DE10119599A1 - Verfahren zur Bestimmung von Temperaturen an Halbleiterbauelementen - Google Patents

Abstract

Zur Bestimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement (1) wird eine Abfragelichtwelle (7) auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement eingestrahlt, eine von dem Messpunkt abgestrahlte Antwortlichtwelle (8, 8') erfasst und die Temperatur des Messpunkts anhand einer temperaturabhängigen Eigenschaft (R) der Antwortlichtwelle (8, 8') ermittelt.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Temperaturen an Halbleiter­ bauelementen. Auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie hängt die Leistungsfähigkeit eines Bauelements unter ande­ rem stark von seinen zulässigen Betriebstemperaturen ab. Eine sehr häufige Ausfallursache sind zu hohe Temperaturen während des Betriebs, die das Bauelement stark schädigen oder komplett zerstören können. Sowohl für den Anwender, der für eine bestimmte Anwendung geeignete Halbleiterbau­ elemente auswählen oder einem Hersteller für die Entwick­ lung eines solchen Elements Vorgaben machen muss, als auch für den Hersteller, der sein Produkt spezifiziert, ist da­ her die Kenntnis der Temperatur des Bauelements, die sich unter bestimmten Einsatzbedingungen einstellt, von großem Interesse.

Es ist Stand der Technik, Temperatur eines Halbleiterbau­ elements über die sogenannte Sperrschicht-Temperatur T_j zu charakterisieren, welche z. B. durch Messen der Flussspan­ nung von p-n-Übergängen eines Bauelements bestimmt werden kann. (Dies sind Übergänge zwischen p-dotierten und n- dotierten Gebieten eines Halbleiters; sie sind z. B. Be­ standteil von Gleichrichter- und Zenerdioden oder liegen in Form der intrinsischen Body-Diode eines Feldeffekttransi­ stors vor). Dabei nutzt man aus, dass die Spannung U_Fluss, die man in Flussrichtung an einen p-n-Übergang anlegen muss, um einen bestimmten Strom I fließen zu lassen, von der Kristalltemperatur am Ort des p-n-Übergangs abhängt. Über den funktionalen Zusammenhang U_Fluss (I, T_j) kann man dann durch Messen der Flussspannung U_Fluss zu einem gegebenen Flussstrom I auf die Temperatur T_j zurückschließen. Voraus­ setzung hierfür ist allerdings die Kenntnis der Funktion U_Fluss (I, T_j), die im allgemeinen durch eine vorausgehende stationäre Eichmessung von U_Fluss (I, T_j) ermittelt wird.

Ein erheblicher Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist allerdings, dass man den Messstrom I in Flussrichtung über das Bauteil schicken muss. D. h., man kann diese Methode nicht anwenden, solange ein anderer Betriebszustand des Bauteils diesen Flussstrom verhindert (z. B. während eines Avalanche-Durchbruchs oder dergleichen). Bei komplexen in­ tegrierten Schaltungen kann sich darüber hinaus das Problem ergeben, dass im allgemeinen die Durchlässigkeitszustände verschiedener Halbleiterübergänge in dem Bauelement nicht völlig unabhängig voneinander einstellbar sind. Es kann da­ her der Fall vorkommen, dass Interesse besteht, die Tempe­ ratur eines bestimmten p-n-Übergangs zu messen, der aber unter normalen Betriebsbedingungen des Bauelements nur transient durchlässig wird. In einem solchen Fall ist es nicht möglich, vorab eine stationäre Eichmessung an dem p- n-Übergang durchzuführen.

Diese Besonderheiten des bekannten Verfahrens führen dazu, dass es z. B. für die Untersuchung des Sperrdurchbruchs (Avalanche-Effekt) einer Diode nicht brauchbar ist. Der Avalanche-Zustand ist dadurch gekennzeichnet, dass in Sperrrichtung eine so hohe Spannung anliegt, dass die Diode durchbricht und in Sperrrichtung ein hoher Strom fließt (sogenannter Zener-Durchbruch einer Diode). Die hohen Fel­ der und Ströme führen im allgemeinen zu einem starken Auf­ heizen des Bauelements, wobei die heißeste Stelle am durch­ brechenden p-n-Übergang liegt. Um die dort vorherrschende Temperatur mit dem bekannten Flussspannungsverfahren zu bestimmen, muss man allerdings so lange warten, bis der Sperrstrom nahezu vollständig abgeklungen ist, um dann ei­ nen Messstrom in entgegengesetzter Richtung durch den p-n- Übergang zu leiten. Dies führt dazu, dass das bekannte Ver­ fahren erst mit einer gewissen Zeitverzögerung nach dem Ab­ klingen des Zener-Durchbruchs anwendbar ist. Die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Temperatur entspricht allerdings nicht mehr der während des Durchbruchs auftretenden Tempe­ raturspitze am p-n-Übergang, sondern meist einer deutlich geringeren Temperatur, weil zwischen dem Ende des Avalan­ che-Zustands und dem Beginn der Messung die Wärme sich aus dem Bereich des p-n-Übergangs bereits auf einen größeren Bereich des Bauelements oder sogar auf die thermisch ange­ koppelte Umgebung des Bauelements verteilen konnte. Es sind jedoch im allgemeinen die transienten Temperaturspitzen, die zu einer Schädigung des Bauelements führen.

Es besteht zwar die Möglichkeit, durch Verfolgen der zeit­ lichen Entwicklung des Flussstroms nach einem Zener- Durchbruch Aufschluss über die Temperaturentwicklung im Halbleiterbauelement zu erhalten und durch Extrapolieren dieser Entwicklung auf Zeitpunkte vor der Messung auf Temperaturen rückzuschließen, die zur Zeit des Durchbruchs an der Grenzschicht geherrscht haben können. Dieses Verfahren ist jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Ein Grund dafür ist die Kürze der zur Verfügung stehenden Mess­ zeiten und damit die beschränkte Genauigkeit der Tempera­ turmessung, die um so extremer ist, je höher die benötigte zeitliche Auflösung ist, zum anderen liegt ein grundsätzli­ ches Problem darin, dass durch die Flussstrommessung nur ein Mittelwert der Temperatur über die gesamte Oberfläche des p-n-Übergangs ermittelt werden kann, dass aber durchaus nicht gewiss ist, dass der Avalanche-Strom - und damit die Temperaturverteilung im Avalanche-Zustand - über die Über­ gangsfläche gleichmäßig verteilt ist.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Temperaturen an Halbleiter­ bauelementen geschaffen, die eine Messung zu beliebigen Zeiten unabhängig von einem an einem Halbleiterübergang herrschenden Betriebszustand ermöglichen. Ein weiterer Vor­ teil der Erfindung ist, dass sie eine ortsaufgelöste Tempe­ raturmessung ermöglicht, mit der auch ungleichmäßige Strom­ stärkeverteilungen an einem Halbleiterübergang anhand der daraus resultierenden Temperaturen erfassbar sind. Die Mes­ sung ist zeitaufgelöst möglich, mit einer Auflösung im Mil­ lisekundenbereich und darunter.

Diese Vorteile werden erreicht durch ein Verfahren zur Be­ stimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement mit den Schritten:
Einstrahlen einer Abfragelichtwelle auf einen Mess­ punkt an dem Halbleiterbauelement,
Erfassen einer von dem Messpunkt abgestrahlten Ant­ wortlichtwelle,
Erfassen der Temperatur des Messpunkts anhand einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Antwortlichtwelle.

Die Vorteile werden ferner erreicht durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauele­ ment mit einer Lichtquelle zum Einstrahlen einer Abfrage­ lichtwelle auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement, einem lichtempfindlichen Element zum Erfassen einer tempe­ raturabhängigen Eigenschaft der Antwortlichtwelle und eine Verarbeitungseinheit zum Umrechnen eines von dem lichtemp­ findlichen Element gelieferten Erfassungswertes in eine Temperatur.

Die Umrechnung eines von dem lichtempfindlichen Element er­ fassten momentanen Werts der temperaturabhängigen Eigen­ schaft in eine Temperatur erfolgt vorzugsweise durch Ver­ gleich mit Werten einer Referenzkurve, die die Eigenschaft als Funktion der Temperatur beschreibt.

Eine solche Referenzkurve wird zweckmäßigerweise vorab un­ ter statischen thermischen Bedingungen aufgenommen.

Um die Referenzkurve an dem gleichen Bauelement, an dem später auch die Messungen vorgenommen werden, unter identischen Bedingungen aufnehmen zu können, ist die erfindungs­ gemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise mit einem Ofen ausge­ stattet, mit dem die Temperatur des Halbleiterbauelements auf einem gewünschten Wert stationär geregelt werden kann.

Da temperaturabhängige Eigenschaften des Halbleiterbauele­ ments wie etwa lineare und nichtlineare Reflexionskoeffi­ zienten, Brechungsindex, Absorptionskoeffizient, etc. ent­ sprechend den an dem Halbleiterbauelement ausgebildeten funktionalen Strukturen örtlich variabel sein können, wird die Referenzkurve vorzugsweise jeweils spezifisch für einen einzelnen Messpunkt des Halbleiterbauelements aufgenommen. Als Messpunkt wird zweckmäßigerweise ein kleiner Oberflä­ chen- bzw. Grenzflächenabschnitt des Halbleiterbauelements gewählt, der eine homogene Struktur aufweist. An diesem Messpunkt desselben Halbleiterbauelements oder eines bau­ gleichen Elements werden dann anschließend auch die Messun­ gen der durch den Betriebsstromfluss induzierten Erwärmung des Halbleiterbauelements aufgenommen.

Es kann eine Mehrzahl derartiger Messpunkte an einem Halb­ leiterbauelement definiert werden und Referenzkurven können für solche Messpunkte aufgenommen werden, die zu unter­ schiedlichen p-n-Übergängen oder auch zu örtlich getrennten Bereichen eines gleichen p-n-Übergangs gehören.

An einem unverpackten Bauteil oder einem aus seiner Verpac­ kung freigelegten Bauteil kann so die Temperaturverteilung an der Oberfläche gewissermaßen "kartiert" werden.

Werden nur einzelne Temperaturmesspunkte benötigt, so kann es ausreichen, diese durch eine kleine Bohrung von wenigen mm² Querschnitt in der Verpackung freizulegen.

Vorzugsweise wird als Abfragelichtwelle eine hinreichend intensive monochromatische Lichtquelle, insbesondere ein Laserstrahl, verwendet. Hinreichend intensiv bedeutet, daß das Licht intensiv genug sein muß, um das Antwortsignal auswerten zu können. Zu hohe Intensität würde unter Umstän­ den das Bauelement aufheizen und die Messung verfälschen, falls die Strahlung entsprechend absorbiert werden würde.

Die Antwortlichtwelle kann dann bei der Frequenz der Abfra­ gelichtwelle erfasst werden; bei ausreichender Intensität der Abfragelichtwelle ist auch die Erfassung von Harmoni­ schen bei einem Vielfachen der Frequenz der Abfragelicht­ welle möglich. Wenn zwei monochromatische Abfragelichtwel­ len verwendet werden, kann die Antwortlichtwelle auch bei der Summe oder Differenz der Frequenzen der zwei Abfrage­ lichtwellen erfasst werden. Eine solche Vorgehensweise er­ möglicht einen Zugewinn an Intensität der Antwortlichtwelle durch Abstimmen wenigstens einer Abfragelichtwelle auf eine Resonanz des Materials des Bauteils.

Die Antwortlichtwelle kann in Fresnel-Reflexionsrichtung der Abfragelichtwelle erfasst werden, denkbar ist aber auch, eine Antwortlichtwelle auszuwerten, die in andere Raumrichtungen als die Fresnel-Reflexionsrichtung ungerich­ tet gestreut wird.

Bevorzugtermaßen wird für die Abfragelichtwelle eine Wel­ lenlänge gewählt, bei der das Substratmaterial des Halblei­ terbauelements transparent ist. Auf diese Weise wird zum einen vermieden, dass durch Absorption der Abfragelichtwel­ le im Halbleiterbauelement dieses erwärmt und dadurch die Messergebnisse verfälscht werden, zum anderen wird ausge­ schlossen, dass durch die Immission der Abfragelichtwelle freie Ladungsträger im Halbleitermaterial induziert werden, die das Schaltverhalten des Halbleiterbauelements beein­ flussen könnten. Halbleitermaterialien weisen im allgemei­ nen transparente Bereiche im nahen Infrarot bei Wellenlän­ gen oberhalb 1 µm auf.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie­ len mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;

Fig. 2 ein Beispiel für die zeitliche Entwicklung der Reflektivität der Oberfläche eines Halbleiterbau­ elements und eine daraus ermittelte Entwicklung der Temperatur;

Fig. 3 ein Messverfahren, das zum Einsatz mit einem ge­ pulsten Laser als Lichtquelle geeignet ist;

Fig. 4 den räumlichen Verlauf von Abfrage- und Antwort­ lichtwelle in einem Fall, wo als Antwortlichtwelle die zweite Harmonische der Abfragelichtwelle erfasst wird; und

Fig. 5 den räumlichen Verlauf von Abfrage- und Antwort­ lichtwelle, wenn als Antwortlichtwelle die klas­ sisch reflektierte oder die transmittierte Abfra­ gelichtwelle erfasst wird.

Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Vor­ richtung zur Bestimmung von Temperaturen an einem Halblei­ terbauelement 1. Bei der hier dargestellten Vorrichtung ist das Halbleiterbauelement 1 auf einer Anordnung von Ver­ schiebetischen 2, 3 in zwei zur freiliegenden Oberfläche des Bauelements 1 senkrechten Richtungen (bezogen auf die Figur in horizontaler Richtung und senkrecht zur Zeichnungs­ ebene) verschiebbar angeordnet. Das Bauelement 1 ist von einem thermostatgeregelten Ofen 4 umgeben, der ein Ein­ tritts- bzw. Austrittsfenster 5, 6 für eine Abfragelicht­ welle 7 bzw. eine Antwortlichtwelle 8 aufweist. Als Licht­ quelle zum Erzeugen der Abfragelichtwelle dient ein Laser 9, z. B. ein Festkörperlaser, in dem Seltenerdionen als la­ seraktive Spezies verwendet werden. Je nach Art der einge­ setzten Ionen und ihres Trägerkristalls können solche Laser Wellenlängen im Bereich von ca. 1,0-1,5 µm aufweisen.

Die von dem Laser 9 erzeugte Abfragelichtwelle 7 wird auf einen Messpunkt an der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 gelenkt; die von dort ausgehende Antwortlichtwelle 8 durchläuft ein Filter 10 und wird von einem lichtempfindlichen Element 11, z. B. einer PIN-Photodiode, einem pyroelek­ trischen Detektor o. dgl. aufgefangen. Das Filter 10 dient zum Abschirmen des lichtempfindlichen Elements 11 gegen Um­ gebungslicht. Je nach erwarteter Intensität der Abfrage­ lichtwelle kann das Filter 10 ein einfaches Farbglasfilter oder ein Interferenzfilter sein, unter bestimmten Umstän­ den, auf die später noch genauer eingegangen wird, kann auch die Verwendung eines Gittermonochromators notwendig sein.

Ein von einem Strahlteiler 12 aus der Abfragelichtwelle 7 ausgeteilter Strahlanteil wird auf ein zweites lichtemp­ findliches Element 13 geleitet.

Eine Auswertungs- und Recheneinheit 14 ist an beide licht­ empfindlichen Elemente 11, 13 angeschlossen, um das Ver­ hältnis der Intensitäten der von den zwei lichtempfindli­ chen Elementen aufgefangenen Wellen zu berechnen und so den Reflexionskoeffizienten R des Messpunkts zu ermitteln. An die Auswertungs- und Recheneinheit 14 ist ferner ein Tempe­ ratursensor 15 angeschlossen, der zum Erfassen der Tempera­ tur im Innern des Ofens 4 dient.

In einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Referenzkurve erzeugt, die die Abhängigkeit des Refle­ xionskoeffizienten der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 von dessen Temperatur angibt. Zu diesem Zweck wird der Ofen 4 mit dem darin befindlichen Halbleiterbauelement 1 langsam aufgeheizt, und während des Aufheizens wird der Reflexionskoeffizient R der Oberfläche durch Bilden des Ver­ hältnisses der von den lichtempfindlichen Elementen 11, 13 gelieferten Intensitätssignale ermittelt und als Funktion der jeweils zum Ermittlungszeitpunkt im Ofen 4 herrschenden Temperatur T in einem Speicher der Auswertungs- /Recheneinheit 14 abgespeichert.

Wenn die Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 struktu­ riert ist und einen von Ort zu Ort unterschiedlichen Refle­ xionskoeffizienten aufweist, so wird eine derartige Refe­ renzkurve für eine Mehrzahl von Messpunkten gewonnen, an denen später Temperaturmessungen unter Betriebsbedingungen des Halbleiterbauelements durchgeführt werden sollen.

Als erstes Beispiel für die Anwendung der Referenzkurve zum Ermitteln einer Temperatur des Halbleiterbauelements 1 und der Betriebsbedingungen wird der Fall betrachtet, dass die­ se Betriebsbedingungen stationär sind. In diesem Fall ge­ nügt es, die Abfragelichtwelle 7 unter exakt den gleichen geometrischen Bedingungen wie bei der Aufnahme der Refe­ renzkurve auf das Halbleiterbauelement 1 einzustrahlen und die von dessen Oberfläche reflektierte Antwortlichtwelle 8 aufzufangen, um ihre temperaturabhängige Intensität mit der vom lichtempfindlichen Element 13 aufgefangenen Intensität zu vergleichen. Der Vergleich liefert einen Reflexionskoef­ fizienten R, der anhand der Referenzkurve eindeutig einer Temperatur des Halbleiterbauelements 1 zugeordnet werden kann.

Mit diesem Verfahren sind allerdings nur langsame Tempera­ turänderungen des Halbleiterbauelements 1 erfassbar. Für den Halbleiterentwickler und -anwender ist jedoch die Kenntnis von Temperaturen bedeutsam, die sich im Laufe ei­ nes Schaltvorgangs, also bei nichtstationärem Betrieb des Bauelements, transient einstellen können. Ein Prinzip der Erfassung solcher transienter Temperaturverläufe ist anhand von Fig. 2 veranschaulicht. Zum Messen eines Temperaturver­ laufs am Halbleiterbauelement 1 wird ein Schaltvorgang, der zu einer Erwärmung führt, zyklisch wiederholt. Fig. 2 zeigt in einem ersten Teildiagramm als Kurve R(t) den Verlauf der Reflektivität R als Funktion der Zeit t über zwei Schaltzy­ klen. In Wirklichkeit ist die Reflektivität mit der Genau­ igkeit der dargestellten Kurven nicht messbar, sondern stark verrauscht, so dass zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers, der Teil der Auswertungs- und Rechen­ einheit 14 sein kann, und der an den Schaltzyklus des Bau­ elements 1 gekoppelt ist, ein mittlerer Verlauf der Reflek­ tivität R im Laufe eines Zyklus ermittelt wird, der an­ schließend anhand der Referenzkurve R(T) in einen zeitab­ hängigen Verlauf der Temperatur T(t) umgerechnet wird.

Diese Vorgehensweise eignet sich zur Verwendung in Verbin­ dung mit einer kontinuierlichen Lichtquelle für die Abfra­ gewelle.

Fig. 3 veranschaulicht ein Messverfahren, das zum Einsatz mit einem gepulsten Laser als Lichtquelle geeignet ist. In Fig. 3 sind drei Kurven jeweils einander überlagert dargestellt. Eine erste Kurve 20 gibt die Reflektivität R der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 als Funktion der Zeit t an. Die Kurve wiederholt sich in jedem Betriebszy­ klus des Halbleiterbauelements mit der Dauer t₁. Eine zwei­ te Kurve 21 gibt die zeitabhängige Intensität des gepulsten Lasers an, ihre Periode t₁ + ε unterscheidet sich um einen sehr kleinen, nichtverschwindenden Wert ε von der Periode t₁ des Betriebszyklus. In der Figur ist diese Differenz ε übertrieben dargestellt, um deutlich zu machen, wie sich im Laufe der Zeit t die Lage der Laserpulse der Kurve 21 in Bezug auf den Betriebszyklus des Bauelements 1 verschiebt. Mit jedem Laserpuls wird die Kurve 20 - in jeweils ver­ schiedenen Zyklen - mit einer anderen Phasenlage abgeta­ stet, und ein Abtastwert für den Reflexionskoeffizienten erhalten, der jeweils einer anderen Phasenlage der zykli­ schen Kurve 20 entspricht. Die Folge der so erhaltenen Ab­ tastwerte ergibt eine Kurve 22, deren Verlauf auf einer ge­ streckten Zeitskala dem Verlauf der Reflektivitätskurve 20 in jedem einzelnen Zyklus entspricht. Durch Wählen des Werts ε in der Größenordnung der Laserpulsdauer kann der Faktor der Streckung festgelegt werden; es kann eine zeit­ liche Auflösung der Reflektivitätsmessung entsprechend der Laserpulsdauer erzielt werden.

Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass die Antwortlichtwelle, die zum Ermitteln der Tempera­ tur aufgefangen und ausgewertet wird, aus der Abfragelicht­ welle durch Reflexion an der Oberfläche des Halbleiterbauelements nach den klassischen Gesetzen der Fresnelschen Op­ tik hervorgeht. Dies muss nicht notwendigerweise der Fall sein. So ist es z. B. denkbar, als Antwortlichtwelle nicht den reflektierten Strahl aufzufangen, sondern Licht, das an der Oberfläche des Bauelements 1 diffus reflektiert wird.

Es kann sich auch als zweckmäßig erweisen, anstelle von in herkömmlicher Weise linear reflektiertem Licht nichtlineare optische Erscheinungen an der Oberfläche oder auch einer anderen Grenzfläche des Halbleiterbauelements auszunutzen. Die einfachste Möglichkeit hierfür ist die Frequenzverdopp­ lung an der Oberfläche. Optische Frequenzverdopplung oder allgemeiner Summen- und Differenzfrequenzmischung sind nichtlineare optische Vorgänge, die in nicht inversionssym­ metrischen Medien auftreten können. Bei den üblichen Halb­ leiterwerkstoffen ist ein Bruch der Inversionssymmetrie le­ diglich an Grenzflächen gegeben. Daher kann Summen- und Differenzfrequenzmischung ausschließlich an Grenzflächen auftreten. Es sind aber gerade die Grenzflächen, z. B. zwi­ schen unterschiedlich dotierten Zonen des Halbleiterbauele­ ments oder zwischen dem Halbleitersubstrat und einer Metal­ lisierung, deren Temperaturen wichtig zu wissen sind, um die Belastbarkeit von Halbleiterbauelementen optimieren zu können, oder auch, um Modelle zu optimieren, die es erlau­ ben, Temperaturverteilungen in einem Halbleiterbauelement unter Betriebsbedingungen rechentechnisch zu simulieren.

Eine vorteilhafte Variante der Strahlführung an dem Halb­ leiterbauelement 1 bei Verwendung der zweiten Harmonischen als Antwortlichtwelle 8 ist in Fig. 4 gezeigt. Hier trifft die Abfragelichtwelle 7 unter zwei entgegengesetzt gleichen Winkeln zur Oberflächennormalen auf einen Messpunkt an der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1. Durch die nichtli­ neare Wechselwirkung des aus zwei verschiedenen Richtungen eintreffenden Lichtes mit der Halbleiteroberfläche entsteht frequenzverdoppeltes Licht, das zum Teil gebündelt in Rich­ tung der Oberflächennormalen abgestrahlt wird. Diese Ant­ wortlichtwelle ist praktisch frei von Untergrund mit der Frequenz der Abfragelichtwelle. Obwohl die Intensität der frequenzverdoppelten Antwortlichtwelle um viele Größenord­ nungen kleiner als die der Abfragelichtwelle ist, kann die Antwortlichtwelle daher, gegebenenfalls unter Verwendung weiterer Filter bzw. eines Monochromators, vom Untergrund getrennt und mit Hilfe eines Photomultipliers als lichtemp­ findliches Element 11 nachgewiesen werden.

Einer anderen Weiterentwicklung zufolge kann im Strahlen­ gang der Abfragelichtwelle - unabhängig davon, ob es eine Lichtwelle bei der Frequenz der Abfragelichtwelle oder ei­ ner Harmonischen davon ist - ein Polarisator vorgesehen werden, um die Intensität der Antwortlichtwelle polarisati­ onsabhängig zu erfassen. Wenn der Laser 9 polarisiertes Licht liefert, so kann dieser Polarisator insbesondere or­ thogonal zur Polarisierungsrichtung des Lasers orientiert sein, um lediglich eine depolarisierte Komponente in dem vom Bauelement 1 zurückgeworfenen Licht als Antwortlicht­ welle zu erfassen und so einen Großteil der Intensität des zurückgeworfenen Lichtes zu unterdrücken. Wenn eine umpolarisierte Lichtquelle verwendet wird, kann selbstverständ­ lich ein zweiter Polarisator zum Polarisieren der Abfrage­ lichtwelle zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche des Halbleiterbauelements angeordnet werden.

In der bisherigen Beschreibung ist davon ausgegangen wor­ den, dass die Antwortlichtwelle 8 an der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 in den Halbraum emittiert wird, aus dem die Abfragelichtwelle 7 auf die Oberfläche trifft. Wie Fig. 5 zeigt, besteht jedoch auch die Möglichkeit, als Ant­ wortlichtwelle 8' den von dem Halbleiterbauelement 1 trans­ mittierte Anteil der Abfragelichtwelle aufzufangen und so den ebenfalls temperaturabhängigen Absorptionskoeffizienten des Halbleitermaterials zu erfassen. Während man für Refle­ xionsmessungen bevorzugt eine Wellenlänge der Abfragelicht­ welle 7 in einem Bereich vollständiger Transparenz des Halbleitersubstrats wählen wird, empfiehlt sich für Trans­ missionsmessungen eine Wellenlänge am Rande des Transpa­ renzbereichs, so dass auch geringfügige temperaturabhängige Änderungen des Absorptionskoeffizienten zu einer messbaren Intensitätsänderung der transmittierten Antwortlichtwelle 8' führen.

Claims (18)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement (1), mit den Schritten:

• - Einstrahlen einer Abfragelichtwelle (7) auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement,
• - Erfassen einer von dem Messpunkt abgestrahlten Antwortlichtwelle (8, 8'),
• - Erfassen der Temperatur des Messpunkts anhand ei­ ner temperaturabhängigen Eigenschaft (R) der Antwort­ lichtwelle (8, 8').

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur erfasst wird durch Vergleichen ei­ nes momentanen Werts (R(t))der temperaturabhängigen Eigenschaft mit Werten einer Referenzkurve (R(T)).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkurve (R(T)) vorab unter statischen thermischen Bedingungen aufgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, dass die Referenzkurve (R(T)) jeweils spezifisch für einen einzelnen Messpunkt des Halbleiterbauele­ ments (1) aufgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Abfragelichtwelle (7) monochromatisch ist und die Antwortlichtwelle (8, 8') bei der Frequenz der Abfragelichtwelle (7) erfasst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragelichtwelle (7) mono­ chromatisch ist und die Antwortlichtwelle (8) bei ei­ nem Vielfachen der Frequenz der Abfragelichtwelle (7) erfasst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei monochromatische Abfrage­ lichtwellen (7) verwendet werden und die Antwortlicht­ welle (8) bei der Summe oder Differenz der Frequenzen der zwei Abfragelichtwellen (7) erfasst wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängige Ei­ genschaft die Intensität oder die Polarisation der Antwortlichtwelle (8) ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Antwortlichtwelle (8) in Fresnel-Reflexionsrichtung der Abfragelichtwelle erfasst wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortlichtwelle (8) durch ungerichtete Streuung an der Oberfläche des Halblei­ terbauelements (1) erhalten wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass für die Abfragelichtwelle (7) eine Wellenlänge gewählt wird, bei der das Sub­ stratmaterial des Halbleiterbauelements (1) transpa­ rent ist.

12. Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement, mit einer Lichtquelle (9) zum Einstrahlen einer Abfragelichtwelle (7) auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement (1), einem lichtempfindlichen Element (11) zum Erfassen einer temperaturabhängigen Eigenschaft der von dem Messpunkt abgestrahlten Antwortlichtwelle (8), gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit (14) zum Umrechnen ei­ nes von dem lichtempfindlichen Element (11) geliefer­ ten Erfassungswertes in eine Temperatur.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (14) einen Speicher für wenigstens eine Referenzkurve (R(T)) der temperaturab­ hängigen Eigenschaft als Funktion der Temperatur auf­ weist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, ge­ kennzeichnet durch einen Ofen (4) zum Regeln der Tem­ peratur des Halbleiterbauelements (1).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ge­ kennzeichnet durch wenigstens ein Stellglied (2, 3) zum Verschieben des Halbleiterbauelements (1) relativ zur Lichtquelle (9) und dem lichtempfindlichen Element (11).

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (9) ein La­ ser ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Ele­ ment (11) ein Photomultiplier ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterbau­ element (1) und dem lichtempfindlichen Element (11) ein Polarisator angeordnet ist.