CN105300550B - 一种器件微米尺度二维温度分布的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种器件微米尺度二维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。利用本发明可以实现器件表面二维温度分布的非接触、快速测量，进一步通过改变显微物镜的放大倍数可以实现样品不同尺寸范围区域的测量。

Description

一种器件微米尺度二维温度分布的测量方法及系统

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，本发明提供一种器件微米尺度二维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：一种器件微米尺度二维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上述器件微米尺度二维温度分布测量方法的系统，包括激光器、第一分光镜、显微物镜、稀土薄膜、第二分光镜、第一滤光片、第二滤光片、第一成像透镜、第二成像透镜、第一光电成像器件、第二光电成像器件和三维位移平台。

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直透过第一分光镜和显微物镜，会聚于稀土薄膜表面，通过三维位移平台调整稀土薄膜与显微物镜之间的位置，使稀土薄膜位于显微物镜的工作距离处；激发光源照射稀土薄膜后激发两种不同波长的荧光，两种荧光混合在一起通过显微物镜进行收集后被第一分光镜反射，经第二分光镜分为光束1和光束2，分别经过第一滤光片和第二滤光片，所述的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；滤光后波长1和波长2的荧光分别经过第一成像透镜和第二成像透镜到达第一光电成像器件和第二光电成像器件；调整第一成像透镜、第二成像透镜、第一滤光片、第二滤光片、第二分光镜以及第一分光镜与显微物镜之间的距离，使稀土薄膜分别清晰成像于第一光电成像器件和第二光电成像器件靶面；对第一光电成像器件和第二光电成像器件所记录的二维图像进行计算，对比二维图像每一点上的两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件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的二维温度分布状况。利用本发明可以实现器件表面二维温度分布的非接触、快速测量，进一步通过改变显微物镜的放大倍数可以实现样品不同尺寸范围区域的测量。

附图说明

图1是器件微米尺度二维温度分布的测量系统示意图。

图中，1-激光器，2-第一分光镜，3-显微物镜，4-稀土薄膜，5-第二分光镜，6-第一滤光片，7-第二滤光片，8-第一成像透镜，9-第二成像透镜，10-第一光电成像器件，11-第二光电成像器件，12-三维位移平台。

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。借助CCD等光电成像器件可以将待测量器件表面进行成像，获得器件表面的二维区域荧光能量分布。通过探测并计算此两种不同波长荧光的能量比，即可以获得待测量器件表面的二维温度分布。

本发明提供的一种器件微米尺度二维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，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：使用分光镜、滤光片、显微物镜和透镜组将两个不同波长的荧光分离并将稀土薄膜分别成像在光电探测器上；

步骤4：对两个不同荧光的成像分别进行解调，通过计算两种不同波长荧光所成的像对应点的能量比，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。

本发明提供的一种实现器件微米尺度二维温度分布测量的系统，包括激光器1、第一分光镜2、显微物镜3、稀土薄膜4、第二分光镜5、第一滤光片6、第二滤光片7、第一成像透镜8、第二成像透镜9、第一光电成像器件10、第二光电成像器件11、三维位移平台12。

激光器1发出的光作为激发光源直透过第一分光镜2以及设置于其后的显微物镜3会聚于稀土薄膜4并照射全部表面，稀土薄膜涂覆于待测量器件样品表面并整体固定于三维位移平台12上，通过三维位移平台12可以精确调整涂覆于器件样品表面的稀土薄膜与显微物镜之间的位置，使稀土薄膜位于显微物镜的工作距离处。光束经会聚照射稀土薄膜后激发的波长1和波长2两种不同波长的荧光能量不同。荧光混合在一起通过显微物镜3进行收集后原路返回，再次被第一分光镜2反射，到达第二分光镜5。经第二分光镜5后，荧光分为光束1和光束2，分别经过第一滤光片6和第二滤光片7，其中第一滤光片6和第二滤光片7均为窄带滤光片，第一滤光片6仅允许波长1的光通过，第二滤光片7仅允许波长2的光通过。经滤光片后，波长1和波长2的荧光分别经过第一成像透镜8和第二成像透镜9到达第一光电成像器件10和第二光电成像器件11。调整第一成像透镜8、第二成像透镜9、第一滤光片6、第二滤光片7、第二分光镜5以及第一分光镜2与显微物镜3之间的距离，使稀土薄膜4可以分别清晰成像于第一光电成像器件10和第二光电成像器件11靶面。对第一光电成像器件10和第二光电成像器件11所记录的二维图像数据进行计算对比稀土薄膜所成的二维图像上每一点的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的二维温度分布。

所述的稀土薄膜4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。

所述的光电成像器件为CCD或者CMOS等器件，可以对待测量样品成像并记录。

本发明的实施例如图1所示，包括：激光器1、第一分光镜2、显微物镜3、稀土薄膜4、第二分光镜5、第一滤光片6、第二滤光片7、第一成像透镜8、第二成像透镜9、第一光电成像器件10、第二光电成像器件11、三维位移平台12。

所述的一种器件微米尺度二维温度分布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直透过第一分光镜2以及设置于其后的显微物镜3会聚于稀土薄膜4并照射全部表面，稀土薄膜涂覆于待测量器件样品表面并整体固定于三维位移平台12上，通过三维位移平台12可以精确调整器件样品与显微物镜之间的位置，使稀土薄膜位于显微物镜的工作距离处。稀土薄膜4涂覆于器件样品表面，受激发光源激发后发出波长为482nm和波长为443nm的荧光。荧光混合在一起通过显微物镜3进行收集后原路返回，再次被第一分光镜2反射，到达第二分光镜5。经第二分光镜5后，荧光分为光束1和光束2，分别经过第一滤光片6和第二滤光片7，其中第一滤光片6和第二滤光片7均为窄带滤光片，第一滤光片6仅允许波长482nm的光的光通过，第二滤光片7仅允许波长443nm的光通过。经滤光片后，波长为482nm的荧光经过第一成像透镜8到达第一光电成像器件10，波长为443nm的荧光经过第二成像透镜9到达第二光电成像器件11。调整第一成像透镜8、第二成像透镜9、第一滤光片6、第二滤光片7、第二分光镜5以及第一分光镜2与显微物镜3之间的距离，使稀土薄膜4可以分别清晰成像于第一光电成像器件10和第二光电成像器件11靶面。由于显微物镜3的景深较短，利用三维位移平台12可以精密微调稀土薄膜4和待测量样品器件的位置，使之清晰成像于光电成像器件表面。对第一光电成像器件10和第二光电成像器件11所记录的二维图像数据进行计算对比稀土薄膜所成的二维图像上每一点的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的二维温度分布。

Claims (1)

1.一种器件微米尺度二维温度分布的测量系统，其特征在于：包括激光器、第一分光镜、显微物镜、稀土薄膜、第二分光镜、第一滤光片、第二滤光片、第一成像透镜、第二成像透镜、第一光电成像器件、第二光电成像器件和三维位移平台；所述的稀土薄膜涂覆在待测量器件样品表面，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；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直透过第一分光镜和显微物镜，会聚于稀土薄膜表面，通过三维位移平台调整稀土薄膜与显微物镜之间的位置，使稀土薄膜位于显微物镜的工作距离处；激发光源照射稀土薄膜后激发两种不同波长的荧光，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；两种荧光混合在一起通过显微物镜进行收集后被第一分光镜反射，经第二分光镜分为光束1和光束2，分别经过第一滤光片和第二滤光片，所述的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；滤光后波长1的荧光经过第一成像透镜到达第一光电成像器件；滤光后波长2的荧光经过第二成像透镜到达第二光电成像器件；调整第一成像透镜、第二成像透镜、第一滤光片、第二滤光片、第二分光镜以及第一分光镜与显微物镜之间的距离，使稀土薄膜分别清晰成像于第一光电成像器件和第二光电成像器件靶面，对不同波长荧光下的稀土薄膜成像分别进行解调；对第一光电成像器件和第二光电成像器件所记录的二维图像进行计算，对比二维图像每一点上的两种不同波长荧光的能量比，获得待测量器件表面的二维温度分布。