岳靜靜，吳之茂，木二珍，羅 宏，姜 杰，胡志宇

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紅外顯微熱成像系統(tǒng)研究及應(yīng)用

岳靜靜1,2,3，吳之茂1,2,3，木二珍1,2,3，羅 宏4，姜 杰4，胡志宇1,2,3

（1. 上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240； 2. 上海交通大學(xué) 納微能源研究所，上海 200240；3. 上海交通大學(xué) 微納電子學(xué)系，上海 200240； 4. 云南北方馳宏光電有限公司，云南 昆明 650217）

紅外顯微熱成像系統(tǒng)基于紅外熱成像、紅外圖像處理和光學(xué)顯微技術(shù)，能夠分析微小物體或局部細(xì)節(jié)的溫度變化，具有無損檢測(cè)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)紅外顯微熱成像系統(tǒng)的研究背景進(jìn)行了概括，介紹了它的基本原理和系統(tǒng)組成，總結(jié)了紅外顯微熱成像系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及其在微電子器件檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等方面的應(yīng)用進(jìn)展，對(duì)其存在的問題進(jìn)行了分析，并且展望了紅外顯微熱成像系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

紅外熱成像；紅外探測(cè)器；紅外顯微熱成像系統(tǒng)

0 引言

1800年，赫胥爾通過溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了紅外輻射的存在。1828年，M. Sweeny發(fā)明了第一個(gè)輻射溫度計(jì)。1931年，商用全輻射測(cè)溫儀問世。19世紀(jì)五六十年代后，隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的迅猛發(fā)展，紅外熱成像產(chǎn)品也開始不斷出現(xiàn)。

紅外熱成像系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫，具有測(cè)溫速度快、靈敏度高、測(cè)溫范圍廣、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)[1-3]、醫(yī)學(xué)診斷[4-6]、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[7]、國(guó)防安全[8-9]等領(lǐng)域都已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但這些紅外熱成像產(chǎn)品大多為望遠(yuǎn)系統(tǒng)，在微電子、材料科學(xué)等需要分析細(xì)微溫度變化的場(chǎng)景不再適用。紅外顯微熱成像系統(tǒng)集成了可見光顯微鏡的顯微放大功能和紅外熱像儀的溫度測(cè)量功能，可很好地應(yīng)用于微電子器件的無損檢測(cè)、微小物體的溫度測(cè)量等方面。

本文對(duì)紅外顯微熱成像系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，列舉了國(guó)內(nèi)外部分紅外顯微熱成像產(chǎn)品，并對(duì)其在微電子器件檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等方面的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

1 紅外顯微熱成像技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 紅外輻射基本理論

對(duì)于任何溫度高于絕對(duì)零度的物體，由于其內(nèi)部帶電粒子不停地運(yùn)動(dòng)，都會(huì)不斷自發(fā)地向周圍輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。紅外光譜波長(zhǎng)約在0.75～1000mm之間，與可見光相比，紅外光的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，具有更明顯的衍射等效應(yīng)，更有利于在大氣中傳播。由于大氣對(duì)紅外輻射的選擇性吸收，在大氣中紅外輻射僅能在1～2.5mm、3～5mm和8～14mm三個(gè)波段內(nèi)有效地傳輸。紅外輻射測(cè)溫的原理是基于斯特藩-玻爾茲曼定律，該定律指出黑體[10]表面單位面積單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量*與黑體本身熱力學(xué)溫度的四次方成正比，即[11]：

*＝4(1)

式中：為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)。自然界中不存在絕對(duì)黑體，引入發(fā)射率的概念，就可以將斯特藩-玻爾茲曼定律近似地用于實(shí)際物體的計(jì)算，即：

*＝4(2)

式中：表示物體的發(fā)射率，為物體的輻射度與和該物體具有相同溫度的黑體的輻射度之比，與物體表面狀態(tài)密切相關(guān)。

1.2 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是利用光電技術(shù)檢測(cè)物體特定波段的紅外輻射信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見圖像并進(jìn)一步分析研究的技術(shù)。紅外探測(cè)器是紅外熱成像技術(shù)的核心，當(dāng)前紅外探測(cè)器工作波段主要集中在3～5mm和8～14mm兩個(gè)大氣窗口內(nèi)，圖1為紅外探測(cè)器的發(fā)展歷史圖[12]。根據(jù)工作原理的不同，紅外探測(cè)器可分為光子探測(cè)型和熱探測(cè)型，即制冷型和非制冷型探測(cè)器。光子探測(cè)器接受紅外輻射，材料內(nèi)部電子能量分布發(fā)生變化引起電信號(hào)輸出，其靈敏度高，但對(duì)波長(zhǎng)有一定限制，且工作時(shí)需要低溫冷卻。冷卻要求使得基于光電子探測(cè)器的紅外系統(tǒng)體積龐大、成本高，阻礙了其廣泛應(yīng)用。熱探測(cè)器接受紅外輻射后，材料的溫度發(fā)生變化產(chǎn)生電信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度取決于輻射功率，與波長(zhǎng)無關(guān)。與光子探測(cè)器比，熱探測(cè)器靈敏度稍低，但不需要制冷設(shè)備。

制冷型探測(cè)器發(fā)展較早，自20世紀(jì)五六十年代出現(xiàn)至今，已經(jīng)發(fā)展到第三代，主要有HgCdTe、InSb光量子型探測(cè)器和GaAlAs/GaAs量子阱型探測(cè)器。非制冷型紅外探測(cè)器主要包括熱釋電型和微測(cè)輻射熱計(jì)型，于1978年首次研究成功，由于其具有啟動(dòng)快、功耗低、體積小、成本低、能夠在室溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，有更加廣闊的應(yīng)用前景，是未來發(fā)展的主要方向。

1.3 紅外顯微熱成像系統(tǒng)組成

紅外顯微熱成像系統(tǒng)是基于紅外熱成像技術(shù)、紅外圖像處理技術(shù)和光學(xué)顯微技術(shù)的系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)主要包括紅外探測(cè)器、紅外顯微物鏡、圖像采集卡、軟件處理系統(tǒng)、工作臺(tái)等。

紅外顯微物鏡與紅外探測(cè)器和工作臺(tái)相連，待測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)接收成像于紅外探測(cè)器組件上，通過探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電模擬信號(hào)輸出，再經(jīng)信號(hào)處理器接收后進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換等處理，最后轉(zhuǎn)化為可以被顯示處理器接收的視頻信號(hào)，與監(jiān)視器連接即可顯示待測(cè)物體熱圖像；將輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過圖像采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中形成數(shù)字圖像；對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行非均勻校正、增強(qiáng)等處理，在顯示器上顯示，并可進(jìn)一步在軟件系統(tǒng)中分析、處理和存儲(chǔ)等。

圖1 紅外探測(cè)器發(fā)展歷史

2 研究現(xiàn)狀

近幾十年，紅外顯微熱成像技術(shù)有了較大的進(jìn)展。美國(guó)在紅外熱成像產(chǎn)品的研發(fā)中一直處于世界領(lǐng)先地位，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和紅外技術(shù)的廣泛應(yīng)用，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本、中國(guó)等也都在擴(kuò)大資金投入，大力發(fā)展紅外顯微熱成像技術(shù)。市面上大部分紅外顯微成像系統(tǒng)采用工作波長(zhǎng)范圍3～5mm的中波紅外探測(cè)器，少部分采用波長(zhǎng)范圍為7～14mm的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，這兩種系統(tǒng)各有優(yōu)劣。中波紅外系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)較短，配合紅外鏡頭設(shè)計(jì)可以獲得較高的空間分辨率，且溫度靈敏度和圖像捕捉率較高。但在微電子器件領(lǐng)域，由于半導(dǎo)體材料的發(fā)射率在長(zhǎng)波紅外范圍內(nèi)通常較高，且在150℃以下的器件典型溫度范圍內(nèi)，發(fā)射紅外光能量的大部分是在長(zhǎng)波紅外范圍內(nèi)。因此在半導(dǎo)體器件失效分析過程中，長(zhǎng)波相比于中波紅外顯微熱成像系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)EDO/Barns公司是紅外探測(cè)器、系統(tǒng)以及光電子顯微鏡領(lǐng)域的先驅(qū)，在1963年生產(chǎn)出第一臺(tái)紅外顯微熱成像產(chǎn)品[13]。該公司先后研制出InfraScope系列I、II、III代紅外顯微鏡，可用于電子元器件等熱失效分析。其中第III代產(chǎn)品如圖2所示，采用500×500 InSb制冷型紅外探測(cè)器，像素尺寸為24mm[14-15]。

圖2 InfraScope III顯微熱成像系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代，美國(guó)SPI公司研制出采用320×240 PtSi制冷型焦平面探測(cè)器的PD300顯微熱成像系統(tǒng)，如圖3所示，工作波段3.6～5mm，主要用于芯片等微小器件的熱分析，查找識(shí)別集成電路缺陷等[16-17]。

日本NEC-AVIO公司研制出TVS-8000系列高靈敏度顯微熱像儀，如圖4所示。采用InSb制冷型焦平面探測(cè)器，工作波段3～4.8mm，能檢測(cè)到0.025℃溫差[18]，是一臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示、分析、記錄熱成像的凝視系統(tǒng)。

日本Jasco公司推出一款具有兩種紅外成像探測(cè)器的IRT-7000型多通道紅外顯微鏡，如圖5所示。其內(nèi)部采用16通道的線陣探測(cè)器和單點(diǎn)碲鎘汞探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)最高120的放大倍率，分辨率最小達(dá)微米。此外還帶有自動(dòng)的樣品平臺(tái)，使得顯微鏡能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品的特定區(qū)域進(jìn)行采集和檢測(cè)，同時(shí)還能在軟件顯示器上觀察整個(gè)樣品的圖像[19-20]。

圖3 PD300顯微熱成像系統(tǒng)

圖4 TVS-8000顯微熱像儀

圖5 IRT-7000型多通道紅外顯微鏡

美國(guó)SFDA研制出如圖6所示的半導(dǎo)體器件熱失效分析及壽命評(píng)估系統(tǒng)，工作波段7～14mm，采用非制冷型紅外顯微鏡，最小空間分辨率達(dá)5mm，能夠測(cè)量半導(dǎo)體器件的表面溫度分布并以圖形化的方式進(jìn)行顯示，可以有效地檢測(cè)微尺度半導(dǎo)體電路和MEMS器件的熱問題，對(duì)器件缺陷快速定位等。

我國(guó)對(duì)紅外熱成像產(chǎn)品的研究起步較晚，于20世紀(jì)90年代初研制出第一代熱成像組件。目前從事紅外材料、紅外光學(xué)鏡頭等紅外產(chǎn)品的生產(chǎn)單位主要有上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)第11所、昆明物理研究所等。國(guó)內(nèi)的紅外顯微熱成像系統(tǒng)研究也較少，目前尚無大批量生產(chǎn)的廠家，國(guó)內(nèi)用戶使用的也多為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，限制了它的推廣使用。

2006年，北京理工大學(xué)搭建了基于320×240多晶硅非制冷焦平面探測(cè)器的紅外顯微熱成像系統(tǒng)樣機(jī)，如圖7所示。采用兩倍光學(xué)放大，工作波段為8～12mm。2008年又進(jìn)一步研制出基于光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)微掃描器的顯微熱成像系統(tǒng)樣機(jī)，提升了靈敏度和圖像的空間分辨率，可用于電子器件的分析檢測(cè)等[21]。

圖6 半導(dǎo)體器件熱失效分析及壽命評(píng)估系統(tǒng)

圖7 北京理工大學(xué)紅外顯微熱成像系統(tǒng)

2013年，上海大學(xué)胡志宇教授課題組與云南北方馳宏光電有限公司、上海膺芙光電科技有限公司歷經(jīng)3年，成功研制出了一套紅外顯微熱成像儀，如圖8所示。該系統(tǒng)采用北方馳宏公司的YF-1001型非制冷紅外相機(jī)，敏感光譜為7～14mm、溫度敏感度為0.1℃、測(cè)溫范圍為0～300℃、空間分辨率為40mm、最高放大倍率為5倍。該套系統(tǒng)國(guó)際首創(chuàng)可自動(dòng)校準(zhǔn)，具有時(shí)間溫度曲線記錄功能、最高溫度鼠標(biāo)跟蹤功能、溫度變化記錄功能、數(shù)據(jù)系統(tǒng)保存功能和三維溫度圖像成像功能等，獲得了權(quán)威機(jī)構(gòu)的科技查新鑒定和認(rèn)證，在醫(yī)療診斷、半導(dǎo)體無損檢測(cè)、公共安全等領(lǐng)域有巨大的市場(chǎng)空間[22-23]。

圖8 上海大學(xué)紅外顯微熱成像系統(tǒng)

3 應(yīng)用進(jìn)展

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，芯片的尺寸越來越小，對(duì)其可靠性的要求也更高。紅外顯微熱成像技術(shù)測(cè)溫的準(zhǔn)確性和可靠性高，對(duì)被測(cè)量對(duì)象的干擾較小，在IC器件的無損檢測(cè)、散熱管理等方面得到了廣泛應(yīng)用。

Chen等人建立三維有限元模型，借助紅外顯微熱成像系統(tǒng)，提出一種熱穩(wěn)定狀態(tài)下集成電路封裝熱性能的表征方法[24]；Alsem等人使用高級(jí)紅外顯微鏡監(jiān)測(cè)多晶硅MEMS器件側(cè)壁摩擦部分的溫度變化，研究MEMS器件的磨損機(jī)制[25]；Li等人利用顯微熱成像技術(shù)測(cè)量器件結(jié)溫以及封裝內(nèi)部的溫度分布[26]；Matthew等人介紹了利用顯微熱成像技術(shù)對(duì)MEMS器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的機(jī)制，通過紅外顯微熱像儀非破壞性地觀察密封MEMS器件結(jié)構(gòu)，并識(shí)別沖擊試驗(yàn)后內(nèi)部受損部分[27]；Gao Lu等人利用紅外顯微鏡觀測(cè)PCB和集成芯片工作時(shí)溫度上升過程，并與ICEPAK軟件溫度模擬情況進(jìn)行對(duì)比分析，建立模擬溫度與實(shí)際溫度之間的關(guān)系[28]；梁法國(guó)等利用紅外顯微熱成像技術(shù)測(cè)試功率器件的結(jié)溫及其分布，用來分析功率器件可靠性[29]。

此外，紅外顯微熱成像系統(tǒng)還為材料性能、醫(yī)學(xué)診斷、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面提供輔助分析。

2012年，馬來西亞的M. J. Suriani等人利用紅外熱像儀，使用主動(dòng)熱成像方法檢測(cè)紅麻/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料缺陷，結(jié)合光學(xué)顯微鏡和SEM驗(yàn)證分析結(jié)果，缺陷檢測(cè)精度達(dá)95%[30]。

2013年，韓國(guó)的Jae Young Kim等人利用具有AMF發(fā)生器的紅外顯微熱成像系統(tǒng)測(cè)量磁性納米顆粒的熱性能。該系統(tǒng)具有3倍放大倍率，空間分辨率為5mm。研究結(jié)果顯示熱成像系統(tǒng)能識(shí)別特定疾病靶向的磁性納米粒子，表明顯微熱成像技術(shù)可用于疾病早期的篩查診斷等[31]。

2014年，羅希等人利用胡志宇教授課題組研制的紅外顯微熱像儀評(píng)估催化劑圖案的性能[32]。在催化燃燒反應(yīng)過程中，通過紅外熱像儀監(jiān)測(cè)催化劑表面的溫度變化，證明微圖案化催化劑表面的均勻溫度分布和快速溫度響應(yīng)。同年，陳英等人利用此套系統(tǒng)對(duì)催化燃燒進(jìn)行紅外表征，觀察薄膜催化劑表面在甲醇低溫燃燒過程中的溫度變化情況，計(jì)算表面溫差變化[33]。

2017年，胡志宇教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊Nano Energy上發(fā)表研究成果，在硅片上點(diǎn)燃20nm超薄可圖形化火。反應(yīng)器中通入甲醇空氣混合氣體，在催化劑作用下進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)，用紅外顯微熱成像系統(tǒng)觀測(cè)納米火的溫度分布，計(jì)算催化劑上下表面溫差[34]。

4 總結(jié)與展望

紅外顯微熱成像系統(tǒng)同時(shí)具有光學(xué)顯微放大功能和溫度測(cè)量功能，能夠應(yīng)用于細(xì)微熱分析。國(guó)外對(duì)紅外顯微熱成像系統(tǒng)的研究和應(yīng)用較早，國(guó)內(nèi)的研究較為落后，使用的系統(tǒng)也多為國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格十分昂貴。由于非制冷紅外探測(cè)器具有功耗小、成本低、能夠在室溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，近年來我國(guó)在大力發(fā)展基于非制冷探測(cè)器的顯微熱成像系統(tǒng)。但非制冷探測(cè)器陣列數(shù)目有限，加上探測(cè)器單元尺寸的限制，圖像空間分辨力低，不利于觀察圖像細(xì)節(jié)。且由于工作波段的波長(zhǎng)限制，系統(tǒng)放大倍數(shù)不夠。因此未來紅外顯微熱成像系統(tǒng)需要向有更高的空間分辨率，更好的紅外圖像成像質(zhì)量，更高的溫度測(cè)量準(zhǔn)確度，更豐富的軟件分析功能等方向發(fā)展。此外，由于紅外圖像不能反映物體的真實(shí)形貌，將紅外圖像與其他圖像結(jié)合分析也是未來的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)已有將可見光圖像與紅外圖像結(jié)合，研制共光路紅外/可見光顯微熱成像系統(tǒng)的專利[35]。

紅外顯微熱成像技術(shù)在MEMS器件可靠性分析、生物醫(yī)學(xué)診斷、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等方面有很好的應(yīng)用前景，我國(guó)對(duì)顯微熱成像系統(tǒng)的需求也會(huì)不斷擴(kuò)大。國(guó)外已經(jīng)有較為成熟的顯微熱成像產(chǎn)品，我國(guó)在此方面研究起步較晚，因此需要加強(qiáng)投入，研制分辨率更高、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低的紅外顯微熱成像系統(tǒng)。

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Research and Applications of Infrared Thermal Microscope Imaging System

YUE Jingjing1,2,3，WU Zhimao1,2,3，MU Erzhen1,2,3，LUO Hong4，JIANG Jie4，HU Zhiyu1,2,3

(1.,,200240,; 2.,,200240,; 3.,,200240,;4.,650217,)

The infrared thermal microscope imaging system is based on technologies of infrared thermal imaging, infrared image processing, and optical microscopy. Such a system can be used to analyze temperature changes of tiny objects or local details, with advantages of non-destructive testing, high sensitivity and so on. The research background of the infrared thermal microscope imaging system is summarized in this article, and the fundamentals and system components are presented. In addition, we summarized the research status of the infrared thermal microscope imaging system and its applications in the field of microelectronic device testing, medical diagnosis, and scientific experiment research. Moreover, the existing problems of the infrared thermal microscope imaging system are analyzed, and its future development trend is forecasted.

infrared thermal imaging，infrared detector，infrared thermal microscope imaging system

TN219

A

1001-8891(2017)11-0973-06

2017-10-25；

2017-11-10.

岳靜靜（1993-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閳D像處理和模式識(shí)別。

胡志宇（1965-），男，博士，教授，主要研究方向是納米量級(jí)高效低污染能量轉(zhuǎn)換元器件及其應(yīng)用、薄膜納米結(jié)構(gòu)功能材料等。

云南省科技廳省院省校科技合作專項(xiàng)（2014IB007）；國(guó)家自然科學(xué)基金（5177060654）；云南省胡志宇專家工作站（編號(hào)：云科合發(fā)[2014]5號(hào)）。