劉 巖，翟玉衛(wèi)，荊曉冬，丁立強，任宇龍，吳愛華

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051）

1 引 言

電子器件的工作溫度對其性能和可靠性有著重要影響，特別是大功率器件，獲得準確的工作溫度特性對器件的設計、篩選、考核、失效分析等都有非常重要的意義。 基于光學原理的顯微熱成像技術為獲取器件微觀溫度分布提供了有效的技術手段，目前應用比較廣泛主要有顯微紅外熱像儀、微區(qū)拉曼測溫儀及熱反射成像測溫儀［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。

新興的熱反射顯微熱成像技術以其突出的空間分辨力和時間分辨力優(yōu)勢，獲得了日益廣泛的應用與認可。 材料對光信號的反射率會隨溫度改變而發(fā)生微小變化，據此，利用顯微成像系統(tǒng)測量器件表面反射光強變化，即可實現對器件表面溫度分布的測量，這就是熱反射顯微熱成像技術的基礎原理。 由于工作在可見光至淺紫外波段，其空間分辨力可以到達300 nm 水平，與此同時，該技術還可以實現瞬態(tài)測溫，以納秒級的時間分辨力獲取溫度分布隨時間變化的情況［4－6］，這是該技術獨有的優(yōu)勢。

國際上，熱反射顯微熱成像技術近年來已逐漸趨于成熟，應用日益廣泛，目前已有美國兩家公司推出了商用儀器，已經在德國泰雷茲公司、美國英飛凌公司、美國海軍實驗室和英國薩里大學［7－10］等數十家機構得到應用，典型測試對象在包括GaN HEMT［11－12］，MESFET［13］，IGBT［14］，LD［15］等大功率器件。

目前，國內對熱反射顯微熱成像技術研究尚顯薄弱，相關介紹多數是對進口儀器的應用、測試結果分析及綜述，在自主研發(fā)方面報道較少，文獻［16－17］介紹了一套自研的瞬態(tài)熱反射顯微熱成像系統(tǒng)，根據裝置參數推算時間分辨力2 μs，但是實驗中測溫點間隔10 μs，整個升溫過程40 μs，并不能體現出其標稱的時間分辨力性能。 作者所在團隊基于相同的熱反射原理研發(fā)了一套熱成像測溫實驗裝置，對典型GaN HEMT 進行了穩(wěn)態(tài)條件下的溫度測試，采用365 nm 淺紫外光源實現了最高405 nm 的空間分辨力［18］。 本文在上述工作基礎上，進一步實現了瞬態(tài)測溫功能，時間分辨力達到1 μs，并以微帶電阻作為被測器件開展了瞬態(tài)溫度測試，觀察到了（2 ～3） μs的上升下降時間，有效驗證了裝置的時間分辨力性能。

2 瞬態(tài)熱反射測溫原理

在熱反射溫度測試中，通常將物體反射率的相對變化近似為線性處理，稱為熱反射系數，即：

式中：CTR——熱反射系數；R——反射率；T——溫度。

由于不同材料在不同入射光波長下CTR差異很大，需要根據被測材料選擇合適的波長，并通過測試獲得被測表面各像素對應的CTR，該過程通常稱為CTR校準，以2 溫度點形式為例，計算公式為：

式中：T0——熱沉溫度；c0——器件未加電，即T0溫度下的相機灰度值；cx——待測溫度Tx下的相機灰度值。

以上為穩(wěn)態(tài)熱反射測溫原理，在此基礎上，利用窄脈沖照明，可以捕捉特定短時間內被測表面的圖像，從而實現瞬態(tài)熱反射溫度測試。 瞬態(tài)熱反射溫度測試中的關鍵時序關系如圖1 所示，照明只在欲測量的時刻開啟，同時保證照明信號與激勵信號的同步關系，使得照明施加在被測器件多個工作周期內的對應時刻，從而相機采集到的圖像僅對應于欲測量的時刻。 圖中脈寬tL即LED 脈沖照明的寬度，決定了測量結果的時間分辨力；通過調節(jié)照明脈沖與激勵起始時刻的相對時延tD，可以獲得被測器件在工作周期內不同時刻的溫度信息，進而可以重構出被測器件的溫度變化過程。

圖1 瞬態(tài)熱反射中關鍵時序關系圖Fig.1 Key timing sequence in transient thermoreflectance

3 瞬態(tài)熱反射顯微熱成像裝置

實驗裝置框圖如圖2 所示，主要包括顯微鏡、相機、脈沖光源及驅動、任意時延發(fā)生器、信號源、精密控溫臺、納米位移臺、隔振臺。 其中顯微鏡配合適當波長的照明光源以及科研級相機，通過相機灰度值的相對變化得到被測器件反射率的相對變化情況，從而可以實現利用熱反射現象的顯微熱成像。 精密控溫臺提供溫度環(huán)境，作為CTR校準過程中調節(jié)被測器件溫度的手段。 信號源、任意時延發(fā)生器、LED 驅動與被測器件驅動共同配合實現瞬態(tài)測溫所需時序。 納米位移臺用于位置漂移修正，保證測試過程采集的多幅圖像各像素的位置對應關系不被破壞。 整套裝置安置于隔振臺（光學平臺）上，以降低環(huán)境振動的影響。

圖2 瞬態(tài)熱反射顯微熱成像測試系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of transient thermoreflectance microscope

為實現圖1 中的時序方案，除了同步時鐘生成外還需要靈活的時延調節(jié)能力，采用任意時延發(fā)生器作為核心儀器，設計了時鐘生成方案如圖3 所示，信號源輸出基準時鐘，一路直接輸出用于觸發(fā)相機曝光，另一路經任意時延發(fā)生器調整后輸出兩路分別用于控制器件驅動和LED 驅動，每個周期內各輸出的上升沿、下降沿的時延能夠以ns 精度任意配置。

圖3 基于任意時延發(fā)生器的時鐘生成方案框圖Fig.3 Block diagram of clock generation based on digital delay generator

考慮到照明脈寬是決定瞬態(tài)熱反射測試時間分辨力的核心因素，使用高速PD 對照明LED 輸出的光脈沖寬度進行了測試。 設定脈沖寬度為1 μs，結果如圖4 所示，脈寬為981. 6 ns，與預期的相符。

圖4 照明脈沖寬度測量結果圖Fig.4 Result of illumination pulse width test

4 實驗結果分析

首先設計實驗考查了裝置在穩(wěn)態(tài)條件下的溫度分辨力性能。 使用GaN HEMT 器件作為被測，選擇其上GaN 材料區(qū)域作為被測目標，與此對應的，LED 光源波長采用365 nm。 利用控溫臺調節(jié)溫度，產生0.5 ℃的溫度變化，同時使用研制的熱反射顯微熱成像裝置進行溫度測量，測量多次升降溫循環(huán)，以應對重復性以及強度漂移可能對實驗造成的干擾。 具體步驟如下：

a）被測器件置于控溫臺上，調節(jié)裝置對被測清晰成像，選擇一塊較大的面積的GaN 材料作為目標測量區(qū)域；

b）進行CTR校準。 溫度點選擇30 ℃和40 ℃。常規(guī)CTR流程，此處不再贅述；

c）控溫臺設定30 ℃。 待溫度穩(wěn)定后，進行一次采集，得到結果c0；

d）控溫臺設定30 ℃。 待溫度穩(wěn)定后，進行一次采集，得到結果c1；

e）控溫臺設定30.5 ℃。 待溫度穩(wěn)定后，進行一次采集，得到結果c2；

f）重復步驟d）、e）兩遍，得到結果c3，c4，c5，c6；

g）按照式（4）計算溫度，實驗數據曲線圖如圖5 所示。

圖5 溫度分辨力實驗數據曲線圖Fig.5 Result of temperature resolution experiment

從圖5 中可以看到明確的漂移，溫度數據在逐漸升高。 本次實驗每次測量耗時約（8 ～10）min，其中包括控溫臺變溫、等待溫度穩(wěn)定、采集圖像。 以本實驗的時間跨度和數據展現出的漂移水平考慮，控溫臺穩(wěn)定性、照明光源強度漂移以及相機響應度漂移在量級上都與之符合，均是可能的漂移來源。 為剔除漂移的影響，對數據進一步處理，各點數據與其相鄰兩點數據的均值做差，結果如表1 所示，可以看到處理后的溫度變化數據已有較好的一致性，溫度變化量絕對值平均約0.58 ℃。

表1 剔除漂移影響的溫度分辨力數據Tab.1 Temperature resolution after eliminating drift

對于漂移問題，上述實驗中由于每個測試點都需要變溫并等待其穩(wěn)定，故耗時較長；而在瞬態(tài)測試中，器件施加脈沖激勵后，需要等待其達到熱平衡，耗時通常在1 min 之內，之后測量不同時刻只需要操作任意時延發(fā)生器，改變照明脈沖相對激勵信號的時延，該過程基本不耗時，故實際瞬態(tài)測試中漂移的影響要明顯小于上述實驗。

下面使用微帶電阻作為被測器件，開展瞬態(tài)溫度測試實驗。 由于微帶電阻發(fā)熱集中，且熱容小、升溫快，能夠更好的體現瞬態(tài)測溫效果，適合作為瞬態(tài)熱反射顯微熱成像的試測樣品。 電阻采用金制作，測試波長選用470 nm，光源脈沖寬度1 μs（即時間分辨力為1 μs），激勵脈沖寬度10 μs，熱沉溫度35 ℃。

微帶電阻在脈沖激勵下的峰值溫度分布如圖6 所示，對應于激勵脈沖結束時刻（即圖8 中10 μs時刻），該分布圖為測溫結果與實物灰度圖的疊加，圖6 中條狀結構即為微帶電阻，左側是電極，可以看到發(fā)熱集中在電阻上，且溫升比較均勻。其他幾個關鍵時刻的電阻溫度分布情況如圖7所示。

圖6 微帶電阻峰值溫度分布圖Fig.6 Diagram of peak temperature distribution on micro resistor

圖7 不同時刻微帶電阻溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution on micro resistor with varied time

電阻峰值溫度隨時間變化的曲線如圖8 所示，其中橫軸為相對激勵脈沖上升沿的時間。 從圖8可以看出，實驗對升溫和降溫過程分別以1 μs 間隔取了5 個測量點，數據曲線顯示溫度上升和下降時間在（2 ～3） μs，測量系統(tǒng)有效捕捉了升降溫過程，證實了時間分辨力性能。

圖8 微帶電阻溫度隨時間變化曲線圖Fig.8 Evolution of average temperature on micro resistor

5 結束語

基于短脈沖照明實現了瞬態(tài)熱反射熱成像，以任意時延發(fā)生器為核心設計了時鐘生成方案，組建了瞬態(tài)熱反射顯微熱成像測試系統(tǒng)，時間分辨力達到1 μs。 以微帶電阻作為被測器件開展了瞬態(tài)熱成像測試，微帶電阻在10 脈沖激勵下，測得溫度上升和下降時間在（2 ～3） μs，有效驗證了測試系統(tǒng)的時間分辨力性能，體現了瞬態(tài)熱反射顯微熱成像測試技術的高時間分辨力優(yōu)勢。 考慮到LED 芯片的上升時間多在ns 量級，裝置的時間分辨力尚有較大的提升空間；進一步的，將光源的LED 替換為激光器理論上可以將時間分辨力進一步提升到ps 量級，這也是作者所在研究團隊后續(xù)工作方向。