原理研發(fā)了一套熱成像測溫實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)典型GaN HEMT 進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)條件下的溫度測試，采用365 nm 淺紫外光源實(shí)現(xiàn)了最高405 nm 的空間分辨力［18］。 本文在上述工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)測溫功能，時(shí)間分辨力達(dá)到1 μs，并以微帶電阻作為被測器件開展了瞬態(tài)溫度測試，觀察到了（2 ～3） μs的上升下降時(shí)間，有效驗(yàn)證了裝置的時(shí)間分辨力性能。

2 瞬態(tài)熱反射測溫原理

在熱反射溫度測試中，通常將物體反射率的相對(duì)變化近似為線性處理，稱為熱反射系數(shù)，即：

式中：CTR——熱反射系數(shù)；R——反射率；T——溫度。

由于不同材料在不同入射光波長下CTR差異很大，需要根據(jù)被測材料選擇合適的波長，并通過測試獲得被測表面各像素對(duì)應(yīng)的CTR，該過程通常稱為CTR校準(zhǔn)，以2 溫度點(diǎn)形式為例，計(jì)算公式為：

式中：T0——熱沉溫度；c0——器件未加電，即T0溫度下的相機(jī)灰度值；cx——待測溫度Tx下的相機(jī)灰度值。

以上為穩(wěn)態(tài)熱反射測溫原理，在此基礎(chǔ)上，利用窄脈沖照明，可以捕捉特定短時(shí)間內(nèi)被測表面的圖像，從而實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)熱反射溫度測試。 瞬態(tài)熱反射溫度測試中的關(guān)鍵時(shí)序關(guān)系如圖1 所示，照明只在欲測量的時(shí)刻開啟，同時(shí)保證照明信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的同步關(guān)系，使得照明施加在被測器件多個(gè)工作周期內(nèi)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻，從而相機(jī)采集到的圖像僅對(duì)應(yīng)于欲測量的時(shí)刻。 圖中脈寬tL即LED 脈沖照明的寬度，決定了測量結(jié)果的時(shí)間分辨力；通過調(diào)節(jié)照明脈沖與激勵(lì)起始時(shí)刻的相對(duì)時(shí)延tD，可以獲得被測器件在工作周期內(nèi)不同時(shí)刻的溫度信息，進(jìn)而可以重構(gòu)出被測器件的溫度變化過程。

圖1 瞬態(tài)熱反射中關(guān)鍵時(shí)序關(guān)系圖Fig.1 Key timing sequence in transient thermoreflectance

3 瞬態(tài)熱反射顯微熱成像裝置

實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖2 所示，主要包括顯微鏡、相機(jī)、脈沖光源及驅(qū)動(dòng)、任意時(shí)延發(fā)生器、信號(hào)源、精密控溫臺(tái)、納米位移臺(tái)、隔振臺(tái)。 其中顯微鏡配合適當(dāng)波長的照明光源以及科研級(jí)相機(jī)，通過相機(jī)灰度值的相對(duì)變化得到被測器件反射率的相對(duì)變化情況，從而可以實(shí)現(xiàn)利用熱反射現(xiàn)象的顯微熱成像。 精密控溫臺(tái)提供溫度環(huán)境，作為CTR校準(zhǔn)過程中調(diào)節(jié)被測器件溫度的手段。 信號(hào)源、任意時(shí)延發(fā)生器、LED 驅(qū)動(dòng)與被測器件驅(qū)動(dòng)共同配合實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)測溫所需時(shí)序。 納米位移臺(tái)用于位置漂移修正，保證測試過程采集的多幅圖像各像素的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系不被破壞。 整套裝置安置于隔振臺(tái)（光學(xué)平臺(tái)）上，以降低環(huán)境振動(dòng)的影響。

圖2 瞬態(tài)熱反射顯微熱成像測試系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of transient thermoreflectance microscope

為實(shí)現(xiàn)圖1 中的時(shí)序方案，除了同步時(shí)鐘生成外還需要靈活的時(shí)延調(diào)節(jié)能力，采用任意時(shí)延發(fā)生器作為核心儀器，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘生成方案如圖3 所示，信號(hào)源輸出基準(zhǔn)時(shí)鐘，一路直接輸出用于觸發(fā)相機(jī)曝光，另一路經(jīng)任意時(shí)延發(fā)生器調(diào)整后輸出兩路分別用于控制器件驅(qū)動(dòng)和LED 驅(qū)動(dòng)，每個(gè)周期內(nèi)各輸出的上升沿、下降沿的時(shí)延能夠以ns 精度任意配置。

圖3 基于任意時(shí)延發(fā)生器的時(shí)鐘生成方案框圖Fig.3 Block diagram of clock generation based on digital delay generator

考慮到照明脈寬是決定瞬態(tài)熱反射測試時(shí)間分辨力的核心因素，使用高速PD 對(duì)照明LED 輸出的光脈沖寬度進(jìn)行了測試。 設(shè)定脈沖寬度為1 μs，結(jié)果如圖4 所示，脈寬為981. 6 ns，與預(yù)期的相符。

圖4 照明脈沖寬度測量結(jié)果圖Fig.4 Result of illumination pulse width test

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)考查了裝置在穩(wěn)態(tài)條件下的溫度分辨力性能。 使用GaN HEMT 器件作為被測，選擇其上GaN 材料區(qū)域作為被測目標(biāo)，與此對(duì)應(yīng)的，LED 光源波長采用365 nm。 利用控溫臺(tái)調(diào)節(jié)溫度，產(chǎn)生0.5 ℃的溫度變化，同時(shí)使用研制的熱反射顯微熱成像裝置進(jìn)行溫度測量，測量多次升降溫循環(huán)，以應(yīng)對(duì)重復(fù)性以及強(qiáng)度漂移可能對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的干擾。 具體步驟如下：

a）被測器件置于控溫臺(tái)上，調(diào)節(jié)裝置對(duì)被測清晰成像，選擇一塊較大的面積的GaN 材料作為目標(biāo)測量區(qū)域；

b）進(jìn)行CTR校準(zhǔn)。 溫度點(diǎn)選擇30 ℃和40 ℃。常規(guī)CTR流程，此處不再贅述；

c）控溫臺(tái)設(shè)定30 ℃。 待溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行一次采集，得到結(jié)果c0；

d）控溫臺(tái)設(shè)定30 ℃。 待溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行一次采集，得到結(jié)果c1；

e）控溫臺(tái)設(shè)定30.5 ℃。 待溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行一次采集，得到結(jié)果c2；

f）重復(fù)步驟d）、e）兩遍，得到結(jié)果c3，c4，c5，c6；

g）按照式（4）計(jì)算溫度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖如圖5 所示。

圖5 溫度分辨力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.5 Result of temperature resolution experiment

從圖5 中可以看到明確的漂移，溫度數(shù)據(jù)在逐漸升高。 本次實(shí)驗(yàn)每次測量耗時(shí)約（8 ～10）min，其中包括控溫臺(tái)變溫、等待溫度穩(wěn)定、采集圖像。 以本實(shí)驗(yàn)的時(shí)間跨度和數(shù)據(jù)展現(xiàn)出的漂移水平考慮，控溫臺(tái)穩(wěn)定性、照明光源強(qiáng)度漂移以及相機(jī)響應(yīng)度漂移在量級(jí)上都與之符合，均是可能的漂移來源。 為剔除漂移的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，各點(diǎn)數(shù)據(jù)與其相鄰兩點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值做差，結(jié)果如表1 所示，可以看到處理后的溫度變化數(shù)據(jù)已有較好的一致性，溫度變化量絕對(duì)值平均約0.58 ℃。

表1 剔除漂移影響的溫度分辨力數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature resolution after eliminating drift

對(duì)于漂移問題，上述實(shí)驗(yàn)中由于每個(gè)測試點(diǎn)都需要變溫并等待其穩(wěn)定，故耗時(shí)較長；而在瞬態(tài)測試中，器件施加脈沖激勵(lì)后，需要等待其達(dá)到熱平衡，耗時(shí)通常在1 min 之內(nèi)，之后測量不同時(shí)刻只需要操作任意時(shí)延發(fā)生器，改變照明脈沖相對(duì)激勵(lì)信號(hào)的時(shí)延，該過程基本不耗時(shí)，故實(shí)際瞬態(tài)測試中漂移的影響要明顯小于上述實(shí)驗(yàn)。

下面使用微帶電阻作為被測器件，開展瞬態(tài)溫度測試實(shí)驗(yàn)。 由于微帶電阻發(fā)熱集中，且熱容小、升溫快，能夠更好的體現(xiàn)瞬態(tài)測溫效果，適合作為瞬態(tài)熱反射顯微熱成像的試測樣品。 電阻采用金制作，測試波長選用470 nm，光源脈沖寬度1 μs（即時(shí)間分辨力為1 μs），激勵(lì)脈沖寬度10 μs，熱沉溫度35 ℃。

微帶電阻在脈沖激勵(lì)下的峰值溫度分布如圖6 所示，對(duì)應(yīng)于激勵(lì)脈沖結(jié)束時(shí)刻（即圖8 中10 μs時(shí)刻），該分布圖為測溫結(jié)果與實(shí)物灰度圖的疊加，圖6 中條狀結(jié)構(gòu)即為微帶電阻，左側(cè)是電極，可以看到發(fā)熱集中在電阻上，且溫升比較均勻。其他幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的電阻溫度分布情況如圖7所示。

圖6 微帶電阻峰值溫度分布圖Fig.6 Diagram of peak temperature distribution on micro resistor

圖7 不同時(shí)刻微帶電阻溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution on micro resistor with varied time

電阻峰值溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖8 所示，其中橫軸為相對(duì)激勵(lì)脈沖上升沿的時(shí)間。 從圖8可以看出，實(shí)驗(yàn)對(duì)升溫和降溫過程分別以1 μs 間隔取了5 個(gè)測量點(diǎn)，數(shù)據(jù)曲線顯示溫度上升和下降時(shí)間在（2 ～3） μs，測量系統(tǒng)有效捕捉了升降溫過程，證實(shí)了時(shí)間分辨力性能。

圖8 微帶電阻溫度隨時(shí)間變化曲線圖Fig.8 Evolution of average temperature on micro resistor

5 結(jié)束語

基于短脈沖照明實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)熱反射熱成像，以任意時(shí)延發(fā)生器為核心設(shè)計(jì)了時(shí)鐘生成方案，組建了瞬態(tài)熱反射顯微熱成像測試系統(tǒng)，時(shí)間分辨力達(dá)到1 μs。 以微帶電阻作為被測器件開展了瞬態(tài)熱成像測試，微帶電阻在10 脈沖激勵(lì)下，測得溫度上升和下降時(shí)間在（2 ～3） μs，有效驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的時(shí)間分辨力性能，體現(xiàn)了瞬態(tài)熱反射顯微熱成像測試技術(shù)的高時(shí)間分辨力優(yōu)勢。 考慮到LED 芯片的上升時(shí)間多在ns 量級(jí)，裝置的時(shí)間分辨力尚有較大的提升空間；進(jìn)一步的，將光源的LED 替換為激光器理論上可以將時(shí)間分辨力進(jìn)一步提升到ps 量級(jí)，這也是作者所在研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)工作方向。