半導體器件用顯微紅外熱成像技術原理及應用

翟玉衛，鄭世棋，劉巖，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)

0 引言

溫度參數是半導體器件一類非常重要的參數，最典型的就是結溫和熱阻，它們是評估半導體器件尤其是功率器件性能和壽命、分析器件可靠性、研究器件失效機理最重要的依據之一。在美軍MIL-STD-750D，GJB-548等相關標準中都規定了結溫和熱阻參數為半導體器件的必測參數。由于溫度參數的重要性，用于半導體器件測溫的各類技術和儀器一直是國內外半導體器件行業研究和關注的熱點。目前，有多種技術手段可以實現對半導體器件溫度參數的測量，如接觸測溫法、電學參數法和光學法[1]，其中光學法又可以細分為：液晶測溫技術、熒光熱成像測溫技術、紅外熱成像測溫技術、顯微拉曼光譜測溫技術、可見光熱反射測溫技術等[2-4]。在這些技術中，被半導體器件科研生產單位廣泛采用的是電學參數法和顯微紅外熱成像測溫技術。相對于只能測量器件平均溫度的電學參數法，基于紅外測溫原理的顯微紅外熱成像技術具備微米級的空間分辨力[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，紅外測溫屬于非接觸測溫，不會影響器件的工作狀態，可以測量器件真實工作條件下的溫度特性，在當今的寬禁帶、大功率器件溫度測量方面具有不可替代的作用。

1 顯微紅外熱成像技術的測溫原理

顯微紅外熱成像技術測溫的基本原理是普朗克黑體輻射定律，其數學表達式為[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，其值為3.742×10-16，W·m2；c2為第二輻射常數，其值為1.4388×10-2，m·K；T為黑體溫度，K；λ為波長,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上對物體在一定溫度T下，單位面積、單位時間內所發射的全部波長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總輻射出射度，W/m2；ε為輻射單元表面發射率，無量綱；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，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量的探測器多采用光子探測器，因此熱像儀的響應與入射光子的數量成正比(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為單位面積全波長光子發射量，個/(s·cm2)；ε為輻射單元表面發射率，無量綱；σ為常量，其值為1.52×1011，個/(s·cm2·K3)；T為輻射單元表面熱力學溫度，K。

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

NM=εNT+(1-ε)NA

(4)

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

式(4)只是一個定性的表達式。實際的顯微紅外測溫裝置在出廠前都對不同溫度下的黑體進行測量，并將黑體輻射與溫度的關系擬合成一條曲線，這些數據和曲線將作為后續測溫的依據。例如，環境溫度容易測得，如果發射率也已知，則只再測量一只環境溫度下的黑體，就可以得到NT，再根據擬合曲線算出NT對應的溫度即可。

顯微紅外熱成像技術最重要的用途就是測量半導體器件的真實溫度，而非輻射溫度，所以必須準確的知道被測件表面的發射率。但是，半導體器件表面的發射率不是已知的，而是與材料種類、表面狀態等密切相關的，因此，要實現準確的顯微紅外測溫必須首先計算發射率。

2 顯微紅外熱成像技術的實現

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

圖1 顯微紅外熱像儀典型結構

被測件置于控溫平臺上，以降低周圍環境輻射的影響。被測件的紅外輻射由顯微鏡頭進入熱像儀經光路系統傳輸后進入探測器，探測器響應的信號再由計算機進行處理和顯示。

作為半導體器件溫度測量的專用測量儀器，其最突出的特點就是高空間分辨力的真實溫度測量。

2.1 高空間分辨力的實現

空間分辨力指的是圖像中可辨認的臨界物體空間幾何長度的最小極限，即對細微結構的空間分辨能力。光衍射理論指出，當光線通過一個圓形的孔徑時會形成所謂的愛里斑，如圖2，點光源的像并不是一個單一的點。如果有兩個點光源距離較近，兩個光源的像就會重疊，而使得光學系統無法分辨出這兩個點光源，愛里斑的大小決定了光學系統的空間分辨力[9]。

圖2 點光源所形成的愛里斑

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

(5)

(6)

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

由上述兩個判據可見，空間分辨力取決于入射輻射的波長和顯微物鏡的數值孔徑。

由于半導體器件溫度一般在300 ℃以下，所以近紅外波段輻射較弱，一般不用來進行準確的溫度測量。用于半導體器件精確測溫的焦平面陣列探測器一般是光子探測器，多為InSb或HgGdTe[10]，適用的波長范圍一般在中紅外波段(2～5 μm)或遠紅外波段(8～13 μm)[3]。以InSb探測器為例，在空氣介質的條件下，顯微紅外熱像儀配備顯微鏡頭一般最大數值孔徑為0.55，則在2 μm波長下，其空間分辨力約為1.9 μm，此時鏡頭的工作距離僅為7 mm。當然，還可以采用更大數值孔徑的顯微物鏡進一步實現高空間分辨力，但是，數值孔徑越高，工作距離越近，進入熱像儀的光強越弱，測溫結果誤差越大，測溫的實用性越來越差，而且在空氣介質的條件下，數值孔徑始終小于1，最大空間分辨力也不會高于1 μm。所以，目前用于半導體器件測溫的顯微紅外熱像儀采用的物鏡數值孔徑一般不會超過0.55。

從空間分辨力的判據可見，空間分辨力的大小與探測器的參數無關。但是，探測器的參數與最終的顯微紅外熱成像質量有著非常密切的關系。

以InSb探測器為例，最早的顯微紅外測溫裝置受限于探測器的技術水平采用的是單探測器測溫，并配備了高數值孔徑的顯微物鏡，但是，其只能得到點測溫的結果，并不能將高空間分辨力的圖像測量出來[11]。為了實現高空間分辨力的成像測溫，美國NIST在1990年報道了利用掃描式顯微紅外熱像儀實現最高空間分辨力15 μm的溫度成像測量[12]。隨著紅外CCD焦平面陣列探測器生產技術的進步，顯微紅外熱成像技術開始采用陣列式的焦平面探測器，其成像方式也轉變為一次性凝視成像，不再需要掃描過程。焦平面陣列探測器經歷了一個逐漸發展的過程，其陣列數從160×160[13]，256×256[14]，512×512[15]發展到今天的1024×1024。由于采用陣列式探測器和高數值孔徑的顯微鏡頭，顯微紅外熱像儀已經可以實現幾個微米的空間分辨力，這對測量結構微小的半導體器件時非常有利的。隨著探測器陣列數的增加，顯微紅外熱成像技術的空間分辨力和圖像質量越來越高，能夠提供更豐富的溫度細節信息，目前，最新的顯微紅外熱像儀配備了1024×1024的探測器，其空間分辨力最高可實現1.9 μm。表1是1999年Grant C. Albright等在文獻[14]中報道的256×256的InSb焦平面探測器顯微紅外熱像儀的空間分辨力。

表1 不同倍率物鏡對應的空間分辨力

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

如果空間分辨力數值大于被測溫度點的尺寸，則會造成平均效應而低估最高溫度，如圖3，a為高溫區域，c為低溫區域，探測器探測的是整個區域的平均溫度，必然會低估a區域的溫度。

圖3 空間分辨力不足時測量誤差形成的示意圖

在空氣介質的條件下，顯微紅外熱像儀配備顯微鏡頭一般最大數值孔徑為0.55，則在2 μm波長下，其空間分辨力約為1.9 μm。Kuball等人指出[15]，在檢測尺寸小于顯微紅外熱像儀最高空間分辨力的微小結構溫度時，紅外測溫結果會有很大的誤差。圖4的結果顯示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分別測量某一GaN HEMT器件0.5μm寬的柵極發熱區域溫度相差近50 ℃，產生這個誤差的主要原因就是顯微紅外熱成像技術空間分辨力不足。

圖4 顯微紅外法與拉曼法測溫結果的對比

2.2 真實溫度測量的實現

半導體器件表面材料一般是各種金屬和半導體，其發射率都小于甚至遠小于1。根據公式(3)必須獲取材料的發射率才能進行精確的測溫，而半導體器件的材料發射率是未知的，所以測溫前必須先測量發射率，這個過程一般稱為發射率修正。發射率修正對于半導體器件溫度測量是非常重要的[16]。如果不進行發射率修正，顯微紅外熱成像技術只能測得的被測件表面輻射量的分布，而非溫度。2012年Ki Soo Chang等人利用FLIR公司生產的紅外探測器對LED的穩態溫度進行了檢測，圖5給出了修正發射率和不修正發射率的對比結果[17]，左圖為未進行發射率修正的顯微紅外測溫結果，右圖為發射率修正后的顯微紅外測溫結果。可見，如果不進行發射率修正，測量結果與真實溫度將會有非常大的誤差。

修正發射率最簡單的方法是給被測件表面涂一層黑體材料，這種方法不僅為紅外測溫提供了準確的發射率數據[18]，同時消除了環境背景輻射的影響，準確度較高，但是這種方法會污染被測件，且不可逆轉，測量完畢后被測件無法再投入后續應用，這既是成本的浪費也不能滿足大規模測量的需要。

圖5 發射率修正前與發射率修正后測溫結果對比

后續發展的顯微紅外熱成像技術針對性的提供了實時的發射率修正方法。根據紅外測溫的原理，將被測件置于不同的臺溫下，分別測量被測件表面的紅外輻射，并與相同溫度下黑體輻射對比后，可以根據式(7)得到被測件的發射率[19]。

(7)

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

后來隨著半導體器件的尺寸越來越小，在兩個不同的溫度下進行發射率修正時，溫差引入的熱膨脹會導致器件的位置發生變化，從而引入誤差。為了消除這個誤差，最新提出了在一個固定的臺溫下進行發射率修正的方法[20]，這種方法設計了一個模擬環境溫度黑體的裝置其輻射量為NA，進行發射率修正前，首先將測量NA，并將這個數據存入計算機，后續測溫過程中得到的紅外輻射數據首先要減去NA。被測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)

則可以得到發射率的計算公式

(9)

此時，如果環境溫度波動較大，必然會造成發射率修正結果出現明顯誤差，而影響最終的測溫結果。假設環境溫度在20 ℃左右，平臺溫度以最常見的70 ℃，被測件真實結溫為200 ℃，測溫誤差隨著被測件發射率的變化如圖6所示。所以，需要根據被測件的發射率合理的控制環境溫度。

圖6 環境溫度波動對不同發射率被測件測溫結果的影響

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

3 顯微紅外熱成像技術的典型應用

顯微紅外熱成像技術發展初期，受限于探測器性能以及數據采集裝置及數據處理技術的限制，僅能實現對穩態溫度信號的成像式測量；后來，一方面得益于探測器技術的進步，另一方面，高速數據采集裝置和鎖相放大算法等新技術的應用，顯微紅外熱成像技術時間分辨力逐漸提高，已經能夠測量微秒量級變化的動態溫度信號。這些測溫能力很好的滿足了不同半導體器件的需求，得到了廣泛的應用。

3.1 測量半導體器件的穩態溫度

由于焦平面紅外探測器的幀頻較慢，一般在100 Hz以下，不適合用于高速變化的溫度信號的檢測，因此，顯微紅外熱成像技術最廣泛的應用是測量半導體器件的穩態(直流或連續波)溫度信號。

2006年Singhal S等人利用穩態成像功能測量了一款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

現在很多半導體器件，如GaAs微波功率器件，GaN微波功率器件，其發熱區域都在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構半導體器件溫度檢測方面應用的主要因素。

鑒于空間分辨力的不足，顯微紅外熱成像技術最新的發展動向是與有限元仿真工具結合，用大區域的顯微紅外測溫數據修正仿真參數，用仿真結果給出微小區域的真實溫度。2009年A.Prejes等利用ANSYS有限元仿真與顯微紅外測溫技術結合給出了某GaN HEMT器件上0.4 μm寬的發熱區域的溫度數據，如圖8所示。有限元仿真結果峰值結溫約254 ℃比7 μm空間分辨力的紅外測量結果210 ℃高44 ℃[23]。

圖8 A.Prejes等基于紅外測溫的有限元仿真結果

此外，顯微紅外熱成像技術在國內也得到了非常廣泛的應用。如：王因生等人利用穩態溫度成像功能測量了L波段硅脈沖功率管的結溫，以進行壽命評估[24]；房迅雷等利用該技術測量了微波多芯片組件的溫度情況[25]；郭春生等對GaN HEMT進行了多種功率條件下的結溫測量[26]，等。

3.2 測量半導體器件周期性變化的溫度

除了穩態溫度，半導體器件尤其是大功率器件還經常會工作在周期性溫度變化的條件下。測量周期性溫度變化也是非常重要的。

2001年Grant Albright等人對穩態顯微紅外熱成像技術進行了改進，依靠探測器本身的幀頻進行連續的圖像采集，實現了對以0.5 Hz頻率溫度變化的半導體器件連續的溫度成像檢測[27]，圖9是不同時刻測得的器件的溫度分布圖像。

圖9 低速連續成像測溫結果

但是，探測器本身的幀頻是無法對以微秒級速度變化的溫度信號進行有效數據采集的，為了滿足對脈沖條件下器件高速變化的溫度檢測需求，quantum focus公司開發了具備單探測器高時間分辨力測溫功能的InfraScope Ⅱ型顯微紅外熱像儀，響應時間在幾十個微秒。圖10是2007年M.Mahalingam等用該型熱像儀對典型硅基微波功率器件測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溫度測量結果

3.3 測量半導體器件非周期性變化的溫度

除了穩態溫度和周期性溫度，還經常需要對半導體器件進行非周期性動態溫度檢測，如器件的失效過程等。

2008年Robert Furstenburg等人以FLIR公司的紅外探測器為基礎自制了一套顯微紅外熱像儀，對微小預濃縮器進行了穩態和動態的溫度成像測量[29]，圖11是測得不同時間的溫度分布圖像。

圖11 微小預濃縮器的連續顯微紅外圖像

2014年E.Miranda等人對FLIR的Merlin-MID顯微紅外熱像儀進行了改進，開發了外部同步邏輯模塊，對一款MIM電容實現了最高采樣頻率100 kHz的連續成像測量。這是迄今為止關于紅外成像測溫速度最高的報道[30]，測量結果如圖12。

圖12 不同時刻電容的紅外成像結果

4 總結與展望

半導體器件溫度測量領域應用的顯微紅外熱成像技術最突出的特點是較高的空間分辨力和基于發射率修正的真實溫度測量。同時，該技術已具備穩態溫度測量、周期性溫度測量和非周期性溫度測量等能力。

近些年來國內部分科研人員[31-32]認為基于非制冷式探測器的低成本顯微紅外熱成像技術是一個重要的發展方向，以高美靜等為代表的研究人員開展了此類研究，其報道的最高空間分辨力為15 μm[33]，但是，僅空間分辨力一項就遠不能滿足半導體器件測溫的需要，還沒有實際應用的報道。另外，研發空間分辨力更高的拉曼測溫技術[34]和可見光熱反射測溫技術[35]成為半導體器件光學測溫技術的重要發展方向，但是，目前這些技術測試效率低、系統復雜、操作難度大，在真正的工業生產的應用還有很長的路要走。

綜合國內外大多數技術文獻，半導體器件測溫用制冷式顯微紅外熱成像技術經歷了一個逐漸發展完善的過程。目前，該類技術主要采用中紅外波段和遠紅外波段進行測量，其在空氣介質中的空間分辨力極限是1 μm，相對于目前已經投入工業應用的1.9 μm而言提高的余地已經不大，有鑒于空間分辨力對半導體器件測溫準確度的重要性，顯微紅外熱成像技術發展的一個主要趨勢是與有限元仿真結合實現對低于1 μm的結構的溫度測量。另一方面，為了滿足越來越多的高速變化的溫度信號測量需求，提高顯微紅外熱成像技術的時間分辨力也是一個重要的發展方向。

可以預見，在未來很長時間內基于制冷式探測器的顯微紅外成像技術仍將在半導體器件尤其是大功率、寬禁帶器件溫度測量方面發揮不可替代的作用。