半导体器件用显微红外热成像技术原理及应用.docx

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1、半导体器件用显微红外热成像技术原理及应用翟玉卫;郑世棋;刘岩;梁法国【摘 要】对用于半导体器件温度测量的显微红外热成像技术的原理及应用状况进展了总结.显微红外热成像技术基于普朗克黑体辐射定律,依靠测量被测件外表发出的红外辐射确定温度.在中红外波段下,该技术具备最高 1.9m 的空间区分力,协作放射率修正技术,能够测量非黑体的微小半导体器件的真实温度.该技术具备稳态温度成像测量力量、连续毫秒级甚至微秒级的高时间区分力成像测量力量和脉冲条件下器件温度测量力量.在各类半导体器件不同工作条件下的温度测量方面得到了广泛的应用.【期刊名称】计测技术【年(卷),期】2023(038)006【总页数】8 页(

2、P53-60)【关键词】半导体器件;显微红外热成像;测温;放射率修正;空间区分力;时间区分力【作 者】翟玉卫;郑世棋;刘岩;梁法国【作者单位】中国电子科技集团公司第十三争论所,河北 石家庄 050051;中国电子科技集团公司第十三争论所,河北 石家庄 050051;中国电子科技集团公司第十三争论所,河北 石家庄 050051;中国电子科技集团公司第十三争论所,河北 石家庄050051【正文语种】中 文【中图分类】TB90 引言温度参数是半导体器件一类格外重要的参数，最典型的就是结温顺热阻，它们是评估半导体器件尤其是功率器件性能和寿命、分析器件牢靠性、争论器件失效机理最重要的依据之一。在美军 M

3、IL-STD-750D，GJB-548 等相关标准中都规定了结温顺热阻参数为半导体器件的必测参数。由于温度参数的重要性，用于半导体器件测温的各类技术和仪器始终是国内外半导体器件行业争论和关注的热点。目前，有多种技术手段可以实现对半导体器件温度参数的测量，如接触测温法、电学参数法和光学法1，其中光学法又可以细分为：液晶测温技术、荧光热成像测温技术、红外热成像测温技术、显微拉曼光谱测温技术、可见光热反射测温技术等2-4。在这些技术中，被半导体器件科研生产单位广泛承受的是电学参数法和显微红外热成像测温技术。相对于只能测量器件平均温度的电学参数法，基于红外测温原理的显微红外热成像技术具备微米级的空间区

4、分力5，可以观看器件外表的温度分布状况，能够得到更多的温度信息，另外，红外测温属于非接触测温，不会影响器件的工作状态，可以测量器件真实工作条件下的温度特性，在当今的宽禁带、大功率器件温度测量方面具有不行替代的作用。1 显微红外热成像技术的测温原理显微红外热成像技术测温的根本原理是普朗克黑体辐射定律，其数学表达式为6(1)式中：Wb(，T)为黑体光谱辐射通量，W/(m-3)；c1 为第一辐射常数，其值为3.74210-16，Wm2；c2 为其次辐射常数，其值为 1.438810-2，mK；T 为黑体温度，K； 为波长,m。表示物体总辐射量的斯蒂芬-玻尔兹曼公式是在普朗克公式的根底上对物体在肯定温

5、度 T 下，单位面积、单位时间内所放射的全部波长的总辐射出射度的积分得到的M=T 4(2)式中：M 为辐射单元的全波长总辐射出射度，W/m2； 为辐射单元外表放射率， 无量纲； 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为 5.6710-8，Wm-2k-4；T 为辐射单元外表温度，K。用于显微红外热成像测量的探测器多承受光子探测器，因此热像仪的响应与入射光 子的数量成正比(而非能量)，所以承受斯蒂芬-玻尔兹曼公式的光子形式来表示 7。Q=T 3(3)式中：Q 为单位面积全波长光子放射量，个/(scm2)； 为辐射单元外表放射率， 无量纲； 为常量，其值为 1.521011，个/(scm2K3)；T 为辐射单

6、元外表热力学温度，K。由于光子探测器只能对某一波段的红外辐射产生响应，所以其实际的测温不能由上述原理公式直接计算得到，这里用 N 来表示热像仪接收到的辐射。又由于被测件都不是黑体，处于肯定的环境温度中时必定会将局部环境背景辐射反射进入热像仪， 所以，热像仪探测器实际接收到的辐射可以表示为NM=NT+(1-)NA (4)式中：NM 为被测件发出的红外辐射，个/(scm2)； 为放射率，无量纲；NT 为与被测件温度一样的黑体发出的红外辐射，个/(scm2)；NA 为与环境温度一样的黑体产生的红外辐射8，个/(scm2)。式(4)只是一个定性的表达式。实际的显微红外测温装置在出厂前都对不同温度下的黑

7、体进展测量，并将黑体辐射与温度的关系拟合成一条曲线，这些数据和曲线将作为后续测温的依据。例如，环境温度简洁测得，假设放射率也，则只再测量一只环境温度下的黑体，就可以得到 NT，再依据拟合曲线算出 NT 对应的温度即可。显微红外热成像技术最重要的用途就是测量半导体器件的真实温度，而非辐射温度， 所以必需准确的知道被测件外表的放射率。但是，半导体器件外表的放射率不是已 知的，而是与材料种类、外表状态等亲热相关的，因此，要实现准确的显微红外测 温必需首先计算放射率。2 显微红外热成像技术的实现承受显微红外热成像技术的测温装置一般被称为显微红外热像仪或红外显微镜(infrared microscope

8、)，其典型构造如图 1 所示。图 1 显微红外热像仪典型构造被测件置于控温平台上，以降低四周环境辐射的影响。被测件的红外辐射由显微镜头进入热像仪经光路系统传输后进入探测器，探测器响应的信号再由计算机进展处理和显示。作为半导体器件温度测量的专用测量仪器，其最突出的特点就是高空间区分力的真实温度测量。2.1 高空间区分力的实现空间区分力指的是图像中可识别的临界物体空间几何长度的最小极限，即对微小构造的空间区分力量。光衍射理论指出，当光线通过一个圆形的孔径时会形成所谓的爱里斑，如图 2，点光源的像并不是一个单一的点。假设有两个点光源距离较近， 两个光源的像就会重叠，而使得光学系统无法区分出这两个点光

9、源，爱里斑的大小打算了光学系统的空间区分力9。图 2 点光源所形成的爱里斑基于光的衍射理论，关于空间区分力有如下两个著名判据，即式(5)的瑞利判据(Rayleigh Criteria)和式(6)的斯派罗判据(Sparrow Criteria)。(5)(6)式中：Dr 和 Ds 分别为两种判据公式中的空间区分力，m； 为光的波长，m； N.A.为数值孔径，无量纲。由上述两个判据可见，空间区分力取决于入射辐射的波长和显微物镜的数值孔径。由于半导体器件温度一般在 300 以下，所以近红外波段辐射较弱，一般不用来进展准确的温度测量。用于半导体器件准确测温的焦平面阵列探测器一般是光子探测器，多为 InS

10、b 或 HgGdTe10，适用的波长范围一般在中红外波段(25 m) 或远红外波段(813 m)3。以 InSb 探测器为例，在空气介质的条件下，显微红外热像仪配备显微镜头一般最大数值孔径为 0.55，则在 2 m 波长下，其空间区分力约为 1.9 m，此时镜头的工作距离仅为 7 mm。固然，还可以承受更大数值孔径的显微物镜进一步实现高空间区分力，但是，数值孔径越高，工作距离越近， 进入热像仪的光强越弱，测温结果误差越大，测温的有用性越来越差，而且在空气 介质的条件下，数值孔径始终小于 1，最大空间区分力也不会高于 1 m。所以，目前用于半导体器件测温的显微红外热像仪承受的物镜数值孔径一般不会

11、超过0.55。从空间区分力的判据可见，空间区分力的大小与探测器的参数无关。但是，探测器的参数与最终的显微红外热成像质量有着格外亲热的关系。以 InSb 探测器为例，最早的显微红外测温装置受限于探测器的技术水平承受的是单探测器测温，并配备了高数值孔径的显微物镜，但是，其只能得到点测温的结果，并不能将高空间区分力的图像测量出来11。为了实现高空间区分力的成像测温，美国 NIST 在 1990 年报道了利用扫描式显微红外热像仪实现最高空间区分力 15 m 的温度成像测量12。随着红外 CCD 焦平面阵列探测器生产技术的进步，显微红外热成像技术开头承受阵列式的焦平面探测器，其成像方式也转变为一次性注视

12、成像，不再需要扫描过程。焦平面阵列探测器经受了一个渐渐进展的过程，其阵列数从 16016013，25625614，51251215进展到今日的 10241024。由于承受阵列式探测器和高数值孔径的显微镜头，显微红外热像仪已经可以实现几个微米的空间区分力，这对测量构造微小的半导体器件时格外有利的。随着探测器阵列数的增加，显微红外热成像技术的空间区分力和图像质量越来越高，能够供给更丰富的温度细节信息，目前，最的显微红外热像仪配备了 10241024 的探测器，其空间区分力最高可实现 1.9 m。表 1 是 1999 年 Grant C. Albright 等在文献14中报道的 256256 的 I

13、nSb 焦平面探测器显微红外热像仪的空间区分力。表 1 不同倍率物镜对应的空间区分力镜头倍率空间区分力/m1/5X3001X605X1225X3所以，高空间区分力的显微红外热成像技术主要取决于探测器敏感波长、显微物镜的数值孔径及探测器的阵列数。假设空间区分力数值大于被测温度点的尺寸，则会造成平均效应而低估最高温度， 如图 3，a 为高温区域，c 为低温区域，探测器探测的是整个区域的平均温度，必定会低估 a 区域的温度。图 3 空间区分力缺乏时测量误差形成的示意图在空气介质的条件下，显微红外热像仪配备显微镜头一般最大数值孔径为 0.55， 则在 2 m 波长下，其空间区分力约为 1.9 m。Ku

14、ball 等人指出15，在检测尺寸小于显微红外热像仪最高空间区分力的微小构造温度时，红外测温结果会有很大的误差。图 4 的结果显示 3 m 空间区分力的显微红外和 0.5 m 空间区分力的拉曼技术分别测量某一 GaN HEMT 器件 0.5m 宽的栅极发热区域温度相差近 50 ，产生这个误差的主要缘由就是显微红外热成像技术空间区分力缺乏。图 4 显微红外法与拉曼法测温结果的比照2.2 真实温度测量的实现半导体器件外表材料一般是各种金属和半导体，其放射率都小于甚至远小于 1。依据公式(3)必需猎取材料的放射率才能进展准确的测温，而半导体器件的材料放射率是未知的，所以测温前必需先测量放射率，这个过

15、程一般称为放射率修正。放射率修正对于半导体器件温度测量是格外重要的16。假设不进展放射率修正，显微红外热成像技术只能测得的被测件外表辐射量的分布，而非温度。2023 年 Ki Soo Chang 等人利用 FLIR 公司生产的红外探测器对 LED 的稳态温度进展了检测，图 5 给出了修正放射率和不修正放射率的比照结果17，左图为未进展放射率修正的显微红外测温结果，右图为放射率修正后的显微红外测温结果。可见，假设不进展放射率修正，测量结果与真实温度将会有格外大的误差。修正放射率最简洁的方法是给被测件外表涂一层黑体材料，这种方法不仅为红外测 温供给了准确的放射率数据18，同时消退了环境背景辐射的影

16、响，准确度较高， 但是这种方法会污染被测件，且不行逆转，测量完毕后被测件无法再投入后续应用， 这既是本钱的铺张也不能满足大规模测量的需要。图 5 放射率修正前与放射率修正后测温结果比照后续进展的显微红外热成像技术针对性的供给了实时的放射率修正方法。依据红外测温的原理，将被测件置于不同的台温下，分别测量被测件外表的红外辐射，并与一样温度下黑体辐射比照后，可以依据式(7)得到被测件的放射率19。(7)式中：NM1 和 NM1 为热像仪在两个不同的温度下接收到的红外辐射，NT1 和NT2 为热像仪在两个不同温度下测得的黑体辐射。后来随着半导体器件的尺寸越来越小，在两个不同的温度下进展放射率修正时，温

17、差引入的热膨胀会导致器件的位置发生变化，从而引入误差。为了消退这个误差， 最提出了在一个固定的台温下进展放射率修正的方法20，这种方法设计了一个模拟环境温度黑体的装置其辐射量为 NA，进展放射率修正前，首先将测量 NA， 并将这个数据存入计算机，后续测温过程中得到的红外辐射数据首先要减去 NA。被测件入射到热像仪的辐射量如式(4)，则直接用式(4)减去 NA，得到式(8)。(8)则可以得到放射率的计算公式(9)此时，假设环境温度波动较大，必定会造成放射率修正结果消灭明显误差，而影响最终的测温结果。假设环境温度在 20 左右，平台温度以最常见的 70 ，被测件真实结温为 200 ，测温误差随着被

18、测件放射率的变化如图 6 所示。所以，需要依据被测件的放射率合理的掌握环境温度。图 6 环境温度波动对不同放射率被测件测温结果的影响另外，半导体器件本身的红外辐射较弱，假设探测器噪声较大或者灵敏度不够，其测量结果准确度或者温度区分力会比较差，目前，非制冷式探测器的 NETD 为80200 mK，制冷式探测器则达 1020 mK3。因此，用于半导体器件准确测温的焦平面阵列探测器一般是工作在制冷条件下的光子探测器。最常见的探测器制冷方式就是液氮制冷21。3 显微红外热成像技术的典型应用显微红外热成像技术进展初期，受限于探测器性能以及数据采集装置及数据处理技术的限制，仅能实现对稳态温度信号的成像式测

19、量；后来，一方面得益于探测器技术的进步，另一方面，高速数据采集装置和锁相放大算法等技术的应用，显微红外热成像技术时间区分力渐渐提高，已经能够测量微秒量级变化的动态温度信号。这些测温力量很好的满足了不同半导体器件的需求，得到了广泛的应用。3.1 测量半导体器件的稳态温度由于焦平面红外探测器的帧频较慢，一般在 100 Hz 以下，不适合用于高速变化的温度信号的检测，因此，显微红外热成像技术最广泛的应用是测量半导体器件的稳态(直流或连续波)温度信号。2023 年 Singhal S 等人利用稳态成像功能测量了一款 GaN HEFT 器件在直流和射频条件下的温度22，图 7 是射频条件下测得的器件温度

20、分布。图 7 射频条件下 GaN HEFT 的显微红外温度图像现在很多半导体器件，如 GaAs 微波功率器件，GaN 微波功率器件，其发热区域都在 1 m 以下，而显微红外热像仪最高空间区分力为 1.9 m。因此，空间区分力成为制约显微红外热像仪在宽禁带微小构造半导体器件温度检测方面应用的主要因素。鉴于空间区分力的缺乏，显微红外热成像技术最的进展动向是与有限元仿真工具结合，用大区域的显微红外测温数据修正仿真参数，用仿真结果给出微小区域的真实温度。2023 年 A.Prejes 等利用 ANSYS 有限元仿真与显微红外测温技术结合给出了某 GaN HEMT 器件上 0.4 m 宽的发热区域的温度

21、数据，如图 8 所示。有限元仿真结果峰值结温约 254 比 7 m 空间区分力的红外测量结果 210 高44 23。图 8 A.Prejes 等基于红外测温的有限元仿真结果此外，显微红外热成像技术在国内也得到了格外广泛的应用。如：王因生等人利用稳态温度成像功能测量了 L 波段硅脉冲功率管的结温，以进展寿命评估24；房迅雷等利用该技术测量了微波多芯片组件的温度状况25；郭春生等对 GaN HEMT进展了多种功率条件下的结温测量26，等。3.2 测量半导体器件周期性变化的温度除了稳态温度，半导体器件尤其是大功率器件还常常会工作在周期性温度变化的条件下。测量周期性温度变化也是格外重要的。2023 年

22、 Grant Albright 等人对稳态显微红外热成像技术进展了改进，依靠探测器本身的帧频进展连续的图像采集，实现了对以 0.5 Hz 频率温度变化的半导体器件连续的温度成像检测27，图 9 是不同时刻测得的器件的温度分布图像。图 9 低速连续成像测温结果但是，探测器本身的帧频是无法对以微秒级速度变化的温度信号进展有效数据采集的，为了满足对脉冲条件下器件高速变化的温度检测需求，quantum focus 公司开发了具备单探测器高时间区分力测温功能的 InfraScope 型显微红外热像仪， 响应时间在几十个微秒。图 10 是 2023 年 M.Mahalingam 等用该型热像仪对典型硅基微

23、波功率器件测量得到的脉冲条件下器件温度变化曲线28。图 10 脉冲条件下的显微红外单点温度测量结果3.3 测量半导体器件非周期性变化的温度除了稳态温度和周期性温度，还常常需要对半导体器件进展非周期性动态温度检测， 如器件的失效过程等。2023 年 Robert Furstenburg 等人以 FLIR 公司的红外探测器为根底自制了一套显微红外热像仪，对微小预浓缩器进展了稳态和动态的温度成像测量29，图 11 是测得不同时间的温度分布图像。图 11 微小预浓缩器的连续显微红外图像2023 年 E.Miranda 等人对 FLIR 的 Merlin-MID 显微红外热像仪进展了改进，开发了外部同步

24、规律模块，对一款 MIM 电容实现了最高采样频率 100 kHz 的连续成像测量。这是迄今为止关于红外成像测温速度最高的报道30，测量结果如图12。图 12 不同时刻电容的红外成像结果4 总结与展望半导体器件温度测量领域应用的显微红外热成像技术最突出的特点是较高的空间区分力和基于放射率修正的真实温度测量。同时，该技术已具备稳态温度测量、周期性温度测量和非周期性温度测量等力量。近些年来国内局部科研人员31-32认为基于非制冷式探测器的低本钱显微红外热成像技术是一个重要的进展方向，以高美静等为代表的争论人员开展了此类争论， 其报道的最高空间区分力为 15 m33，但是，仅空间区分力一项就远不能满足

25、半导体器件测温的需要，还没有实际应用的报道。另外，研发空间区分力更高的拉曼测温技术34和可见光热反射测温技术35成为半导体器件光学测温技术的重要进展方向，但是，目前这些技术测试效率低、系统简单、操作难度大，在真正的工业生产的应用还有很长的路要走。综合国内外大多数技术文献，半导体器件测温用制冷式显微红外热成像技术经受了一个渐渐进展完善的过程。目前，该类技术主要承受中红外波段和远红外波段进展测量，其在空气介质中的空间区分力极限是 1 m，相对于目前已经投入工业应用的 1.9 m 而言提高的余地已经不大，有鉴于空间区分力对半导体器件测温准确度的重要性，显微红外热成像技术进展的一个主要趋势是与有限元仿

26、真结合实现对低于 1 m 的构造的温度测量。另一方面，为了满足越来越多的高速变化的温度信号测量需求，提高显微红外热成像技术的时间区分力也是一个重要的进展方向。可以预见，在将来很长时间内基于制冷式探测器的显微红外成像技术仍将在半导体器件尤其是大功率、宽禁带器件温度测量方面发挥不行替代的作用。参考文献【相关文献】1 Semiconductor Thermal Measurement and Management SymposiumC/Dallas,TX,USA,2023:199-204.2 Blackburn D L.Blackburn Temperature Measurements of Se

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