CN105241577B - 基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统，将稀土薄膜涂覆在待测量的器件样品表面；将激光照射到稀土薄膜表面，采集稀土薄膜激发的两种不同波长的荧光；将两种不同波长的荧光分离，并将不同波长荧光下的稀土薄膜分别成像；对不同波长荧光下的稀土薄膜成像分别进行解调，通过计算不同波长荧光下的稀土薄膜成像对应点的能量比，获得待测量器件表面的二维温度分布。本发明具有测温快、精度高等优点，并能够实时显示器件表面的二维温度分布状况。
Description
技术领域
本发明属于器件温度监测技术领域，涉及一种器件微米尺度二维温度分布的测量方法及系统，尤其涉及一种利用光学手段对器件高温点进行快速发现与检测的方法及系统。
背景技术
随着工业界对电子器件性能需求的提升，其元器件的尺寸不断减小，微米、纳米电子器件已经广泛应用于各种大规模集成电路。这种小尺寸的电子器件电阻阻抗通常比较大，使得焦耳热效应不可忽略。电子器件通道内的局域阻抗非常小的变化，就有可能在电子器件上产生局部高温。局部高温区域如果不被发现和处理，可能会导致器件性能退化或损伤。为了避免对器件的灾难性破坏，准确获得局部高温区域的位置至关重要。但是，局域高温位置不仅依赖于器件设计，还与集成电路的质量有关，往往很难先验预测。目前，微电子学器件的温度测量方法主要采用拉曼光谱技术，其测量的精度、效率和速度都受到限制，且无法对面目标进行高分辨率测量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量方法及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将稀土薄膜涂覆在待测量的器件样品表面；所述的稀土薄膜是将摩尔比为100：10：5的β-NaLuF4、Yb3+和Ho3+粉末均匀涂覆在透明的塑料薄膜表面；
步骤2、将激光照射到稀土薄膜表面，采集稀土薄膜激发的两种不同波长的荧光；
步骤3、将两种不同波长的荧光分离，并将不同波长荧光下的稀土薄膜分别成像；
步骤4、对不同波长荧光下的稀土薄膜成像分别进行解调，通过计算不同波长荧光下的稀土薄膜成像对应点的能量比，获得待测量器件表面的二维温度分布，两种不同波长的荧光的能量比其中，B为常数，通过温度定标方法确定，定标时，测量温度T1时的能量比η1，在已知ΔE和k时就能够得到B，ΔE为热耦合能级差，取值为0.188eV，k为玻尔兹曼常数，T为待测量器件样品表面的温度。
本发明还提供一种实现基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布测量的系统，包括激光器、第一光纤准直器、第一分光镜、第二光纤准直器、光纤透镜、稀土薄膜、第二分光镜、第三光纤准直器、第五光纤准直器、第一滤光片、第七光纤准直器、第一探测器和第四光纤准直器、第六光纤准直器、第二滤光片、第八光纤准直器、第二探测器、三维位移平台。
所述的稀土薄膜涂覆在待测量器件样品表面，待测量器件样品固定于三维位移平台上；所述激光器发出的激发光源经第一光纤准直器准直后直透过第一分光镜，被第二光纤准直器收集，经光纤透镜会聚于稀土薄膜表面；通过三维位移平台调整激发光源在稀土薄膜表面的会聚点位置；稀土薄膜受激发光源激发后发出两种不同波长的荧光，两种荧光混合在一起被光纤透镜收集，经第二光纤准直器准直并被第一分光镜反射，到达第二分光镜，分为光束1和光束2两束；光束1和光束2分别经第三光纤准直镜和第四光纤准直镜收集，分别被第五光纤准直镜和第六光纤准直镜准直，到达第一滤光片和第二滤光片，第一滤光片和第二滤光片均为窄带滤光片，第一滤光片仅允许波长1的光通过，第二滤光片仅允许波长2的光通过；滤波后波长1的荧光经第七光纤准直器收集传导到第一探测器，波长2的荧光经第八光纤准直器收集传导到第二探测器；通过对第一探测器和第二探测器所探测到的信号进行解调，计算两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件表面位于光纤透镜焦点处表面的温度；通过调整三维位移平台，使光纤透镜的聚焦点遍历稀土薄膜表面，得到样品表面的二维温度分布。
本发明的有益效果是：具有测温快、精度高等优点，并能够实时显示器件表面某点的温度分布状况。同时，由于系统中使用了光纤透镜，光纤透镜具有会聚激发光源和收集荧光信息的双重作用。通过三维位移平台移动光束通过光纤透镜后在被测样品表面的聚焦点位置，可以实现被测样品表面不同点温度的测量，通过移动光纤的聚焦点位置在被测样品表面做二维扫描，还可以测量获得被测样品表面的二维温度场分布。因为光纤透镜焦点较小，这一方法的测量精度很高，对微米尺度的器件表面温度的测量同样适用。
附图说明
图1是基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量系统示意图。
图中，1-激光器，2-第一光纤准直器，3-第一分光镜，4-第二光纤准直器，5-光纤透镜，6-稀土薄膜，7-第二分光镜，8-第三光纤准直器，9-第四光纤准直器，10-第五光纤准直器，11-第六光纤准直器，12-第一滤光片，13-第二滤光片，14-第七光纤准直器，15-第八光纤准直器，16-第一探测器，17-第二探测器，三维位移平台18。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明的思想在于：
具有良好电绝缘性和热传导性的稀土发光薄膜，内部均匀分散有微米或亚微米尺度的稀土发光粉。由于稀土粒子具有热耦合能级，当该稀土发光薄膜涂覆于待测量器件表面时，在外界激光光源激发下，薄膜会产生两种不同波长的荧光，并且随器件温度不同，两种不同波长荧光的能量不同。通过探测并计算稀土薄膜表面某一点处两种不同波长荧光的能量比，即可以获得该点处待测量器件表面温度。因为光束的聚焦点可以达到微米尺寸，通过控制光束聚焦点在器件表面的位置，即可以实现器件表面微米尺度的温度测量分辨率。
本发明提供的一种基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量方法步骤如下：
步骤1：将稀土薄膜涂覆在待测量的器件样品表面，该薄膜具有良好的电绝缘性和热传导性；所述的稀土薄膜是将摩尔比为100：10：5的β-NaLuF4、Yb3+和Ho3+粉末均匀涂覆在透明的塑料薄膜表面；
步骤2：将激光照射到稀土薄膜表面某一点，由于稀土粒子具有热耦合能级，稀土发光薄膜受激发出的两种波长的荧光对环境温度敏感，随器件温度不同，不同波长荧光的能量不同，采集稀土薄膜激发的两种波长的荧光；
步骤3：使用光纤透镜、分光镜、滤光片、光纤准直器等器件将两个不同波长的荧光分离并传输到探测器上；
步骤4：对两个不同荧光的能量分别进行解调，通过计算两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件表面某点处的温度，两束波长的能量比和温度满足以下关系：
其中，η为两束不同波长荧光的能量比，B为常数，通过温度定标方法确定，定标时，测量温度T1时的能量比η1，在已知ΔE和k时就能够得到B，ΔE为热耦合能级差，其对上述使用的稀土薄膜取值为0.188eV，k为玻尔兹曼常数，T为待测量器件样品表面的温度。
本发明还提供一种实现基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布测量的系统，包括激光器1、第一光纤准直器2、第一分光镜3、第二光纤准直器4、光纤透镜5、稀土薄膜6，第二分光镜7、以及设置于第二分光镜之后光路中的第三光纤准直器8、第五光纤准直器10、第一滤光片12、第七光纤准直器14、第一探测器16和第四光纤准直器9、第六光纤准直器11、第二滤光片13、第八光纤准直器15、第二探测器17、三维位移平台18。
激光器1发出的光作为激发光源经第一光纤准直器2准直后直透过第一分光镜3，之后被第二光纤准直器4收集。光纤透镜5连接于第二光纤准直器4之后，激发光源经光纤透镜5会聚于稀土薄膜6表面某一点。稀土薄膜6涂覆于待测量器件样品表面并整体固定于三维位移平台18上，通过三维位移平台18可以调整光束经过光纤透镜5后在稀土薄膜6表面的会聚点位置。稀土薄膜6受激发光源激发后，发出不同波长1和波长2的荧光。荧光混合在一起被光纤透镜5收集后，经第二光纤准直器4准直并被第一分光镜3反射，到达第二分光镜7。荧光经第二分光镜7后分为光束1和光束2两束，分别经第三光纤准直镜8和第四光纤准直镜9收集和光纤传输，之后光束分别被第五光纤准直镜10和第六光纤准直镜11准直，到达设置于其后的第一滤光片12和第二滤光片13，其中第一滤光片12和第二滤光片13均为窄带滤光片，第一滤光片12仅允许波长1的光通过，第二滤光片13仅允许波长2的光通过。经滤波后，波长1的荧光经第七光纤准直器14收集后传导到与之相连接的第一探测器16，波长2的荧光经第八光纤准直器15收集后传导到与之相连接的第二探测器17。通过对第一探测器16和第二探测器17所探测到的信号进行解调，计算此两种不同波长荧光的能量比，并根据公式(1)即可以获得待测量器件表面位于光纤透镜焦点处表面的温度。通过调整三维位移平台18，使光纤透镜5的聚焦点遍历稀土薄膜6表面，也可以得到样品表面的二维温度分布。
所述的稀土薄膜6具有良好的电绝缘性和热传导性，内部分散有微米或亚微米尺度的稀土发光粉。激发光源照射稀土薄膜后会激发两种不同波长的荧光。同时由于稀土粒子具有热耦合能级，稀土薄膜受激发出的荧光对激发波长和环境温度敏感，随器件的温度不同，波长1和波长2荧光的能量不同。
本发明的实施例如图1所示，包括：激光器1、第一光纤准直器2、第一分光镜3、第二光纤准直器4、光纤透镜5、稀土薄膜6，第二分光镜7、第三光纤准直器8、第五光纤准直器10、第一滤光片12、第七光纤准直器14、第一探测器16和第四光纤准直器9、第六光纤准直器11、第二滤光片13、第八光纤准直器15、第二探测器17，三维位移平台18。
所述的一种基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量系统的工作流程如下：
激光器1发出的980nm的激光作为激发光源经第一光纤准直器2准直后直透过第一分光镜3，之后被第二光纤准直器4收集。光纤透镜5连接于第二光纤准直器4之后，激发光源经光纤透镜5会聚于稀土薄膜6表面上某一点。稀土薄膜6涂覆于待测量器件样品表面并整体固定于三维位移平台18上，通过三维位移平台18可以调整光束经过光纤透镜5后在稀土薄膜6表面的会聚位置。稀土薄膜6受激发光源激发后，发出波长为482nm和波长为443nm的荧光。荧光混合在一起被光纤透镜5收集后，经第二光纤准直器4准直并被第一分光镜3反射，到达第二分光镜7。荧光经第二分光镜7后分为光束1和光束2两束，分别经第三光纤准直镜8和第四光纤准直镜9收集和光纤传输，之后光束分别被第五光纤准直镜10和第六光纤准直镜11准直，到达设置于其后的第一滤光片12和第二滤光片13，其中第一滤光片12和第二滤光片13均为窄带滤光片，第一滤光片12仅允许波长482nm的光通过，第二滤光片13仅允许波长443nm的光通过。经滤波后，波长为482nm的荧光经第七光纤准直器14收集后传导到与之相连接的第一探测器16，波长为443nm的荧光经第八光纤准直器15收集后传导到与之相连接的第二探测器17。通过对第一探测器16和第二探测器17所探测到的信号进行解调，计算此两种不同波长荧光的能量比，并根据公式(1)即可以获得待测量器件表面光纤透镜聚光点的温度。进一步通过调整三维位移平台18，移动光纤透镜5的焦点位置遍历稀土薄膜6表面，最终可以得到样品表面的二维温度分布。
Claims (2)
1.一种基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1、将稀土薄膜涂覆在待测量的器件样品表面；所述的稀土薄膜是将摩尔比为100：10：5的β-NaLuF4、Yb3+和Ho3+粉末均匀涂覆在透明的塑料薄膜表面；
步骤2、将激光照射到稀土薄膜表面，采集稀土薄膜激发的两种不同波长的荧光；
步骤3、将两种不同波长的荧光分离，并将不同波长荧光下的稀土薄膜分别成像；
步骤4、对不同波长荧光下的稀土薄膜成像分别进行解调，通过计算不同波长荧光下的稀土薄膜成像对应点的能量比，获得待测量器件表面的二维温度分布，两种不同波长的荧光的能量比其中，B为常数，通过温度定标方法确定，定标时，测量温度T1时的能量比η1，在已知ΔE和k时就能够得到B，ΔE为热耦合能级差，取值为0.188eV，k为玻尔兹曼常数，T为待测量器件样品表面的温度。
2.一种实现权利要求1所述方法的基于光纤透镜的器件微米尺度温度分布的测量系统，其特征在于：包括激光器、第一光纤准直器、第一分光镜、第二光纤准直器、光纤透镜、稀土薄膜、第二分光镜、第三光纤准直器、第五光纤准直器、第一滤光片、第七光纤准直器、第一探测器和第四光纤准直器、第六光纤准直器、第二滤光片、第八光纤准直器、第二探测器、三维位移平台；所述的稀土薄膜涂覆在待测量器件样品表面，待测量器件样品固定于三维位移平台上；所述激光器发出的激发光源经第一光纤准直器准直后直透过第一分光镜，被第二光纤准直器收集，经光纤透镜会聚于稀土薄膜表面；通过三维位移平台调整激发光源在稀土薄膜表面的会聚点位置；稀土薄膜受激发光源激发后发出两种不同波长的荧光，两种荧光混合在一起被光纤透镜收集，经第二光纤准直器准直并被第一分光镜反射，到达第二分光镜，分为光束1和光束2两束；光束1和光束2分别经第三光纤准直镜和第四光纤准直镜收集，分别被第五光纤准直镜和第六光纤准直镜准直，到达第一滤光片和第二滤光片，第一滤光片和第二滤光片均为窄带滤光片，第一滤光片仅允许波长1的光通过，第二滤光片仅允许波长2的光通过；滤波后波长1的荧光经第七光纤准直器收集传导到第一探测器，波长2的荧光经第八光纤准直器收集传导到第二探测器；通过对第一探测器和第二探测器所探测到的信号进行解调，计算两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件表面位于光纤透镜焦点处表面的温度；通过调整三维位移平台，使光纤透镜的聚焦点遍历稀土薄膜表面，得到样品表面的二维温度分布。
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