翟玉衛(wèi)， 劉 巖， 李 灝， 吳愛華

(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

基于光學原理的溫度檢測技術已經在半導體器件溫度測量領域得到了廣泛應用，尤其是對于工作在大功率條件下的器件，光學溫度檢測技術已經處于不可或缺的地位。目前應用比較廣泛的光學原理測溫儀器主要有顯微紅外熱像儀、微區(qū)拉曼測溫儀及光熱反射成像測溫儀[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品工作狀態(tài)，測試結果直觀。其中光熱反射成像測溫儀具有最高250 nm的空間分辨率及20 ns的時間分辨率，不僅能夠測得器件表面微小結構的溫度并能獲得其溫度變化過程[4，5]。由于這些突出優(yōu)點，光熱反射成像測溫儀在大功率微波功率器件溫度測試方面得到了日益廣泛的應用。

國內在光熱反射成像測溫技術研究方面報道較少，文獻[6]報道了用國外生產的儀器對GaN HEMTs進行測溫的應用。在理論研究方面，文獻[7]報道了提高光熱反射測溫分辨率的研究。為了推動光熱反射成像測溫裝置國產化進程，本文進行了更接近實用化的研究，重點分析了光熱反射成像測溫中圖像配準技術，并初步實現(xiàn)了對GaN HEMTs器件的溫度成像檢測。

2 圖像配準算法

光熱反射測溫技術基本原理如式(1)所示。

(1)

式中：ΔR為反射率變化量；R為反射率的均值；ΔT為被測材料溫度變化量，K；CTR為熱反射率校準系數，與材料相關，K-1。

有關技術文獻指出，被測件與測溫儀器之間發(fā)生亞像素級的相對位置變化會影響測溫結果。因此，在光熱反射成像測溫過程中需要進行精確的圖像配準[8]，即采用一定的技術手段使被測件與測溫儀器的相對位置保持固定不變。這是實現(xiàn)準確熱反射測溫的重要前提。

被測件與測溫儀器之間的位移表現(xiàn)在結果上就是測溫儀器前后獲取的兩幅圖像不重合，因此實現(xiàn)圖像配準的第一步就是計算出兩幅圖像相對位移，這個位移是二維的，這里把計算位移的算法稱為圖像配準算法，把二維方向分別稱為x方向和y方向。

設參考圖像各點讀數為s(x,y)，待配準圖像g(x,y)，兩圖像間僅存在平移變換，即g(x,y)=s(x-Δx,y-Δy)，其中x，Δx，y，Δy均為整數。

空域做平移等效于與δ(x-Δx,y-Δy)做卷積，對應于頻域乘一個相位：

f(x,y)?F(u,v)

(2)

式中：u、v是x、y傅里葉變換后對應的空間頻率。

(3)

式中：M、N分別是是x、y方向像素數。

(4)

空域互相關對應于頻域：

C(u,v)=S*(u,v)G(u,v)

(5)

由于：

g(x,y)=s(x-Δx,y-Δy)

=s(x,y)?δ(x-Δx,y-Δy)

(6)

(7)

(8)

因而互相關函數的傅里葉變化為：

(9)

進行歸一化后只留下相位信息，稱為phasecorelation。

(10)

逆變換得到空域的一個沖擊函數。

cp(x,y)=δ(x-Δx,y-Δy)

(11)

函數峰值對應坐標即為偏移量：

(12)

用上述算法即可實現(xiàn)像素級的圖像偏移量。但是，正如文獻[8]中指出的，亞像素級的位移對光熱反射成像測溫仍然會有很大的影響。該方法運算量較小，在大位移和小位移條件下均可使用，只需根據現(xiàn)有信息反推得到sinc函數的各個參數，再由sinc函數得到(Δx，Δy)即可。為了實現(xiàn)亞像素級配準，將亞像素平移的cp(x,y)可以近似認為是中心在(Δx，Δy)處的sinc函數的下采樣[9]，因而可以根據cp(x,y)峰值點附近的函數值估計(Δx，Δy)。以僅存在亞像素平移的情況為例，假定主峰為cp(0,0)，兩個次峰分別為cp(1,0)和cp(0,1)，則x、y方向的平移量Δx、Δy可依式(13)、式(14)計算：

(13)

(14)

其中±號取值應令估計的平移量落在主峰與次峰之間，上例情況中兩個方向平移量都應在區(qū)間(0,1)內。

3 實驗裝置及結果分析

3.1 實驗裝置

完成算法編寫后，需采用一定技術手段將被測件調回取參考圖像的初始位置。這里采用了基于壓電陶瓷的納米位移臺實現(xiàn)被測件位置的實時調節(jié)[10]。圖1所示是搭建的實驗裝置。CCD相機用于獲取被測件表面反射光強并成像；光源用于提供入射到被測件表面的單色光；三軸壓電平臺用于實時補償X/Y/Z方向發(fā)生的微小位移；高精度控溫組件用于改變或保持被測件溫度；Z軸位移裝置實現(xiàn)對被測件的快速聚焦；X、Y位移裝置作為粗調裝置以較快速度調節(jié)被測件水平方向的位置。

圖1 光熱反射成像測溫實驗裝置

測試裝置采用20×物鏡，數值孔徑(NA)為0.4，采用530 nm波長單色LED作為光源，根據空間分辨率斯派羅判據(Sparrow Criteria)，其最佳空間分辨率如式(15)，為662.5 nm。

(15)

式中：Ds為空間分辨率，m；λ為光的波長，m；NA為數值孔徑，無量綱。

CCD相機作為探測器，其像素尺寸(pixel pitch)決定了成像的清晰程度，及探測器是否能夠將具備了足夠分辨力的圖像清晰顯示出來。式(16)是鏡頭放大倍率M、像素尺寸S、空間分辨力Ds三者之間的關系式。

(16)

實驗裝置采用的CCD相機像素尺寸為5 μm，則配備放大倍率為15倍物鏡時即可滿足需要。實驗裝置的20×物鏡足以將662.5 nm分辨率圖像清晰呈現(xiàn)。此時，每個像素對應被測件上0.25 μm的視野，即像素分辨率(pixel resolution)為0.25 μm。

在測量過程中，納米位移臺會根據圖像配準算法給出的偏移量實時調節(jié)被測件在水平方向的位置，最終完成圖像配準。這里選擇德國PI公司的生產的P-562.3CD型三軸壓電平臺。該位移臺在X、Y、Z三個方向最高行程200 μm，最小步進1 nm。調試完成后，該位移臺定位穩(wěn)定性約10 nm。

為了驗證配準技術的精度，采用納米位移臺作為參考標準。設定納米位移臺三軸的初始位置為(100 μm，100 μm，100 μm)，調整納米位移臺使被測件在X方向出現(xiàn)1 μm的位移，此時納米位移臺三軸坐標如圖2(a)所示(只顯示X、Y方向)。采用圖像配準技術后，納米位移臺坐標如圖2(b)所示，放大后如圖2(c)?？梢姡錅始夹g可以實現(xiàn)精度約20 nm，遠優(yōu)于像素分辨率，可以實現(xiàn)亞像素級的圖像配準。

圖2 圖像配準技術的精度

借助于上述技術，即可實現(xiàn)亞像素級的圖像配準技術，及圖像配準算法實時計算被測件與測溫儀器在水平方向的相對位移，壓電平臺根據這個位移量調整被測件在X/Y方向的位置，保持被測件與CCD相機的相對位置不變。圖3給出圖像配準方法對由于溫度變化引起位移的修正結果：圖3(a)為被測件20 ℃時測得的圖像；圖3(b)為被測件50 ℃(未進行圖像配準)時測得的圖像；圖3(c)為被測件50 ℃時重聚焦后測得的圖像；圖3(d)為被測件50 ℃時進行圖像配準后測得的圖像。測溫過程中以20 ℃作為起始溫度，此時被測件的位置作為起始位置，獲取CCD的圖像作為參考圖像；當被測件溫度升高至50 ℃時，由于熱膨脹，其位置必然會發(fā)生變化，而且這個變化發(fā)生在X/Y/Z三個方向，具體表現(xiàn)就是圖像顯示區(qū)域改變和圖像模糊；進行圖像配準前首先要調整Z軸以實現(xiàn)重新聚焦，然后用圖像配準方法及壓電平臺自動將被測件的位置調整回初始位置，再進行有效測試數據的采集。

圖3 被測件位移修正過程

在圖像配準技術完成后，對典型GaN HEMTs器件進行了光熱反射成像溫度測試，如圖4。根據GaN HEMTs器件工作原理[11～13]，此類器件發(fā)熱應集中在漏極和源極之間幾個微米的柵極附近區(qū)域。

圖4 被測件圖像

3.2 試驗結果

在Vds=28 V，Ids=0.25 A，控溫組件20 ℃試驗條件對被測件進行了測試，采用20×物鏡，當不用配準技術時，被測件在測溫過程中會發(fā)生非常明顯的位置漂移，導致測溫結果非常不理想，如圖5所示。沒有采用配準技術，被測件在測溫過程中發(fā)生了明顯的位置漂移，測溫過程中測溫裝置測得的信號來自不同材料，由于光熱反射測溫結果與材料特性相關，這會導致引起較大的測溫誤差。

圖5 無圖像配準的測溫圖像

采用配準技術后，可以保證測溫過程中被測件相對于測溫裝置的位置基本穩(wěn)定，測溫圖像及溫度值如圖6所示，峰值溫升約為37.4 ℃。圖7是委托國外檢測結構利用先進的NT220B光熱反射測溫儀對同一只器件在相同工作條件下進行檢測的結果，峰值溫升約為35.7 ℃。

圖6 自研裝置的測溫結果

圖7 NT220B光熱反射測溫儀的測溫結果

除峰值溫度外，兩幅圖像在某些區(qū)域的溫度值差別較大，這主要是由于采用的測量波長存在差異[14,15]。國外機構采用的波長是365 nm，而我們采用的波長是530 nm。關于波長與材料相關性的問題將在后續(xù)工作中繼續(xù)研究。

同時，可以明顯看出國外檢測機構得到的熱分布圖像質量優(yōu)于本裝置的結果，尤其是在兩種材料的交界處沒有明顯的偽高溫或低溫現(xiàn)象出現(xiàn)?？赡艿脑蚴菄鈨x器采用的圖像配準方法更加完善或具有波長優(yōu)勢。后續(xù)將繼續(xù)進行技術完善。

4 結 論

研究的基于頻域圖像處理技術的圖像配準算法，能實現(xiàn)對亞像素級位移量的計算。利用三軸壓電平臺、圖像配準算法可有效補償溫度變化引起的X、Y方向的位移。通過本文技術手段，有效保證了測試期間被測件位置的穩(wěn)定，實現(xiàn)了對GaN HEMTs成像溫度檢測。通過與NT220B光熱反射測溫儀測量結果對比，證實了圖像配準技術的有效性。同時，對比也顯示圖像配準技術尚不完善，還需進一步研究。