KR101459668B1 - 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도 분포의 보정 방법 및 이에 이용되는 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 반도체 소자 표면 상에 정확한 온도 분포 측정을 얻기 위한 것으로서, 반도체 소자 온도 측정에서의 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 분석하여 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 보정함으로써 결과적으로 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 표면 상에 정확한 온도 분포 측정을 얻는 발명을 개시한다.

Description

적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도 분포의 보정 방법 및 이에 이용되는 시스템 {Method For Correcting Temperature Distribution of Semiconductor Device Measured by Infrared Thermal Imaging Camera And System Using The Same}
본 발명은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 반도체 소자 표면의 정확한 온도 분포 측정을 얻기 위한 것으로서, 반도체 소자 온도분포 측정에서의 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 분석하여 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 보정함으로써 결과적으로 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 표면 상에 정확한 온도 분포 측정을 얻는 방법 및 이에 이용되는 시스템을 제공한다.
적외선 열화상 카메라는 높은 공간 분해능 및 온도 분해능, 비접촉 방식, 고속 영상획득 등의 장점들로 인해 물체의 표면을 열적으로 이미지화하고 온도분포를 측정하는 가장 널리 알려진 방법이다.
그러나, 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자들의 온도분포 측정은 소자 표면 방사율 및 반사율 분포, 주변복사, 대기복사, 렌즈 투과도 및 검출기 반응도의 불확실성 등 다양한 요인들에 의해 영향을 받는다.
이러한 요인들은 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 온도 분포 측정의 정확도를 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 반도체 소자 표면의 정확한 온도 분포 측정을 얻기 위한 것으로서, 반도체 소자 온도 측정에서의 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 분석하여 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 보정함으로써 결과적으로 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 표면의 정확한 온도 분포 측정을 얻는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도 분포의 보정에 이용되는 시스템에 있어서,
열전소자;
상기 열전소자 상부에 차례로 형성되는 힛씽크와 반도체 기판; 및
상기 반도체 기판 상에는 형성된 반도체 소자를 구비하되.
상기 반도체 기판 상, 빈 공간에 블랙 페인트된 포인트를 구비하는 시스템.
바람직하게는, 상기 힛씽크 상부, 상기 반도체 기판과 인접하여 더미 반도체 기판을 추가로 구비하고, 상기 더미 반도체 기판 상에는 블랙페인트 영역이 구비되는 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 온도센서는 상기 더미 반도체 기판 상의 적어도 일지점의 온도를 측정한다.
본 발명의 제2 측면은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도 분포의 보정 방법에 있어서,
(a) 반도체 소자가 형성된 기판 이외의 더미기판 상에 블랙 페인트 영역을 형성하는 단계로서, 상기 블랙페인트 영역의 온도를 측정하여 반도체 소자의 흑체 온도로 사용하기 위한 단계;
(b) 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 온도 분포 측정 시 적외선 열화상 카메라의 출력 신호가 아래 식으로 표시되는 경우,
Figure 112013030895171-pat00001
(여기서 R(x,y)는 대기투과 특성, 광학계 투과특성, 검출기 응답특성을 포함하는 측정 시스템의 응답특성, εs(x,y)는 샘플의 방사율 분포, Ibb는 흑체복사 신호, rs는 시료의 반사율, Iamb는 시료표면으로 입사하는 주변복사 신호, Iback는 시료 표면 복사 및 시료표면에서 반사되는 복사를 제외한 배경복사 신호, Ir은 시료로부터 반사되는 복사 신호, Ioffset는 부가적인 오프셋 복사 신호)
서로 다른 두 온도 T1, T2 (T1<T2)의 상기 블랙 페인트 영역에서 2개의 적외선 열화상 이미지를 측정하여, 아래 2개의 식을 이용하여 시스템 응답특성(R(x,y))과 오프셋 신호 이미지(Ioffset(x,y))를 결정하는 단계; 및
Figure 112013030895171-pat00002
(c) 결정된 R(x,y)과 Ioffset(x,y) 를 이용하여, Is[T(x,y)]를 보정하여 Is R,Ioffset [T(x,y)]로 아래와 같이 나타내는 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도분포의 보정 방법을 제공한다.
Figure 112013030895171-pat00003
바람직하게는, 상기 반도체 소자 기판 상에 블랙 페인트된 포인트를 형성하는 단계를 더 구비하되, 상기 (c)단계 이후에,
서로 다른 두 온도 T1, T2 (T1<T2)를 가지는 2개의 반도체 소자 이미지를 측정하여, 아래 2개식을 이용하여 샘플의 방사율 분포(εs(x,y))와 반사 복사 이미지(Ir(x,y))를 결정하는 단계를 구비한다.
Figure 112013030895171-pat00004
(여기서, εbp와 Ibp는 각각 반도체 소자 기판 상에 블랙페인트된 포인트에서의 방사율과 적외선 열화상 카메라 출력 신호임)
바람직하게는, 상기 반도체 소자의 온도 이미지 T(x,y)는, 상기 (c) 식을 이용하여 반사된 복사 부분을 소거함으로써 반사 복사 부분이 제거된 보정된 샘플로부터의 적외선 열복사를 구한다음, 상기 결정된 방사율 분포(εs(x,y))을 이용하여 픽셀단위로 방사율 값들과 캘리브래이션 함수를 적용함으로써 얻어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 반도체 소자 온도 측정에서의 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 분석하여 정확성을 떨어뜨리는 요인들을 보정함으로써 결과적으로 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 표면 상에 정확한 온도 분포 측정을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 반도체 소자 온도 분포의 보정 방법이 적용되는 전체 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 반도체 소자의 표면 온도분포를 측정하는 경우 적외선 열복사의 시나리오가 도시되어 있다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 실험예를 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
(실시예)
도 1 및 도 2는 본 발명의 반도체 소자 온도 분포의 보정 방법이 적용되는 전체 시스템을 도시한 도면이다.
먼저, 반도체 소자(100)가 형성된 반도체 기판(10)은 힛씽크(20)에 본딩되어 있고, 반도체 기판(10)과 힛싱크(20)는 열전소자(30, thermoelectric device)에 본딩되어 있다. 한편, 예컨대 저항 온도 검출기(resistance temperature detector, RTD)등의 온도센서(40)는 힛씽크(20) 상의 더미 기판(50) 상에 배치되고, 더미 기판(50)은 반도체 소자 기판의 온도 측정과 제어를 위해 동일한 열전소자(30) 상에 반도체 기판(10)의 근처에 부착된다.
한편, 적외선 열화상 카메라는 적외선 렌즈(300), 적외선 카메라(400), 컴퓨터 시스템(미도시) 등을 이용하여 구성되어 샘플(200)의 적외선 열화상을 측정한다.
이러한 시스템 구성에서 블랙페인트 영역(A)은 더미기판(50) 상에 형성되어 있고 말 그대로 블랙 페인트로 일정 영역이 채색되어 있는 형태이다.
또한, 반도체 소자 기판(10)의 빈 영역 상에 블랙페인트 포인트(B)가 형성된다. 블랙페인트 포인트(B)는 예컨대 방사율측정기에 의해 측정되면 1에 근접한 값의 방사율(emissivity)을 가지게 되므로, 기준점으로 사용하기 위해 반도체 기판의 빈 공간에 형성된다.
이러한 시스템에서, 적외선 열화상 카메라는 측정 샘플인 반도체 소자의 온도 분포를 측정하게 된다. 그러나, 엄밀하게는, 적외선 열화상 카메라 시스템은 온도 보다는 적외선 열복사를 측정한다. 그러므로, 적외선 카메라의 반응 출력 신호를 온도로 변환하는 비선형 전달함수는 필수적이다. 캘리브레이션의 목적은 실험적인 전달함수를 정의하는 것이다. 이는 일반적으로 상업화된 확대 흑체 (extended-area blackbody)을 사용함으로써 수행하여 왔다. 그러나, 적외선 렌즈는 흑체 표면에 매우 가까이 배치되어야 한다. 이는 흑체표면으로부터 방출되는 복사열에 의해 적외선 렌즈를 가열시키게 되고 가열된 렌즈로부터 방출되는 적외선이 열화상 카메라로 입사하여 캘리브레이션 에러를 초래하여 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 온도분포 측정의 부정확도를 증가 시킨다. 그러므로, 반도체 소자의 정확한 온도 측정을 위해, 캘리브레이션 커브는 열전소자(30)에 부착된 더미 기판(50) 상에 블랙 페인트된 영역과 온도 센서로부터 확보된다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
이하, 본 발명의 반도체 소자 온도 분포의 보정 방법을 상세히 설명한다.
절대 영도의 이상의 모든 물체는 적외선 복사선을 방출한다. 이상적인 흑체(blackbody)의 경우 적외선 복사선 에너지와 파장의 관계는 플랑크 복사 법칙에 의해 식(1)과 같다
Figure 112013030895171-pat00005
(1)
여기서 Wbb는 흑체의 분광 복사량(spectral radiance)이고, h는 플랑크 상수, c는 광속이고, k는 볼쯔만 상수, λ는 파장, Ts는 복사원의 절대온도이다.
0<εs<1의 방사율(emissivity)을 갖는 샘플의 분광 복사량 Ws은 식(2)와 같이 정의된다.
Figure 112013030895171-pat00006
(2)
식(2)를 전체 파장들에 걸쳐 적분하면, 샘플의 전체 복사량을 얻기 위한 스테판-볼쯔만 식을 확보할 수 있다.
Figure 112013030895171-pat00007
(3)
여기서 σ= 5.67 X 10-8 Wm-2 K-4 이다.
온도가 증가할수록 전체 복사량은 증가한다. 따라서, 적외선 열화상 카메라의 원리는 샘플로부터 자연적으로 복사되는 적외선 복사량의 공간적인 분포를 측정함으로써 온도 분포를 결정할 수 있다. 그러나, 반도체 소자 표면 상에서 측정된 적외선 복사량 분포로부터 정확한 온도 맵의 실험적인 결정은 복잡하다. 이에 대해서 설명한다.
도 3은 적외선 열화상 카메라를 이용하여 반도체 소자의 표면 온도분포를 측정하는 경우 적외선 복사의 시나리오가 도시되어 있다.
적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 온도 분포 측정에서 온도 정확도를 감소시키는 주된 요인은 반도체 소자 표면의 다양한 물질들이 갖는 방사율(εs)의 불확실성에 있다. 또한, 측정된 적외선 열복사를 온도 맵으로 변환하기 위하여, 우리는 검출기 반응 특성 (Rdet)와 광학계의 투과특성(τl)을 포함하여 측정 장치의 정확한 반응함수들을 결정하는 것이 필요하다.
한편, 적외선 열화상 카메라를 사용하는 반도체 소자의 온도 분포 측정에서, 적외선 초점 평면 어레이(Infred Focal Plane Array, IRFPA)에 입사하는 복사에너지는 샘플로부터의 복사에너지(εsWbb)뿐 아니라, 샘플 표면으로부터 반사된 주변 복사에너지(rsWamb), 그리고 관측시야 (Field of View)의 모든 외부로부터 직접적으로 검출기에 도달하는 모든 배경 복사에너지(Wsur) 그리고 적외선 열화상 카메라 시스템 자체의 복사에너지 (Winst)가 있다.
만약 샘플의 온도가 주변 온도의 근처이면, 반사된 주변 복사와 배경 복사는 모두 무시할 수 없을 정도의 값으로 온도측정의 정확도에 심각하게 영향을 준다. 모든 이러한 요인들의 결과로, 적외선 열화상 카메라의 제조사에 의해 제공되는 캘리브레이션 정보를 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 온도분포 측정에 그대로 적용하는 것은 많은 오차를 가지고 있어 부적절해진다.
본 발명에 따라서, 측정된 적외선 열복사 분포로부터 정확한 온도 분포를 얻기 위한 최선의 방법은 측정 조건들과 샘플을 감안하여 in situ로 픽셀 바이 픽셀(pixel by pixel) 보정과 캘리브레이션을 수행하는 것이다. 그 원리에 대해서 설명한다.
적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 온도 분포 측정 시 적외선 열화상 카메라의 출력 신호는 아래 식(4)와 같이 표시될 수 있다.
Figure 112013030895171-pat00008
(4)
여기서 R(x,y)는 대기투과 특성, 광학계 투과특성, 검출기 응답특성을 포함하는 측정 시스템의 응답특성이다. εs(x,y)는 샘플의 방사율 분포인데 흑체 복사(Ibb)와 결합되어 샘플로부터의 방출되는 복사신호를 표현하다. rs(x,y)는 표면 반사율이다. 이는 샘플 표면에 입사되는 주변복사신호(Iamb)와 결합되어 반사 복사신호(Ir)를 나타낸다. Iback(x,y)는 적외선 초점 평면 어레이(IRFPA)에 도달하는 모든 배경 복사들을 포함한다. 이것의 주된 부분은 관측시야(Field of View) 외부의 주변과 열화상 카메라 자체 내부로부터 복사된 신호이다. 따라서, 반도체 소자 표면의 측정된 적외선 복사분포로부터 정확한 온도 분포를 도출하기 위해서는 우리는 R(x,y), Ioffset(x,y), εs(x,y), 그리고 Ir (x,y)를 결정해야 한다.
R(x,y)과 Ioffset(x,y) 이미지들을 결정하기 위해, 균일한 온도의 흑체를 기준 복사소스로 사용된다. 서로 다른 두 온도 T1, T2 (T1<T2)를 가지는 2개의 흑체 이미지가 열화상 카메라 시스템에 의해 측정되며, R(x,y)과 Ioffset(x,y) 이미지를 얻기위한 2개의 식이 다음과 같이 확보될 수 있다.
Figure 112013030895171-pat00009
(5)
식 (5)로부터 R(x,y)과 Ioffset(x,y) 이미지를 얻을 수 있다.
Figure 112013030895171-pat00010
(6)
이를 이용하면 결과적으로, R(x,y)과 Ioffset(x,y) 이미지가 보정된 열화상을 확보할 수 있다.
Figure 112013030895171-pat00011
(7)
반도체 소자 표면 방사율 분포 εs(x,y)와 반사된 복사 신호 이미지 Ir(x,y)는 다음과 같이 결정될 수 있다. 첫째 2개의 다른 온도(T1<T2)에서 측정된 2개의 반도체 소자 열화상을 얻는다. 그리고 R(x,y), Ioffset(x,y) 이미지를 보정한다.
Figure 112013030895171-pat00012
(8)
여기서, εbp와 Ibp는 각각 반도체 소자 기판의 빈 공간에서 기준으로 사용되는 블랙페인트된 포인트에서의 방사율과 적외선 카메라 출력 신호이다. T1, T2 간 온도차이는 10도 이내로 유지하여 온도변화에 따른 방사율 변화는 무시한다.
방사율 맵 εs(x,y)와 반사 복사 신호 이미지 Ir(x,y)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112013030895171-pat00013
(9)
다음으로, 식(9)에서 구한 반사 복사 신호 이미지 Ir(x,y)를 식(7)에 대입하여 반사된 복사 부분을 소거함으로써 반사 복사 부분이 제거된 보정된 샘플로부터의 적외선 열복사를 구한다.
그런 다음, 반도체 소자의 온도 이미지 T(x,y)는 픽셀단위로 방사율 값들(εs(x,y))과 캘리브래이션 함수를 적용함으로써 최종적으로 얻어질 수 있다.
(실험예)
(샘플의 준비)
본 실험예 에서는 LED 소자 웨이퍼를 반도체 소자 샘플로 이용하여 온도분포를 측정하였다.
도 4는 수평전극을 가진 LED 소자의 스키메틱 다이아그램(a)과 광학현미경 이미지(b)를 도시하고 있다.
파장 530 nm에서 발광하는 그린 InGaN/GaN LED가 c-평면 사파이어(Al2O3) 기판에 MOCVD를 이용하여 성장되었다. 에피 레이어들은 1.3 um 비도핑 GaN 버퍼층, 5 um 두께의 n-GaN 클래딩층, 1.3 um n+ 도핑 GaN 버퍼층, 그리고 InGaN/GaN 다중양자우물 3쌍, 그리고 0.1 um p-GaN층. 성장 후, 표준적인 프로세스는 평면 ITO 컨택층을 가진 GaN 기초의 LED 를 제조하기 위해 이용되었다.
메사 구조는 SiO2 에치 마스크를 이용하여 BCl3/Cl2 플라즈마에서 커플된 플라즈마 식각기에 의해 형성되고, 그런 다음, 400 nm ITO층은 최상 p-GaN 층 상부에 증착된다. Ni/Au, Ti/Al/Ti/Au 금속들은 p와 n 금속 컨택들을 위해 e-beam에 의해 증착된다. 마지막으로, 급속 열처리가 N2 분위기에서 1분 동안 500도에서 수행되었다.
방사율측정기에 의해 측정되면 0.96의 방사율(emissivity)을 가지는 블랙페인트는 기준점으로 LED 웨이퍼의 빈 표면 상에 페인트된다.
LED 표면 상에 열적 복사 분포를 측정하기 위해 우리는 적외선 열화상 카메라 시스템을 사용하였다. LED 표면의 열복사 분포를 측정하기 위해, 적외선 이미지 센서 (640x512, 15um 피치, InSb IRFPA)와 적외선 렌즈 (5배율)를 구비하여 구성된다. 적외선 열화상 카메라 시스템은 3.5 - 5.1 um 파장 범위의 적외선 복사를 검출하며, 30 mK의 온도분해능을 갖는다.
(캘리브레이션)
적외선 열화상 카메라 시스템은 온도 분포가 아닌 샘플로부터 방출되는 적외선 열복사량의 분포를 측정한다. 그러므로, 적외선 카메라의 출력 신호를 온도로 변환하는 비선형 전달함수 (transfer function)는 필수적이다. 캘리브레이션의 목적은 실험적인 전달함수를 정의하는 것이다. 이는 일반적으로 상업화된 확대 흑체 (extended-area blackbody)을 사용함으로써 수행하여 왔다. 그러나, 이 경우 적외선 렌즈는 흑체 표면에 매우 가까이 배치되어야 한다. 이는 흑체표면으로부터 방출되는 복사열에 의해 적외선 렌즈를 가열시키게 되고 가열된 렌즈로부터 방출되는 적외선이 열화상 카메라로 입사하여 캘리브레이션 에러를 초래한다. 그러므로, 반도체 소자의 정확한 온도 측정을 위해, 캘리브레이션 커브는 열전소자(30)에 부착된 더미 기판(50) 상에 블랙 페인트된 영역과 온도 센서로부터 확보하여 캘리브레이션 에러를 최소화 하였다.
흑체 온도와 카메라의 반응 출력 값 사이의 실험적인 관계식으로 가장 널리 사용되는 것은 3차식으로 아래 식10이다.
Figure 112013030895171-pat00014
(10)
여기서, T는 흑체 온도이고, I는 적외선 카메라의 출력신호 (디지털 레벨) 값이고, a-d는 반응 계수들이다. 그림 5는 흑체 온도와 적외선 카메라의 출력신호 값의 비선형 캘리브레이션 커브를 보여준다. 그 커브의 3차 다함수 반응 계수들은 피팅에 의해서 20-80도 온도 범위에서 a=-4.521, b=6.700 X 10-3, c=-2.197 X 10-7, 그리고 d=3.124 X 10-12 로 계산되었다.
(바이어스를 인가하지 않은 LED 소자 웨이퍼의 보정된 온도분포)
그림 6a는 더미 사파이어 웨이퍼 상에 블랙 페인트된 영역으로부터 측정된 보정되지 않은 온도의 이미지를 보여주고 있다. 블랙 페인트된 영역의 실제 온도분포는 균일하나 측정된 온도분포는 미세한 불균일성을 보여주고 있으며 좌하측이 우상측 보다 약간 높다. 동일한 결과가 균일한 방사율과 온도 분포를 가지는 상용화된 확장 영역 흑체(SR-800 7A, CI system)에서도 얻어진다. 그러므로, 균일하지 않은 온도는 블랙 페인트된 영역의 특성에 기인되는 것이 아니라, 기기의 균일하지 않은 반응 특성 R(x,y)과 오프셋 신호 Ioffset(x,y)에 기인할 수 있다.
R(x,y)와 Ioffset(x,y) 이미지들은 다음과 같이 결정된다. 사파이어 웨이퍼 상의 블랙 페인트된 영역은 20도 까지 균일하게 가열되고 그 다음 열전소자에 의해 생성된 열의 확산에 의해 30도로 가열된다. 그리고, 적외선 열 복사 이미지들은 이러한 2개의 온도들 각각에서 측정된다.
R(x,y)와 Ioffset(x,y) 이미지들은 식6에 의해 도 7처럼 얻어진다. 도 7은 응답특성 이미지(R(x,y)) (a)와 오프셋신호 이미지 (Ioffset(x,y)) (b)를 도시하고 있다. 이러한 이미지들에 의한 보정 이후에, 블랙 페인트된 영역의 온도는 균일한 온도 분포를 나타내고 있다(도 6b).
LED 표면의 방사율 맵 εs(x,y)와 반사된 복사 신호 이미지 Ir(x,y)를 얻기 위해서는, 20도와 30도로 가열된 LED 웨이퍼로부터 2개의 적외선 열화상 이미지가 측정된다. 이러한 이미지들에 포함되어 있는 응답특성과 오프셋 신호 이미지들을 보정한 후, 방사율 맵 εs(x,y)와 반사된 복사 이미지 Ir(x,y)는 식 9를 이용해 계산된다. 방사율 맵 εs(x,y)과 상대적인 반사 신호 (Ir/Is) 이미지는 도 8에 도시되어 있다. GaN, ITO, 및 금속전극의 방사율들은 각각 0.82, 0.51, 0.25이다.
도 8 (b)의 우상측에서 0.96의 높은 방사율을 가지는 블랙 페인트된 영역은 반사 복사가 거의 제로이다. 반면에, 금속전극 영역 상에서 반사에 의한 복사신호는 전체 검출된 복사신호의 약 40%로 무시할 수 없는 값이다. 따라서, 온도 측정의 정확도는 샘플의 작은 방사율 영역에서 반사되는 복사신호에 의해 심각하게 영향을 받는다.
그림 9a는 25도의 균일한 온도를 갖는 LED 소자 웨이퍼에 대해 적외선 열화상 카메라에 의해 측정된 보정되지 않은 온도 이미지이다. LED 표면의 다양한 물질들의 방사율과 반사율 값의 큰 차이 대문에 표면 물질에 따른 불균일한 온도가 나타난다. 도 9b는 제안된 알고리즘을 이용하여 도 9a로부터 보정된 온도 이미지를 도시하고 있다. 보정된 온도분포는 거의 균일하고 25도의 힛씽크 온도에 매우 근접하였다.
(바이어스를 인가한 LED 소자의 보정된 온도분포)
LED에 바이어스 전류를 인가한 상태에서 LED 표면의 국부적인 발열과 온도 분포를 측정하기 위해 LED 소자에 바이어스를 인가하고 적외선 열화상 카메라를 이용하여 온도분포를 측정하였다. 보정되지 않은 온도 이미지(도 10a)는 제안된 보정 알고리즘에 의해 정확한 온도 분포(도 10d)로 변환된다. 도 10a는 200mA의 바이어스 전류를 인가한 상태에서 측정된 보정되지 않은 온도분포 이미지이고, (b)는 40, (c)는 120, (d)는 200mA의 바이어스를 인가한 상태에서 측정 후 보정된 온도분포 이미지들이다. 바이어스 전류가 증가함에 따라, 전류가 상대적으로 높은 영역인 p-전극 에지 근처에서 강한 국부적 발열이 있음을 보여준다. 힛씽크 온도는 25도로 유지되었다.
도 11은 다양한 바이어스 전류 하에서 LED 발광 표면 상에 수평선(inset)을 따라 공간적인 온도 프로파일을 도시하고 있다. 비록 힛싱크의 온도가 25도로 유지되더라도, p-전극 에지 근처에, 바이어스 전류 40, 120, 200 mA인 경우, 온도는 8.9, 43.3. 그리고 67.3도로 증가하였다. 또한, 200 mA 바이어스 전류를 인가한 상태에서 167.9도/mm의 매우 큰 온도구배가 p-전극 근처에서 나타난다는 것으로 보여준다.
전술한 본 발명에 따른 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도분포의 보정 방법 및 이에 이용되는 시스템에 대해 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
10 : 반도체 기판 20 : 힛씽크
30 : 열전소자 40 : 온도센서
50 : 더미기판 100 : 반도체소자
200 : 샘플 300 : 적외선 렌즈
400 : 적외선 카메라

Claims (6)

  1. 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도 분포를 보정하는 시스템에 있어서,
    열전소자;
    상기 열전소자 상부에 차례로 형성되는 힛씽크;
    상기 힛씽크의 일 영역에 형성되며 상부에 반도체 소자를 구비하는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판과 인접하며 상기 힛씽크의 타 영역 상에 형성되는 더미 기판; 및
    상기 더미 기판 상에 형성된 블랙 페인트 영역을 구비하되,
    상기 블랙페인트 영역의 온도를 측정하여 반도체 소자의 흑체 온도로 사용하는 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상부 빈 공간에 추가로 블랙 페인트가 구비되는 시스템.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 더미기판 상의 적어도 일지점의 온도를 측정하기 위해 온도센서가 추가되는 시스템.
  4. 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도 분포의 보정 방법에 있어서,
    (a) 반도체 소자가 형성된 기판 이외의 더미기판 상에 블랙 페인트 영역을 형성하는 단계로서, 상기 블랙페인트 영역의 온도를 측정하여 반도체 소자의 흑체 온도로 사용하기 위한 단계;
    (b) 적외선 열화상 카메라를 이용한 반도체 소자 온도 분포 측정 시 적외선 열화상 카메라의 출력 신호가 아래 식으로 표시되는 경우,
    Figure 112014061611217-pat00015
    ----(1)
    (여기서 R(x,y)는 대기투과 특성, 광학계 투과특성, 검출기 응답특성을 포함하는 측정 시스템의 응답특성, εs(x,y)는 샘플의 방사율 분포, Ibb는 흑체복사 신호, rs는 시료의 반사율, Iamb는 시료표면으로 입사하는 주변복사 신호, Iback는 시료 표면 복사 및 시료표면에서 반사되는 복사를 제외한 배경복사 신호, Ir은 시료로부터 반사되는 복사 신호, Ioffset는 부가적인 오프셋 복사 신호)
    서로 다른 두 온도 T1, T2 (T1<T2)의 상기 블랙 페인트 영역에서 2개의 적외선 열화상 이미지를 측정하여, 아래 2개의 식을 이용하여 시스템 응답특성(R(x,y))과 오프셋 신호 이미지(Ioffset(x,y))를 결정하는 단계; 및
    Figure 112014061611217-pat00016
    ----(2)
    (c) 결정된 R(x,y)과 Ioffset(x,y) 를 식(1)에 대입하고 Is R,Ioffset [T(x,y)]을 식(3)과 같이 정의함으로써 Is[T(x,y)]를 보정하는 단계를 구비한 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도분포의 보정 방법.
    Figure 112014061611217-pat00017
    ----(3)
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 반도체 소자 기판 상에 블랙 페인트된 포인트를 형성하는 단계를 더 구비하되,
    상기 (c)단계 이후에,
    (d) 서로 다른 두 온도 T1, T2 (T1<T2)를 가지는 2개의 반도체 소자 이미지를 측정하여, 아래 식(4)를 이용하여 샘플의 방사율 분포(εs(x,y))와 반사 복사 이미지(Ir(x,y))를 결정하는 단계를 구비하는 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도분포의 보정 방법.
    Figure 112014061611217-pat00018
    ----(4)
    (여기서, εbp와 Ibp는 각각 반도체 소자 기판 상에 블랙페인트된 포인트에서의 방사율과 적외선 열화상 카메라 출력 신호임)

  6. 제5 항에 있어서,
    상기 반도체 소자의 온도 이미지 T(x,y)는,
    결정된 반사 복사 이미지 (Ir(x,y))를 식(3)에 대입하여 반사된 복사 부분을 소거함으로써 반사 복사 부분이 제거된 보정된 샘플로부터의 적외선 열복사를 구한다음, 상기 결정된 방사율 분포(εs(x,y))을 이용하여 픽셀단위로 방사율 값들과 캘리브래이션 함수를 적용함으로써 얻어지는 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정된 반도체 소자 온도분포의 보정 방법.
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PL232921B1 (pl) * 2017-09-04 2019-08-30 Politechnika Slaska Sposób bezdotykowego pomiaru temperatury będącej poza zakresem pomiarowym przyrządu, zwłaszcza kamery termowizyjnej
KR102316804B1 (ko) * 2020-08-10 2021-10-25 한화시스템 주식회사 온도 측정 시스템에서 온도 측정을 보조하는 장치 및 방법
KR102489138B1 (ko) * 2021-08-27 2023-01-17 (주)아이준 전자 부품 및 모듈의 열 분포 모니터링 방법 및 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100661794B1 (ko) * 2006-05-24 2006-12-28 주훈 적외선 흑체가 내장된 적외선 열상 현미경

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102497725B1 (ko) * 2022-06-21 2023-02-08 주식회사 서호산전 고신뢰성의 온도 측정 기능과 온도 표시 기능을 갖는 수배전반

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