翟玉衛(wèi)，鄭世棋，劉巖，梁法國(guó)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

溫度參數(shù)是半導(dǎo)體器件一類非常重要的參數(shù)，最典型的就是結(jié)溫和熱阻，它們是評(píng)估半導(dǎo)體器件尤其是功率器件性能和壽命、分析器件可靠性、研究器件失效機(jī)理最重要的依據(jù)之一。在美軍MIL-STD-750D，GJB-548等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了結(jié)溫和熱阻參數(shù)為半導(dǎo)體器件的必測(cè)參數(shù)。由于溫度參數(shù)的重要性，用于半導(dǎo)體器件測(cè)溫的各類技術(shù)和儀器一直是國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體器件行業(yè)研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，有多種技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體器件溫度參數(shù)的測(cè)量，如接觸測(cè)溫法、電學(xué)參數(shù)法和光學(xué)法[1]，其中光學(xué)法又可以細(xì)分為：液晶測(cè)溫技術(shù)、熒光熱成像測(cè)溫技術(shù)、紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)、顯微拉曼光譜測(cè)溫技術(shù)、可見光熱反射測(cè)溫技術(shù)等[2-4]。在這些技術(shù)中，被半導(dǎo)體器件科研生產(chǎn)單位廣泛采用的是電學(xué)參數(shù)法和顯微紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)。相對(duì)于只能測(cè)量器件平均溫度的電學(xué)參數(shù)法，基于紅外測(cè)溫原理的顯微紅外熱成像技術(shù)具備微米級(jí)的空間分辨力[5]，可以觀察器件表面的溫度分布情況，能夠得到更多的溫度信息，另外，紅外測(cè)溫屬于非接觸測(cè)溫，不會(huì)影響器件的工作狀態(tài)，可以測(cè)量器件真實(shí)工作條件下的溫度特性，在當(dāng)今的寬禁帶、大功率器件溫度測(cè)量方面具有不可替代的作用。

1 顯微紅外熱成像技術(shù)的測(cè)溫原理

顯微紅外熱成像技術(shù)測(cè)溫的基本原理是普朗克黑體輻射定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[6]

(1)

式中：Wb(λ，T)為黑體光譜輻射通量，W/(m-3)；c1為第一輻射常數(shù)，其值為3.742×10-16，W·m2；c2為第二輻射常數(shù)，其值為1.4388×10-2，m·K；T為黑體溫度，K；λ為波長(zhǎng),m。

表示物體總輻射量的斯蒂芬-玻爾茲曼公式是在普朗克公式的基礎(chǔ)上對(duì)物體在一定溫度T下，單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總輻射出射度的積分得到的

M=σεT4

(2)

式中：M為輻射單元的全波長(zhǎng)總輻射出射度，W/m2；ε為輻射單元表面發(fā)射率，無量綱；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8，W·m-2·k-4；T為輻射單元表面溫度，K。

用于顯微紅外熱成像測(cè)量的探測(cè)器多采用光子探測(cè)器，因此熱像儀的響應(yīng)與入射光子的數(shù)量成正比(而非能量)，所以采用斯蒂芬-玻爾茲曼公式的光子形式來表示[7]。

Q=σεT3

(3)

式中：Q為單位面積全波長(zhǎng)光子發(fā)射量，個(gè)/(s·cm2)；ε為輻射單元表面發(fā)射率，無量綱；σ為常量，其值為1.52×1011，個(gè)/(s·cm2·K3)；T為輻射單元表面熱力學(xué)溫度，K。

由于光子探測(cè)器只能對(duì)某一波段的紅外輻射產(chǎn)生響應(yīng)，所以其實(shí)際的測(cè)溫不能由上述原理公式直接計(jì)算得到，這里用N來表示熱像儀接收到的輻射。又由于被測(cè)件都不是黑體，處于一定的環(huán)境溫度中時(shí)必然會(huì)將部分環(huán)境背景輻射反射進(jìn)入熱像儀，所以，熱像儀探測(cè)器實(shí)際接收到的輻射可以表示為

NM=εNT+(1-ε)NA

(4)

式中：NM為被測(cè)件發(fā)出的紅外輻射，個(gè)/(s·cm2)；ε為發(fā)射率，無量綱；NT為與被測(cè)件溫度相同的黑體發(fā)出的紅外輻射，個(gè)/(s·cm2)；NA為與環(huán)境溫度相同的黑體產(chǎn)生的紅外輻射[8]，個(gè)/(s·cm2)。

式(4)只是一個(gè)定性的表達(dá)式。實(shí)際的顯微紅外測(cè)溫裝置在出廠前都對(duì)不同溫度下的黑體進(jìn)行測(cè)量，并將黑體輻射與溫度的關(guān)系擬合成一條曲線，這些數(shù)據(jù)和曲線將作為后續(xù)測(cè)溫的依據(jù)。例如，環(huán)境溫度容易測(cè)得，如果發(fā)射率也已知，則只再測(cè)量一只環(huán)境溫度下的黑體，就可以得到NT，再根據(jù)擬合曲線算出NT對(duì)應(yīng)的溫度即可。

顯微紅外熱成像技術(shù)最重要的用途就是測(cè)量半導(dǎo)體器件的真實(shí)溫度，而非輻射溫度，所以必須準(zhǔn)確的知道被測(cè)件表面的發(fā)射率。但是，半導(dǎo)體器件表面的發(fā)射率不是已知的，而是與材料種類、表面狀態(tài)等密切相關(guān)的，因此，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的顯微紅外測(cè)溫必須首先計(jì)算發(fā)射率。

2 顯微紅外熱成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

采用顯微紅外熱成像技術(shù)的測(cè)溫裝置一般被稱為顯微紅外熱像儀或紅外顯微鏡(infrared microscope)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 顯微紅外熱像儀典型結(jié)構(gòu)

被測(cè)件置于控溫平臺(tái)上，以降低周圍環(huán)境輻射的影響。被測(cè)件的紅外輻射由顯微鏡頭進(jìn)入熱像儀經(jīng)光路系統(tǒng)傳輸后進(jìn)入探測(cè)器，探測(cè)器響應(yīng)的信號(hào)再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

作為半導(dǎo)體器件溫度測(cè)量的專用測(cè)量?jī)x器，其最突出的特點(diǎn)就是高空間分辨力的真實(shí)溫度測(cè)量。

2.1 高空間分辨力的實(shí)現(xiàn)

空間分辨力指的是圖像中可辨認(rèn)的臨界物體空間幾何長(zhǎng)度的最小極限，即對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的空間分辨能力。光衍射理論指出，當(dāng)光線通過一個(gè)圓形的孔徑時(shí)會(huì)形成所謂的愛里斑，如圖2，點(diǎn)光源的像并不是一個(gè)單一的點(diǎn)。如果有兩個(gè)點(diǎn)光源距離較近，兩個(gè)光源的像就會(huì)重疊，而使得光學(xué)系統(tǒng)無法分辨出這兩個(gè)點(diǎn)光源，愛里斑的大小決定了光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨力[9]。

圖2 點(diǎn)光源所形成的愛里斑

基于光的衍射理論，關(guān)于空間分辨力有如下兩個(gè)著名判據(jù)，即式(5)的瑞利判據(jù)(Rayleigh Criteria)和式(6)的斯派羅判據(jù)(Sparrow Criteria)。

(5)

(6)

式中：Dr和Ds分別為兩種判據(jù)公式中的空間分辨力，m；λ為光的波長(zhǎng)，m；N.A.為數(shù)值孔徑，無量綱。

由上述兩個(gè)判據(jù)可見，空間分辨力取決于入射輻射的波長(zhǎng)和顯微物鏡的數(shù)值孔徑。

由于半導(dǎo)體器件溫度一般在300 ℃以下，所以近紅外波段輻射較弱，一般不用來進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測(cè)量。用于半導(dǎo)體器件精確測(cè)溫的焦平面陣列探測(cè)器一般是光子探測(cè)器，多為InSb或HgGdTe[10]，適用的波長(zhǎng)范圍一般在中紅外波段(2～5 μm)或遠(yuǎn)紅外波段(8～13 μm)[3]。以InSb探測(cè)器為例，在空氣介質(zhì)的條件下，顯微紅外熱像儀配備顯微鏡頭一般最大數(shù)值孔徑為0.55，則在2 μm波長(zhǎng)下，其空間分辨力約為1.9 μm，此時(shí)鏡頭的工作距離僅為7 mm。當(dāng)然，還可以采用更大數(shù)值孔徑的顯微物鏡進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高空間分辨力，但是，數(shù)值孔徑越高，工作距離越近，進(jìn)入熱像儀的光強(qiáng)越弱，測(cè)溫結(jié)果誤差越大，測(cè)溫的實(shí)用性越來越差，而且在空氣介質(zhì)的條件下，數(shù)值孔徑始終小于1，最大空間分辨力也不會(huì)高于1 μm。所以，目前用于半導(dǎo)體器件測(cè)溫的顯微紅外熱像儀采用的物鏡數(shù)值孔徑一般不會(huì)超過0.55。

從空間分辨力的判據(jù)可見，空間分辨力的大小與探測(cè)器的參數(shù)無關(guān)。但是，探測(cè)器的參數(shù)與最終的顯微紅外熱成像質(zhì)量有著非常密切的關(guān)系。

以InSb探測(cè)器為例，最早的顯微紅外測(cè)溫裝置受限于探測(cè)器的技術(shù)水平采用的是單探測(cè)器測(cè)溫，并配備了高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，但是，其只能得到點(diǎn)測(cè)溫的結(jié)果，并不能將高空間分辨力的圖像測(cè)量出來[11]。為了實(shí)現(xiàn)高空間分辨力的成像測(cè)溫，美國(guó)NIST在1990年報(bào)道了利用掃描式顯微紅外熱像儀實(shí)現(xiàn)最高空間分辨力15 μm的溫度成像測(cè)量[12]。隨著紅外CCD焦平面陣列探測(cè)器生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，顯微紅外熱成像技術(shù)開始采用陣列式的焦平面探測(cè)器，其成像方式也轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮涡阅暢上?，不再需要掃描過程。焦平面陣列探測(cè)器經(jīng)歷了一個(gè)逐漸發(fā)展的過程，其陣列數(shù)從160×160[13]，256×256[14]，512×512[15]發(fā)展到今天的1024×1024。由于采用陣列式探測(cè)器和高數(shù)值孔徑的顯微鏡頭，顯微紅外熱像儀已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)微米的空間分辨力，這對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)微小的半導(dǎo)體器件時(shí)非常有利的。隨著探測(cè)器陣列數(shù)的增加，顯微紅外熱成像技術(shù)的空間分辨力和圖像質(zhì)量越來越高，能夠提供更豐富的溫度細(xì)節(jié)信息，目前，最新的顯微紅外熱像儀配備了1024×1024的探測(cè)器，其空間分辨力最高可實(shí)現(xiàn)1.9 μm。表1是1999年Grant C. Albright等在文獻(xiàn)[14]中報(bào)道的256×256的InSb焦平面探測(cè)器顯微紅外熱像儀的空間分辨力。

表1 不同倍率物鏡對(duì)應(yīng)的空間分辨力

所以，高空間分辨力的顯微紅外熱成像技術(shù)主要取決于探測(cè)器敏感波長(zhǎng)、顯微物鏡的數(shù)值孔徑及探測(cè)器的陣列數(shù)。

如果空間分辨力數(shù)值大于被測(cè)溫度點(diǎn)的尺寸，則會(huì)造成平均效應(yīng)而低估最高溫度，如圖3，a為高溫區(qū)域，c為低溫區(qū)域，探測(cè)器探測(cè)的是整個(gè)區(qū)域的平均溫度，必然會(huì)低估a區(qū)域的溫度。

圖3 空間分辨力不足時(shí)測(cè)量誤差形成的示意圖

在空氣介質(zhì)的條件下，顯微紅外熱像儀配備顯微鏡頭一般最大數(shù)值孔徑為0.55，則在2 μm波長(zhǎng)下，其空間分辨力約為1.9 μm。Kuball等人指出[15]，在檢測(cè)尺寸小于顯微紅外熱像儀最高空間分辨力的微小結(jié)構(gòu)溫度時(shí)，紅外測(cè)溫結(jié)果會(huì)有很大的誤差。圖4的結(jié)果顯示3 μm空間分辨力的顯微紅外和0.5 μm空間分辨力的拉曼技術(shù)分別測(cè)量某一GaN HEMT器件0.5μm寬的柵極發(fā)熱區(qū)域溫度相差近50 ℃，產(chǎn)生這個(gè)誤差的主要原因就是顯微紅外熱成像技術(shù)空間分辨力不足。

圖4 顯微紅外法與拉曼法測(cè)溫結(jié)果的對(duì)比

2.2 真實(shí)溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

半導(dǎo)體器件表面材料一般是各種金屬和半導(dǎo)體，其發(fā)射率都小于甚至遠(yuǎn)小于1。根據(jù)公式(3)必須獲取材料的發(fā)射率才能進(jìn)行精確的測(cè)溫，而半導(dǎo)體器件的材料發(fā)射率是未知的，所以測(cè)溫前必須先測(cè)量發(fā)射率，這個(gè)過程一般稱為發(fā)射率修正。發(fā)射率修正對(duì)于半導(dǎo)體器件溫度測(cè)量是非常重要的[16]。如果不進(jìn)行發(fā)射率修正，顯微紅外熱成像技術(shù)只能測(cè)得的被測(cè)件表面輻射量的分布，而非溫度。2012年Ki Soo Chang等人利用FLIR公司生產(chǎn)的紅外探測(cè)器對(duì)LED的穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行了檢測(cè)，圖5給出了修正發(fā)射率和不修正發(fā)射率的對(duì)比結(jié)果[17]，左圖為未進(jìn)行發(fā)射率修正的顯微紅外測(cè)溫結(jié)果，右圖為發(fā)射率修正后的顯微紅外測(cè)溫結(jié)果?？梢姡绻贿M(jìn)行發(fā)射率修正，測(cè)量結(jié)果與真實(shí)溫度將會(huì)有非常大的誤差。

修正發(fā)射率最簡(jiǎn)單的方法是給被測(cè)件表面涂一層黑體材料，這種方法不僅為紅外測(cè)溫提供了準(zhǔn)確的發(fā)射率數(shù)據(jù)[18]，同時(shí)消除了環(huán)境背景輻射的影響，準(zhǔn)確度較高，但是這種方法會(huì)污染被測(cè)件，且不可逆轉(zhuǎn)，測(cè)量完畢后被測(cè)件無法再投入后續(xù)應(yīng)用，這既是成本的浪費(fèi)也不能滿足大規(guī)模測(cè)量的需要。

圖5 發(fā)射率修正前與發(fā)射率修正后測(cè)溫結(jié)果對(duì)比

后續(xù)發(fā)展的顯微紅外熱成像技術(shù)針對(duì)性的提供了實(shí)時(shí)的發(fā)射率修正方法。根據(jù)紅外測(cè)溫的原理，將被測(cè)件置于不同的臺(tái)溫下，分別測(cè)量被測(cè)件表面的紅外輻射，并與相同溫度下黑體輻射對(duì)比后，可以根據(jù)式(7)得到被測(cè)件的發(fā)射率[19]。

(7)

式中：NM1和NM1為熱像儀在兩個(gè)不同的溫度下接收到的紅外輻射，NT1和NT2為熱像儀在兩個(gè)不同溫度下測(cè)得的黑體輻射。

后來隨著半導(dǎo)體器件的尺寸越來越小，在兩個(gè)不同的溫度下進(jìn)行發(fā)射率修正時(shí)，溫差引入的熱膨脹會(huì)導(dǎo)致器件的位置發(fā)生變化，從而引入誤差。為了消除這個(gè)誤差，最新提出了在一個(gè)固定的臺(tái)溫下進(jìn)行發(fā)射率修正的方法[20]，這種方法設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬環(huán)境溫度黑體的裝置其輻射量為NA，進(jìn)行發(fā)射率修正前，首先將測(cè)量NA，并將這個(gè)數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，后續(xù)測(cè)溫過程中得到的紅外輻射數(shù)據(jù)首先要減去NA。被測(cè)件入射到熱像儀的輻射量如式(4)，則直接用式(4)減去NA，得到式(8)。

(8)

則可以得到發(fā)射率的計(jì)算公式

(9)

此時(shí)，如果環(huán)境溫度波動(dòng)較大，必然會(huì)造成發(fā)射率修正結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差，而影響最終的測(cè)溫結(jié)果。假設(shè)環(huán)境溫度在20 ℃左右，平臺(tái)溫度以最常見的70 ℃，被測(cè)件真實(shí)結(jié)溫為200 ℃，測(cè)溫誤差隨著被測(cè)件發(fā)射率的變化如圖6所示。所以，需要根據(jù)被測(cè)件的發(fā)射率合理的控制環(huán)境溫度。

圖6 環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)不同發(fā)射率被測(cè)件測(cè)溫結(jié)果的影響

另外，半導(dǎo)體器件本身的紅外輻射較弱，如果探測(cè)器噪聲較大或者靈敏度不夠，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度或者溫度分辨力會(huì)比較差，目前，非制冷式探測(cè)器的NETD為80～200 mK，制冷式探測(cè)器則達(dá)10～20 mK[3]。因此，用于半導(dǎo)體器件精確測(cè)溫的焦平面陣列探測(cè)器一般是工作在制冷條件下的光子探測(cè)器。最常見的探測(cè)器制冷方式就是液氮制冷[21]。

3 顯微紅外熱成像技術(shù)的典型應(yīng)用

顯微紅外熱成像技術(shù)發(fā)展初期，受限于探測(cè)器性能以及數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的限制，僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度信號(hào)的成像式測(cè)量；后來，一方面得益于探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步，另一方面，高速數(shù)據(jù)采集裝置和鎖相放大算法等新技術(shù)的應(yīng)用，顯微紅外熱成像技術(shù)時(shí)間分辨力逐漸提高，已經(jīng)能夠測(cè)量微秒量級(jí)變化的動(dòng)態(tài)溫度信號(hào)。這些測(cè)溫能力很好的滿足了不同半導(dǎo)體器件的需求，得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 測(cè)量半導(dǎo)體器件的穩(wěn)態(tài)溫度

由于焦平面紅外探測(cè)器的幀頻較慢，一般在100 Hz以下，不適合用于高速變化的溫度信號(hào)的檢測(cè)，因此，顯微紅外熱成像技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是測(cè)量半導(dǎo)體器件的穩(wěn)態(tài)(直流或連續(xù)波)溫度信號(hào)。

2006年Singhal S等人利用穩(wěn)態(tài)成像功能測(cè)量了一款GaN HEFT器件在直流和射頻條件下的溫度[22]，圖7是射頻條件下測(cè)得的器件溫度分布。

圖7 射頻條件下GaN HEFT的顯微紅外溫度圖像

現(xiàn)在很多半導(dǎo)體器件，如GaAs微波功率器件，GaN微波功率器件，其發(fā)熱區(qū)域都在1 μm以下，而顯微紅外熱像儀最高空間分辨力為1.9 μm。因此，空間分辨力成為制約顯微紅外熱像儀在寬禁帶微小結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件溫度檢測(cè)方面應(yīng)用的主要因素。

鑒于空間分辨力的不足，顯微紅外熱成像技術(shù)最新的發(fā)展動(dòng)向是與有限元仿真工具結(jié)合，用大區(qū)域的顯微紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)修正仿真參數(shù)，用仿真結(jié)果給出微小區(qū)域的真實(shí)溫度。2009年A.Prejes等利用ANSYS有限元仿真與顯微紅外測(cè)溫技術(shù)結(jié)合給出了某GaN HEMT器件上0.4 μm寬的發(fā)熱區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，如圖8所示。有限元仿真結(jié)果峰值結(jié)溫約254 ℃比7 μm空間分辨力的紅外測(cè)量結(jié)果210 ℃高44 ℃[23]。

圖8 A.Prejes等基于紅外測(cè)溫的有限元仿真結(jié)果

此外，顯微紅外熱成像技術(shù)在國(guó)內(nèi)也得到了非常廣泛的應(yīng)用。如：王因生等人利用穩(wěn)態(tài)溫度成像功能測(cè)量了L波段硅脈沖功率管的結(jié)溫，以進(jìn)行壽命評(píng)估[24]；房迅雷等利用該技術(shù)測(cè)量了微波多芯片組件的溫度情況[25]；郭春生等對(duì)GaN HEMT進(jìn)行了多種功率條件下的結(jié)溫測(cè)量[26]，等。

3.2 測(cè)量半導(dǎo)體器件周期性變化的溫度

除了穩(wěn)態(tài)溫度，半導(dǎo)體器件尤其是大功率器件還經(jīng)常會(huì)工作在周期性溫度變化的條件下。測(cè)量周期性溫度變化也是非常重要的。

2001年Grant Albright等人對(duì)穩(wěn)態(tài)顯微紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，依靠探測(cè)器本身的幀頻進(jìn)行連續(xù)的圖像采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)以0.5 Hz頻率溫度變化的半導(dǎo)體器件連續(xù)的溫度成像檢測(cè)[27]，圖9是不同時(shí)刻測(cè)得的器件的溫度分布圖像。

圖9 低速連續(xù)成像測(cè)溫結(jié)果

但是，探測(cè)器本身的幀頻是無法對(duì)以微秒級(jí)速度變化的溫度信號(hào)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)采集的，為了滿足對(duì)脈沖條件下器件高速變化的溫度檢測(cè)需求，quantum focus公司開發(fā)了具備單探測(cè)器高時(shí)間分辨力測(cè)溫功能的InfraScope Ⅱ型顯微紅外熱像儀，響應(yīng)時(shí)間在幾十個(gè)微秒。圖10是2007年M.Mahalingam等用該型熱像儀對(duì)典型硅基微波功率器件測(cè)量得到的脈沖條件下器件溫度變化曲線[28]。

圖10 脈沖條件下的顯微紅外單點(diǎn)溫度測(cè)量結(jié)果

3.3 測(cè)量半導(dǎo)體器件非周期性變化的溫度

除了穩(wěn)態(tài)溫度和周期性溫度，還經(jīng)常需要對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行非周期性動(dòng)態(tài)溫度檢測(cè)，如器件的失效過程等。

2008年Robert Furstenburg等人以FLIR公司的紅外探測(cè)器為基礎(chǔ)自制了一套顯微紅外熱像儀，對(duì)微小預(yù)濃縮器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的溫度成像測(cè)量[29]，圖11是測(cè)得不同時(shí)間的溫度分布圖像。

圖11 微小預(yù)濃縮器的連續(xù)顯微紅外圖像

2014年E.Miranda等人對(duì)FLIR的Merlin-MID顯微紅外熱像儀進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)了外部同步邏輯模塊，對(duì)一款MIM電容實(shí)現(xiàn)了最高采樣頻率100 kHz的連續(xù)成像測(cè)量。這是迄今為止關(guān)于紅外成像測(cè)溫速度最高的報(bào)道[30]，測(cè)量結(jié)果如圖12。

圖12 不同時(shí)刻電容的紅外成像結(jié)果

4 總結(jié)與展望

半導(dǎo)體器件溫度測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用的顯微紅外熱成像技術(shù)最突出的特點(diǎn)是較高的空間分辨力和基于發(fā)射率修正的真實(shí)溫度測(cè)量。同時(shí)，該技術(shù)已具備穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)量、周期性溫度測(cè)量和非周期性溫度測(cè)量等能力。

近些年來國(guó)內(nèi)部分科研人員[31-32]認(rèn)為基于非制冷式探測(cè)器的低成本顯微紅外熱成像技術(shù)是一個(gè)重要的發(fā)展方向，以高美靜等為代表的研究人員開展了此類研究，其報(bào)道的最高空間分辨力為15 μm[33]，但是，僅空間分辨力一項(xiàng)就遠(yuǎn)不能滿足半導(dǎo)體器件測(cè)溫的需要，還沒有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。另外，研發(fā)空間分辨力更高的拉曼測(cè)溫技術(shù)[34]和可見光熱反射測(cè)溫技術(shù)[35]成為半導(dǎo)體器件光學(xué)測(cè)溫技術(shù)的重要發(fā)展方向，但是，目前這些技術(shù)測(cè)試效率低、系統(tǒng)復(fù)雜、操作難度大，在真正的工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

綜合國(guó)內(nèi)外大多數(shù)技術(shù)文獻(xiàn)，半導(dǎo)體器件測(cè)溫用制冷式顯微紅外熱成像技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)逐漸發(fā)展完善的過程。目前，該類技術(shù)主要采用中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段進(jìn)行測(cè)量，其在空氣介質(zhì)中的空間分辨力極限是1 μm，相對(duì)于目前已經(jīng)投入工業(yè)應(yīng)用的1.9 μm而言提高的余地已經(jīng)不大，有鑒于空間分辨力對(duì)半導(dǎo)體器件測(cè)溫準(zhǔn)確度的重要性，顯微紅外熱成像技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)是與有限元仿真結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)低于1 μm的結(jié)構(gòu)的溫度測(cè)量。另一方面，為了滿足越來越多的高速變化的溫度信號(hào)測(cè)量需求，提高顯微紅外熱成像技術(shù)的時(shí)間分辨力也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

可以預(yù)見，在未來很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)基于制冷式探測(cè)器的顯微紅外成像技術(shù)仍將在半導(dǎo)體器件尤其是大功率、寬禁帶器件溫度測(cè)量方面發(fā)揮不可替代的作用。