关于Microsanj反射率热成像系统

• Microsanj反射率热成像系统是基于反射率热成像技术，结合数字信号处理手段以及先进的软件算法，为用户提供一个高空间分辨率、高时间分辨率、高温度分辨率的，可以对亚微米级别的微电子系统进行热分析的通用设备。

• 亚微米量级的空间分辨率：Microsanj反射率热成像系统可以达到300nm的高空间分辨率，更加适用于亚微米量级的器件的热成像。

• 极高的瞬态热成像时间分辨率：Microsanj反射率热成像系统可以实现快速瞬态热成像功能，标准配置的时间分辨率为100ns，高端配置的时间分辨率更高达800ps。

• 通过反射率热成像技术的高空间分辨率、高温度分辨率以及高时间分辨率的优点，用户可以利用它准确地获得纳米级别微电子器件的温度分布，并将其应用于微电子器件的设计及可靠性分析中，用于发现芯片的热点区域，快速定位其表面缺陷，研究芯片的闩锁效应等失效机理。

Microsanj反射率成像系统的功能

• 测试半导体器件及IC的结温、热阻；测试器件表面的光学成像以及表面温度分布；
• 进行热点区域检测；
• 快速而准确地定位芯片表面的缺陷，作为器件的缺陷和失效分析的表征手段。
• 分析半导体器件的瞬态热成像过程；
• 作为半导体器件及IC的热设计验证手段，为准确建立器件的热仿真模型提供精确的实验数据支撑；
• 研究MMIC等复杂IC的结温分布；
• 选择合适的波长非破坏性地观测芯片表面的温度分布；
• 研究芯片工艺中常见的闩锁效应（Latch up）。

Microsanj反射率热成像系统的型号及应用

各种配置的主要功能及应用

 主要技术规格及应用

反射率热成像系统的原理

• 反射率热成像技术的原理

反射率热成像技术利用材料的反射率随着温度变化而变化的原理来测试器件的温度分布。

图1  材料反射率与温度的关系

1. 材料的反射率与温度有关：当材料的温度发生变化时，探测器探测到的反射光强度也会随之发生改变。材料的反射率与温度的函数关系可以用上图的公式描述，其中К是“反射率-温度系数”。К是一个基本的材料属性，与材料本身相关，与照射光的波长相关。对于常见的金属以及半导体材料来说，温度-反射率系数К的量级一般为10^-2/K~10^-5/K。
2. 通过光学手段测试器件表面材料对于特定波长光源的反射光强度，再根据材料的“反射率-温度系数” К，就能测得器件的温度分布。
3. “反射率-温度系数”对于大多数波长都是非零的，因此探测光可以采用可见波段。与红外成像技术的红外波段相比，可见光波段可以使温度分布图的空间分辨率提高一个数量级，达到亚微米量级。

4. 不同于红外热成像技术，反射率热成像技术不依赖于材料的辐射系数。

• Microsanj反射率成像系统的原理

（1）热成像原理（NT200，NT210，NT220）

图2  基于CCD成像的高分辨率的反射率热成像系统的基本结构图

• 图2所示是Microsanj反射率热成像系统正面成像的结构示意图。该系统包括：LED照明光源、显微系统以及CCD摄像头。LED照明光源用于提供稳定的入射光，其发射光经显微系统照射到待测器件的表面，经过待测器件表面的反射光再经由显微系统回到CCD摄像头。当器件的温度发生改变时，CCD探测到的反射光的强度也随之改变。因此通过测试反射光强度的改变，再根据表征材料反射率与温度的关系的参数“反射率-温度系数”，就可以得到温度的分布。

1. 选择波长为400nm-800nm的可见光，可以得到亚微米量级的空间分辨率；
2. 通过选择对塑料、树脂等封装材料透明的光源，可以实现不脱帽测试。
3. 由于“反射率-温度系数”是一个很微弱的量，在实际操作中通过锁相放大技术来提高采集信号的信噪比，以获得更高的温度分辨率。

（2）穿透衬底热成像原理（适用于倒装焊芯片的热成像）

衬底表面空间分布图                                         有源层表面空间分布图

图3  穿透衬底热成像原理示意图

• 倒装焊芯片（Flip Chip）的工艺比较特殊，器件表面层是衬底层，并非有源层，因此用传统的红外热成像很难获得真正的有源层pn结部分的温度分布图。
• 在Microsanj穿透衬底的热成像系统中，照明光源选择近红外波段的LED光源，由于近红外波段对半导体器件的衬底材料是透明的，可以直接入射到器件的有源层，因此可以直接获取衬底层下方的有源层的反射光强度，从而获得有源层的温度分布。
• NT300，NT400系列还可以用于辐射研究，可以探测半导体材料辐射的近红外波段的光子辐射。
• NT300系列可以“穿透”的衬底材料包括：Ge、Si、GaAs、GaN等；
• NT400系列可以“穿透”的衬底材料包括：Si、GaAs、GaN等。

（3）、瞬态热成像原理（NT210A，NT220A， NT310A，NT410A）

图4   瞬态热成像原理图

通过调节LED激励脉冲的延迟时间，可以在不同的时间点采集瞬态温度数据。Microsanj热瞬态采样的时间分辨率为100ns，高端配置NT410A可高达800ps。

Microsanj反射率成像系统的组件

下图所示是典型Microsanj反射率热成像系统NT200A系列的构成组件，包括：CCD摄像头、LED照明光源、显微系统、选配温控平台、瞬态热成像模块、高速信号发生器以及Microsanj控制器。其中NT200A由于不具备瞬态热成像功能，不包含瞬态热成像模块TIM2及高速信号发生器。

图5   Microsanj反射率热成像系统构成组件

• CCD摄像头

用于探测随温度变化的物体表面的反射光信号，采用100万-200万像素的集成式CCD摄像系统。

图6    CCD摄像头、LED光源以及显微系统等局部放大图

• LED照明光源

LED照明光源用于为反射率热成像系统提供稳定的照明光源。当需要高空间分辨率时，采用短波长照明，当需要穿透待测样品衬底的时候，采用近红外波长照明。

图7   LED光源

1. 合适的LED波长能够大大提高“反射率-温度系数”的数量级，从而获得高的测试信噪比。下表是一些常见材料推荐的最佳波长：
    

 根据半导体电子器件及光电子器件的特性，NT200系列标准配置为470nm，530nm以及780nm的LED光源各一个；NT300系列标准配置为 1300nm的LED光源一个。

2. 为了能够实现瞬态热成像功能，Microsanj提供的LED光源均可以进行脉冲调制.

显微系统

显微系统直接决定系统的工作距离、视野以及空间分辨率等参数。更高的放大倍数能够获得更高的空间分辨率，但是缩小了视野范围。下表是各个型号的显微物镜的标准配置：

表2  各种型号的物镜放大倍数

• 瞬态热成像模块及高速信号发生器

（1）、瞬态热成像的意义

利用瞬态热成像功能，给待测器件施加一个很小占空比的偏压，此时器件的发热主要集中在有源区，并与周围的衬底材料形成鲜明对比。较之传统的稳态热成像，可以更加方便地探测定位器件的局部热点区域。

利用瞬态热成像功能，获取不同器件随时间变化的瞬态温度分布图，对于预测目前复杂逻辑集成电路等的性能和可靠性是非常重要的。

图8所示是Microsanj提供的瞬态热成像模块及配套使用的高速信号发生器

图8    瞬态热成像模块TIM2以及高速信号发生器

        （2）、Microsanj反射率热成像系统通过控制LED脉冲与待测器件激励时间之间的延迟时间来获得瞬态热成像图谱中的时间值。

图9    瞬态热成像的时序图

• Microsanj控制器200A

控制器200A通过通用接口总线GP-IB将各个系统硬件联系起来形成一个整体，用户可以通过软件设置各个硬件的参数。

图10    Microsanj系统各组件关系图

• 软件SanjVIEW200^TM

SanjVIEW200^TM是一个集数据采集、数据管理、数据分析功能的软件，其功能大致分为三部分：Project Manager, SanjIMAGER^TM, 和 SanjANALYZER^TM。

SanjIMAGER (数据采集)：该功能可以在大量的操作条件下稳定地采集热成像数据，可以平滑温度分布的数据以提高温度分辨率。Microsanj反射率热成像系统的百万级像素、低噪声、高放大倍数等特点可以用于检测器件的缺陷。通过软件的滑条操作，基于采集图像的密度，用户可以通过创建“反射率-温度系数”图层，针对不同的材料区域设置不同的系数值，以达到准确获取不同材料温度的目的。

总结起来，通过SanjIMAGER的采集模块，用户可以进行如下操作：

• 选择“低频温度分布模式”或“瞬态温度分布模式”
• 设置待测器件的各项参数
• 创建“反射率-温度系数”图层
• 保存并管理图像

SanjANALYZER (数据分析)：该功能支持：感兴趣区域数据分析、热截面数据分析、合并实物照片与热成像图。采集的数据可以保存为：JPG、PNG等格式，并提供原始的ASCII数据用以用户利用MATLAB等数据处理软件进行更深层次的分析。

总结起来，通过SanjANALYZER的“分析模块”，用户可以进行如下操作：

• 分析已经保存的热成像数据
• 选择“反射率-温度系数”图层工具，以匹配不同材料区域的“反射率-温度”系数
• 观察并保存横截面的热成像数据
• 观察3-D热成像数据
• 输出图形文件或.avi格式的视频文件
• 计算感兴趣区域的平均温度值

• 反射率热成像技术与红外热成像技术的对比

表3总结了反射率热成像技术和红外热成像技术的关键属性。

表3  反射率热成像技术与红外热成像技术的对比

对比案例1：空间分辨率对比

图11给出了同一个热测试芯片通过两种热成像技术得到的表面温度分布。由于固晶层（die attach）的工艺，两种成像技术都观察到了芯片表面温度分布的不均匀性。但是反射率热成像技术具有更高的空间分辨率，提供了更为强大的细节。

反射率热成像                                                                              红外热成像

图11    反射率热成像与红外热成像的空间分辨率比较

对比案例2：细节温度比较

图12显示的是待测器件在高放大倍数下的比较。通过采取AC测试技术以及脉冲驱动待测器件，反射率热成像技术可以探测到更多的局部温度峰值。由图12可见，反射率热成像系统清晰地获得了宽度为4um的加热线表面的尖锐的温度峰值。

红外热成像                                 反射率热成像

图12 探测局部的峰值温度

典型应用

• 基本功能

（1）高分辨率显示器件的实物照片和表面温度分布

图13   利用反射率热成像系统获得的某微加热器件的实物照片及表面温度分布

（2）用户指定感兴趣区域(ROI)，软件自动对该区域进行数据统计分析

图14   某微加热器件的ROI数据分析

（3）、支持将实物照片与温度分布图叠加在一起

利用软件，可以将待测器件的实物照片与温度分布图像重叠起来，从而方便用户迅速准确定位热点区域

（4）支持多种方式呈现芯片表面温度分布

表面温度分布与截面温度数据分析                                             2D温度分布与3D温度分布 

• 定位缺陷

  该案例是利用Microsanj反射率热成像系统研究太阳能电池表面由于划痕引起的漏电缺陷。

利用Microsanj反射率热成像系统亚微米的空间分辨率，可以穿透玻璃或塑料等封装材料找到并定位缺陷。

• 非破坏性测试封装LED的芯片表面温度分布

光学成像                                      电致发光图                                                温度分布图

软件可以将待测器件的实际照片与热场分布图像进行重叠操作，进而方便用户快速准确定位器件的热点区域与缺陷所在。
通过选用特定波长对LED封装硅脂透明的光源，可以直接进行芯片表面的热成像，不必进行脱帽试验。

• 穿透衬底成像

使用近红外光源，可以得到穿透硅衬底的芯片背面温度分布

由于待测器件结构特殊，如果采用传统的可见光正面反射信号或者是红外热成像的手段，获得的都是表面金属电极的温度数据。而通过穿透衬底的反射率热成像技术，第一次真正意义上获得了有源区超晶格区域的温度数据。

• 瞬态热成像

（1）、某ESD器件的瞬态热成像过程

在该案例中，记录了ESD器件从300ns到170us过程中，热成像的变化过程。其最热区域是随着时间而变化的。

 （2）、某二极管的温度-时间变化曲线

下图展示的是待测二极管在阶跃函数和周期为1ms的脉冲方法驱动下的瞬态温度变化情况

对阶跃函数的温度响应取时间对数坐标，可以清晰地看到两种结构的分界。

（3）皮秒级瞬态热问题研究

采用Microsanj的NT410A产品，瞬态热成像的时间分辨率可高达800ps，下图是利用NT410A研究亚微米级的互联通路的瞬态发热情况：

• 新加坡国立大学利用Micosanj的反射率热成像结果验证MMIC的热模型

• MOSFET阵列的SOA试验

	nldmos三极管阵列脉冲SOA发射率热成像： 脉宽：2.5ms，占空比8%， Vg=2V， Vd=1 to 50v
	由于source电极的过热，在Vds=37V时出现毁灭性失效。
	器件的安全工作区域可以用于可靠性试验中寻找故障。

• GaN HEMT瞬态热成像

上图是GaN HEMT器件在1，,1,100us时的瞬态热图像。

为了准确显示温度分布，每张图像都利用温度-反射率系数定标过。

• 检查IC中Interconnect与Via的完整性

	通过发射率热成像系统的高空间分辨率，可以快速轻松地定位复杂IC中的缺陷或者是高电阻元件。（使用二维的温度分布图取代单点电学法测试结温的方法）
	左图的多晶硅导通链显示了基本一致的功率消耗。如果某个单器件的电阻过高的话，我们可以通过热成像图形清晰地发现。 a) 光学图像 b)热成像   c)剖面温度分布   d)叠加了光学图像和热分布，以直观显示发热的区域

•  检测Ge/Si p-i-n波导型光电二极管仿真模型的准确性

(a)待测器件的灰度图(沟道宽度7.4um) (b)反射率热成像结果。(P型接触上未纯化的铝材料发射信号被噪声淹没，因此该区域的结果应忽略掉) (c)仿真结果 (d)剖面温度分布 表征光电子器件的热性能并验证仿真模型的正确性

• 检测MOSFET器件的栅极缺陷

• 研究大功率MOSFET阵列在高低电流密度下的发热情况

阵列在低电流密度/高电流密度下发热情况比较

上述研究表明：在低电流密度下，沟道两端的温度比较高，中间温度低；在高电流密度下，沟道靠近源极一端温度最高，越靠近漏极，温度越低。

学术背景介绍

Microsanj反射率热成像系统的研发者Dr. Ali Shakouri是美国加州理工大学博士，是公认的纳米技术领域的权威，曾担任加州大学圣克鲁兹分校电子工程系担任教授，目前任职普渡大学Birck纳米技术中心的主任。

Microsanj提供了目前最高分辨率的热成像解决方案，该方法可以用于纳米级电子器件、光电子器件的热设计、热测试，进而用于分析缺陷，进行可靠性测试等。

美国空军研究实验室利用Microsanj反射率热成像系统研究GaN HEMT器件的热特性

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部分客户

Intel Corporation 英特尔公司

Chip Test Solutions

Design Engineering Inc. (DEI)

Infinera 美国英飞朗公司

Instituto de Microelectronica de Barcelona(CSIC) (巴塞罗那微电子研究所)

Nan Yang Technological University Singapore 新加坡南洋理工大学

Purdue University 普渡大学

Raytheon 美国雷神公司

Silicon Image 矽映电子科技

University of California Santa Barbara 圣塔芭芭拉加州大学

中科院西安光机所