高时间分辨力瞬态热反射显微热成像装置

刘 岩，翟玉卫，荆晓冬，丁立强，任宇龙，吴爱华

（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051）

1 引 言

电子器件的工作温度对其性能和可靠性有着重要影响，特别是大功率器件，获得准确的工作温度特性对器件的设计、筛选、考核、失效分析等都有非常重要的意义。 基于光学原理的显微热成像技术为获取器件微观温度分布提供了有效的技术手段，目前应用比较广泛主要有显微红外热像仪、微区拉曼测温仪及热反射成像测温仪［1－3］，这几类仪器的突出优势是非接触测温、不影响被测器件或产品工作状态、测试结果直观。

新兴的热反射显微热成像技术以其突出的空间分辨力和时间分辨力优势，获得了日益广泛的应用与认可。 材料对光信号的反射率会随温度改变而发生微小变化，据此，利用显微成像系统测量器件表面反射光强变化，即可实现对器件表面温度分布的测量，这就是热反射显微热成像技术的基础原理。 由于工作在可见光至浅紫外波段，其空间分辨力可以到达300 nm 水平，与此同时，该技术还可以实现瞬态测温，以纳秒级的时间分辨力获取温度分布随时间变化的情况［4－6］，这是该技术独有的优势。

国际上，热反射显微热成像技术近年来已逐渐趋于成熟，应用日益广泛，目前已有美国两家公司推出了商用仪器，已经在德国泰雷兹公司、美国英飞凌公司、美国海军实验室和英国萨里大学［7－10］等数十家机构得到应用，典型测试对象在包括GaN HEMT［11－12］，MESFET［13］，IGBT［14］，LD［15］等大功率器件。

目前，国内对热反射显微热成像技术研究尚显薄弱，相关介绍多数是对进口仪器的应用、测试结果分析及综述，在自主研发方面报道较少，文献［16－17］介绍了一套自研的瞬态热反射显微热成像系统，根据装置参数推算时间分辨力2 μs，但是实验中测温点间隔10 μs，整个升温过程40 μs，并不能体现出其标称的时间分辨力性能。 作者所在团队基于相同的热反射原理研发了一套热成像测温实验装置，对典型GaN HEMT 进行了稳态条件下的温度测试，采用365 nm 浅紫外光源实现了最高405 nm 的空间分辨力［18］。 本文在上述工作基础上，进一步实现了瞬态测温功能，时间分辨力达到1 μs，并以微带电阻作为被测器件开展了瞬态温度测试，观察到了（2 ～3） μs的上升下降时间，有效验证了装置的时间分辨力性能。

2 瞬态热反射测温原理

在热反射温度测试中，通常将物体反射率的相对变化近似为线性处理，称为热反射系数，即：

式中：CTR——热反射系数；R——反射率；T——温度。

由于不同材料在不同入射光波长下CTR差异很大，需要根据被测材料选择合适的波长，并通过测试获得被测表面各像素对应的CTR，该过程通常称为CTR校准，以2 温度点形式为例，计算公式为：

式中：T0——热沉温度；c0——器件未加电，即T0温度下的相机灰度值；cx——待测温度Tx下的相机灰度值。

以上为稳态热反射测温原理，在此基础上，利用窄脉冲照明，可以捕捉特定短时间内被测表面的图像，从而实现瞬态热反射温度测试。 瞬态热反射温度测试中的关键时序关系如图1 所示，照明只在欲测量的时刻开启，同时保证照明信号与激励信号的同步关系，使得照明施加在被测器件多个工作周期内的对应时刻，从而相机采集到的图像仅对应于欲测量的时刻。 图中脉宽tL即LED 脉冲照明的宽度，决定了测量结果的时间分辨力；通过调节照明脉冲与激励起始时刻的相对时延tD，可以获得被测器件在工作周期内不同时刻的温度信息，进而可以重构出被测器件的温度变化过程。

图1 瞬态热反射中关键时序关系图Fig.1 Key timing sequence in transient thermoreflectance

3 瞬态热反射显微热成像装置

实验装置框图如图2 所示，主要包括显微镜、相机、脉冲光源及驱动、任意时延发生器、信号源、精密控温台、纳米位移台、隔振台。 其中显微镜配合适当波长的照明光源以及科研级相机，通过相机灰度值的相对变化得到被测器件反射率的相对变化情况，从而可以实现利用热反射现象的显微热成像。 精密控温台提供温度环境，作为CTR校准过程中调节被测器件温度的手段。 信号源、任意时延发生器、LED 驱动与被测器件驱动共同配合实现瞬态测温所需时序。 纳米位移台用于位置漂移修正，保证测试过程采集的多幅图像各像素的位置对应关系不被破坏。 整套装置安置于隔振台（光学平台）上，以降低环境振动的影响。

图2 瞬态热反射显微热成像测试系统框图Fig.2 Block diagram of transient thermoreflectance microscope

为实现图1 中的时序方案，除了同步时钟生成外还需要灵活的时延调节能力，采用任意时延发生器作为核心仪器，设计了时钟生成方案如图3 所示，信号源输出基准时钟，一路直接输出用于触发相机曝光，另一路经任意时延发生器调整后输出两路分别用于控制器件驱动和LED 驱动，每个周期内各输出的上升沿、下降沿的时延能够以ns 精度任意配置。

图3 基于任意时延发生器的时钟生成方案框图Fig.3 Block diagram of clock generation based on digital delay generator

考虑到照明脉宽是决定瞬态热反射测试时间分辨力的核心因素，使用高速PD 对照明LED 输出的光脉冲宽度进行了测试。 设定脉冲宽度为1 μs，结果如图4 所示，脉宽为981. 6 ns，与预期的相符。

图4 照明脉冲宽度测量结果图Fig.4 Result of illumination pulse width test

4 实验结果分析

首先设计实验考查了装置在稳态条件下的温度分辨力性能。 使用GaN HEMT 器件作为被测，选择其上GaN 材料区域作为被测目标，与此对应的，LED 光源波长采用365 nm。 利用控温台调节温度，产生0.5 ℃的温度变化，同时使用研制的热反射显微热成像装置进行温度测量，测量多次升降温循环，以应对重复性以及强度漂移可能对实验造成的干扰。 具体步骤如下：

a）被测器件置于控温台上，调节装置对被测清晰成像，选择一块较大的面积的GaN 材料作为目标测量区域；

b）进行CTR校准。 温度点选择30 ℃和40 ℃。常规CTR流程，此处不再赘述；

c）控温台设定30 ℃。 待温度稳定后，进行一次采集，得到结果c0；

d）控温台设定30 ℃。 待温度稳定后，进行一次采集，得到结果c1；

e）控温台设定30.5 ℃。 待温度稳定后，进行一次采集，得到结果c2；

f）重复步骤d）、e）两遍，得到结果c3，c4，c5，c6；

g）按照式（4）计算温度，实验数据曲线图如图5 所示。

图5 温度分辨力实验数据曲线图Fig.5 Result of temperature resolution experiment

从图5 中可以看到明确的漂移，温度数据在逐渐升高。 本次实验每次测量耗时约（8 ～10）min，其中包括控温台变温、等待温度稳定、采集图像。 以本实验的时间跨度和数据展现出的漂移水平考虑，控温台稳定性、照明光源强度漂移以及相机响应度漂移在量级上都与之符合，均是可能的漂移来源。 为剔除漂移的影响，对数据进一步处理，各点数据与其相邻两点数据的均值做差，结果如表1 所示，可以看到处理后的温度变化数据已有较好的一致性，温度变化量绝对值平均约0.58 ℃。

表1 剔除漂移影响的温度分辨力数据Tab.1 Temperature resolution after eliminating drift

对于漂移问题，上述实验中由于每个测试点都需要变温并等待其稳定，故耗时较长；而在瞬态测试中，器件施加脉冲激励后，需要等待其达到热平衡，耗时通常在1 min 之内，之后测量不同时刻只需要操作任意时延发生器，改变照明脉冲相对激励信号的时延，该过程基本不耗时，故实际瞬态测试中漂移的影响要明显小于上述实验。

下面使用微带电阻作为被测器件，开展瞬态温度测试实验。 由于微带电阻发热集中，且热容小、升温快，能够更好的体现瞬态测温效果，适合作为瞬态热反射显微热成像的试测样品。 电阻采用金制作，测试波长选用470 nm，光源脉冲宽度1 μs（即时间分辨力为1 μs），激励脉冲宽度10 μs，热沉温度35 ℃。

微带电阻在脉冲激励下的峰值温度分布如图6 所示，对应于激励脉冲结束时刻（即图8 中10 μs时刻），该分布图为测温结果与实物灰度图的叠加，图6 中条状结构即为微带电阻，左侧是电极，可以看到发热集中在电阻上，且温升比较均匀。其他几个关键时刻的电阻温度分布情况如图7所示。

图6 微带电阻峰值温度分布图Fig.6 Diagram of peak temperature distribution on micro resistor

图7 不同时刻微带电阻温度分布图Fig.7 Temperature distribution on micro resistor with varied time

电阻峰值温度随时间变化的曲线如图8 所示，其中横轴为相对激励脉冲上升沿的时间。 从图8可以看出，实验对升温和降温过程分别以1 μs 间隔取了5 个测量点，数据曲线显示温度上升和下降时间在（2 ～3） μs，测量系统有效捕捉了升降温过程，证实了时间分辨力性能。

图8 微带电阻温度随时间变化曲线图Fig.8 Evolution of average temperature on micro resistor

5 结束语

基于短脉冲照明实现了瞬态热反射热成像，以任意时延发生器为核心设计了时钟生成方案，组建了瞬态热反射显微热成像测试系统，时间分辨力达到1 μs。 以微带电阻作为被测器件开展了瞬态热成像测试，微带电阻在10 脉冲激励下，测得温度上升和下降时间在（2 ～3） μs，有效验证了测试系统的时间分辨力性能，体现了瞬态热反射显微热成像测试技术的高时间分辨力优势。 考虑到LED 芯片的上升时间多在ns 量级，装置的时间分辨力尚有较大的提升空间；进一步的，将光源的LED 替换为激光器理论上可以将时间分辨力进一步提升到ps 量级，这也是作者所在研究团队后续工作方向。