韓 偉， 劉 巖， 杜 蕾， 鄭世棋， 翟玉衛(wèi)， 梁法國

(中國電子科技集團公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

近年來，半導體器件、印刷電路板和功率器件等電子器件發(fā)揮著越來越重要的作用，在很多領域得到了廣泛應用。這些電子器件的性能直接影響整個系統(tǒng)的性能，因此，其性能的可靠性起到了很重要的作用。其中工作結溫直接影響電子器件的可靠性，而器件間的連接點只有微米級，常規(guī)的檢測手段受到了極大的限制，有時甚至無法實現(xiàn)對微米量級器件測溫。為了克服常規(guī)電路故障檢測方法的不足，非接觸式的測試方法受到了廣泛關注[1～4],其中電路故障的紅外熱像診斷具有檢測速度快、費用低、通用性強、故障檢出率和隔離率高、操作簡便等優(yōu)點。

在測量半導體器件溫度時，由于器件的結構較小，一般采用具備高空間分辨力的顯微紅外熱像儀。但是它在顯示器上所表現(xiàn)出來的圖像只是被測物體表面輻射溫度的分布,并不是真實溫度的分布。物體表面輻射溫度和真實溫度的分布偏差與發(fā)射率有關。目前針對發(fā)射率的測量方法及發(fā)射率引起的誤差已有報道，余時帆等提出了關于固定發(fā)射率工作用輻射溫度計校準方法的研究[5]；邵春滕建立了激光積分球反射計測量系統(tǒng)測量了集成黑體發(fā)射率[6]；王則瑤等提出了基于高發(fā)射率靶標的物體表面溫度快速精確測量研究[7]；沈久利等提出了不同發(fā)射率下紅外熱圖像的非穩(wěn)態(tài)場測量研究[8]。然而針對半導體材料和金屬材料發(fā)射率對顯微紅外測溫結果影響的研究尚未見報道。在用顯微紅外熱像儀測黑體時，黑體發(fā)射率可近似為1，其測量的溫度和實際溫度基本相同，但是半導體器件表面材料以半導體和金屬為主，發(fā)射率較低，特別是金屬材料，發(fā)射率僅為0.2左右，用顯微紅外熱像儀在實際測量半導體器件結溫時，可能測得的溫度與真實溫度有偏差。針對這一問題，本文用半導體器件常用的GaAs、Au材料制作了一種帶鉑電阻傳感器的靶標作為被測件，通過理論分析和實驗證明發(fā)射率對顯微紅外熱像儀測溫準確度的影響。

2 顯微紅外熱像儀測溫中發(fā)射率的影響

顯微紅外熱像儀，其接收到的總輻射量可表示為[9]：

(1)

式中：φs為顯微紅外熱像儀對接收到的輻射能量的響應；ε為被測件發(fā)射率；Q為熱像儀對一定溫度和波長λ下的黑體輻射量的響應；Ts為被測件溫度；r為被測件反射率；Ta為環(huán)境溫度；Qf為熱像儀對本身雜散輻射的響應。

對于微電子器件顯微紅外測試，國際上一般采用具備發(fā)射率測量功能的顯微紅外熱像儀[7]。這主要是由于，發(fā)射率實時測量法能夠最有效地消除環(huán)境輻射的干擾，實時測量得到被測件表面材料的發(fā)射率;相對于常規(guī)熱像儀采用經(jīng)驗值來設定發(fā)射率的方法，發(fā)射率測量功能更加準確和有效，因為半導體器件表面材料與常規(guī)的材料結構是不同的，很難用經(jīng)驗值有效估計。

根據(jù)已知報道[10～15]，顯微紅外熱像儀采用的發(fā)射率測量方法為：顯微紅外熱像儀通常有一個背景輻射修正過程，該過程就是需要得到一個等同于環(huán)境溫度的黑體發(fā)射源的輻射量；通過模擬等同于環(huán)境溫度的黑體，結合相應的軟件，顯微紅外熱像儀將等于環(huán)境溫度Ta的黑體輻射φa和熱像儀內(nèi)部雜散輻射Qf作為1個固定量φa0，從接收到的總輻射量φs中減去得到顯微紅外熱像儀的有效響應。固定量φa0表示為：

(2)

Ts為選取的固定溫度。對處于溫度Ts下黑體的響應φs0為：

(3)

此時，理想狀態(tài)下發(fā)射率ε可由式(2)～式(4)運算得到[16]：

(4)

這是在理想狀態(tài)下顯微紅外熱像儀計算出的發(fā)射率ε，但實際情況下很難實現(xiàn)完全理想的黑體，非理想狀態(tài)可能會引入額外的干擾輻射φn。此時顯微紅外熱像儀的有效響應為：

(5)

實際發(fā)射率ε′的計算式為：

(6)

式中：φn1為測量過程中由于背景修正不完善造成的誤差；φn2為熱像儀自校準過程背景輻射修正不完善造成的誤差。φn1和φn2可以假設成近似的φn。對式(7)進行變換，得到：

(7)

φn是固定的量值，ε≤1，由式(7)可以得知實際計算出的發(fā)射率ε′比物體真實發(fā)射率ε偏小。本文假設ε′≈0.9ε進行理論分析。

顯微紅外熱像儀一般都不是全波長測溫，其敏感的紅外輻射只在某一個波長范圍內(nèi)，因此，幾乎所有的顯微紅外熱像儀都不能嚴格依據(jù)黑體輻射定律來結算溫度。其溫度測量一般取決于儀器出廠時設定的標定曲線。為了能夠進行定量分析，本文采用全波長的斯特藩-玻耳茲曼定律來分析發(fā)射率對顯微紅外測溫結果的影響：

E=εσT4

(8)

式中：E為輻射單元的全波長總輻射出射度，W/m2；ε為輻射單元表面發(fā)射率，無量綱；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8，W/(m2·K4)；T為輻射單元表面溫度，K。

顯微紅外熱像儀采用的是光子探測器，因此其響應與入射光子的數(shù)量成正比(而非能量)，在不考慮環(huán)境因素的情況下，應采用斯特藩-玻爾茲曼公式的光子形式進行分析:

Q=δεT3

(9)

式中：Q為單位面積光子發(fā)射量，個/(s·cm2)；δ為常量，其值為1.52×1011個/(s·cm2·K3)。

根據(jù)上述理論，只要在一個已知的溫度下獲取物體總的輻射量，就可以近似地用斯特藩-玻爾茲曼公式計算出物體的實際溫度。設被測件處于未知溫度Tx，此時紅外熱像儀得到的被測件輻射量的響應為φx：

(10)

則被測件的計算溫度Tx和實際溫度T之間存在著一個偏差，關系式為：

(11)

通過式(11)可以得到計算溫度和實際溫度的偏差是與被測件發(fā)射率ε有關的，關系如圖1所示。由圖1可以看出實際溫度和計算溫度之間的偏差存在著一個大致趨勢，顯微紅外熱像儀在固定溫度Ts計算出被測件的發(fā)射率，根據(jù)式(10)分析，計算出發(fā)射率ε′偏小，溫度測量結果則應偏大。由式(11)可知，當被測件溫度升高，發(fā)射率越小，產(chǎn)生的偏差就會越大。因此，顯微紅外熱像儀測得溫度和實際溫度的偏差是隨著被測件發(fā)射率和溫度而變化，發(fā)射率越低，測溫偏差就越大，并且偏差會隨著被測件溫度升高而增大。

必須指出的是，由于采用了全波長的紅外溫度計算公式，這里得到的具體量值會與真實的顯微紅外熱像儀測溫結果存在誤差，但是，二者的變化規(guī)律和趨勢應該是一致的。

圖1 計算溫度和實際溫度偏差關系

3 驗證實驗

3.1 靶標的制作及定標

用半導體器件材料設計并制作帶鉑電阻溫度傳感器的靶標,來確認半導體器件較低的發(fā)射率對顯微紅外測溫結果的影響。靶標提供一個目標區(qū)域作為被校顯微紅外熱像儀的測溫對象，該目標區(qū)域是一個平坦表面，大小為1 mm×1 mm，顯微紅外熱像儀探測視場大小為10 mm×10 mm，便于顯微紅外熱像儀對其成像。靶標測溫模塊框圖如圖2所示，靶標本身是無源的，控溫臺作為熱源給靶標提供一個穩(wěn)定溫度。

圖2 靶標測溫模塊框圖

目標區(qū)域采用半導體工藝制作，材料選取與實際器件表面相同的材料制作，包括Au、GaAs等，而制作出的鉑電阻靶標不能直接根據(jù)電阻值得出溫度，需要對其進行阻值與溫度關系的定標及重復性和穩(wěn)定性的考核。圖3是靶標實物圖。定標操作示意圖如圖4所示。

圖3 靶標實物圖

圖4 鉑電阻定標過程示意圖

靶標的定標過程中需要用到油槽、二等鉑電阻、電阻溫度表及數(shù)字多用表8508 A。鉑電阻的阻值與溫度關系可以近似表示為：

(12)

式中:RT為鉑電阻在溫度T下的阻值；R0為鉑電阻在0 ℃下的阻值；B和A是與鉑電阻特性有關的2個系數(shù)。

測得數(shù)據(jù)根據(jù)阻值與溫度的近似關系進行二次項擬合，結果見圖5所示。

本文對GaAs靶標鉑電阻溫度的測量不確定度進行了粗略評估，見表1。以100 ℃溫度點為例，(dRt/dt)t=100=0.340 6 Ω/℃。

溫度不確定度來源包括：

(1)鉑電阻的阻值-溫度關系標定時引入的不確定度。包括:a)恒溫油槽溫度均勻性u1；b)二等標準鉑電阻的周期穩(wěn)定性u2；c)二等標準鉑電阻的復現(xiàn)性u3；d)8508 A測量標準鉑電阻阻值的不確定度u4；e)8508 A測量自制鉑電阻阻值的不確定度u5。

(2)自制鉑電阻與目標區(qū)域溫差u6，取決于靶標的溫度均勻性。

(3)自制鉑電阻穩(wěn)定性引入的不確定度u7。

(4)重復性引入的不確定度u8。

圖5 鉑電阻阻值與溫度關系二次項擬合曲線圖

表1 GaAs靶標鉑電阻溫度測量不確定度評估

則合成標準不確定度為：

=0.40 ℃

(13)

取包含因子k=2，則擴展不確定為0.80 ℃。

3.2 測試過程

本文選擇了半導體行業(yè)中應用最廣泛也是最先進的顯微紅外熱像儀作為測溫裝置，該熱像儀采用InSb作為探測器，在液氮制冷條件下溫度分辨力能達到0.05 ℃，探測面積為10 mm×10 mm；其具備先進的逐像素發(fā)射率計算功能，能夠實時計算被測件表面材料的發(fā)射率。用顯微紅外熱像儀對定標后的靶標進行測試，測溫裝置結構如圖6所示。

圖6 測溫裝置結構示意圖

將研制的靶標和面源黑體分別作為被測件安放在控溫臺上。為了保證被測件的溫度穩(wěn)定并盡可能與控溫臺保持一致，需要在被測件下表面與控溫臺之間均勻涂抹一層導熱硅脂。靶標上引線和數(shù)字多用表8508 A輸入端連接。數(shù)字多用表8508 A需要設置為四線電阻測量模式，用以準確地監(jiān)控靶標上鉑電阻的阻值。靶標目標區(qū)域大小為1 mm×1 mm。設置控溫臺溫度為70 ℃，對被測件進行發(fā)射率修正，測得的黑體、GaAs、Au 3種材料發(fā)射率分別為0.9，0.6，0.2。待被測件溫度穩(wěn)定2 min后用顯微紅外熱像儀對被測件進行溫度測量，同時記錄8508 A的電阻示值。改變控溫平臺的溫度，使被測件溫度分別為70，80，90，100，110 ℃，用相同測試方法測2種不同材料的靶標和黑體。

4 結果與分析

本文對顯微紅外熱像儀測得3種材料在不同溫度下實際溫度和顯微紅外測得溫度的偏差數(shù)據(jù)結果進行分析。對每種靶標在各個溫度點下重復測量6次，以平均值作為最終的測溫結果。將顯微紅外熱像儀對3種被測件的測溫結果與實際溫度的對比情況用曲線的形式進行對比，結果見圖7所示。

由對比結果可知：無論是對于哪種被測件，隨著溫度的升高，顯微紅外熱像儀測溫結果均存在誤差；不同的是發(fā)射率越低，測溫誤差越明顯。

為便于直觀對比，將3種不同發(fā)射率材料的測溫誤差放在一起進行分析，得到的結果如圖8所示。圖8與理論分析得到的圖1在趨勢上是一致的。被測件是高發(fā)射率的黑體時測溫誤差最小，在實際溫度為110 ℃時誤差為1.9 ℃；而被測件是低發(fā)射率的金材料時測溫誤差最大，在實際溫度為110 ℃時誤差為為7.9 ℃；發(fā)射率稍微大些的GaAs時測溫誤差介于金屬和黑體之間。在同一溫度下發(fā)射率越低，測得溫度和實際溫度偏差越大。實驗結果和理論分析相契合。

圖7 3種材料顯微紅外熱像儀測溫結果

可見，在發(fā)射率低的情況下，測試結果的誤差非常明顯，這個偏差在半導體器件測試結溫時已經(jīng)不可忽略了。

圖8 顯微紅外熱像儀測溫誤差結果

5 結 論

本文通過理論分析和實驗證實，研究了發(fā)射率對半導體器件顯微紅外測溫結果的影響，得出用顯微紅外熱像儀測量低發(fā)射率材料的溫度時，發(fā)射率越低測溫誤差越大的結論，且誤差會隨著被測件溫度的升高而增大。在110 ℃的溫度條件下，測量金材料的測溫誤差高達7.9 ℃，測砷化鎵材料也有3.8 ℃的測溫誤差，這對實際半導體器件結溫測試中的影響已經(jīng)不可忽略。因此，在利用顯微紅外熱像儀進行半導體器件溫度測量時，需要考慮發(fā)射率的影響并考慮如何進行修正問題。