关于SanjSCOPE^TM热成像系统

1、 SanjSCOPE^TM热成像系统主要采用基于lock-in手段的反射率热成像技术，结合数字信号处理手段以及先进的软件算法，为用户提供一个集高空间分辨率、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工具。

2、 亚微米量级的空间分辨率：SanjSCOPE^TM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。

3、 极高的瞬态热成像时间分辨率：SanjSCOPE^TM热成像系统具有微秒级（MicroTherm）系列、纳秒级（NanoTherm）系列以及皮秒级PT（PicoTherm）系列，时间分辨率分别为50us，50ns以及800ps，可以满足不同层次的测试需求。

4、 SanjSCOPE^TM热成像系统在TR（反射率热成像）技术的基础上，支持增加IR（红外热成像）功能。通过IR功能可以实现高达15mK的热灵敏度，方便用户在更大视野范围的宏观领域，以进行更低功率量级的热点探测，进而再使用TR功能针对上述热点进行更高空间分辨率下的更细致的分析。

5、 SanjSCOPE^TM热成像系统的研发者Dr. Ali Shakouri毕业于美国加州理工大学，目前任职普渡大学Birck纳米技术中心的主任，是公认的纳米技术领域的权威。

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二、SanjSCOPE^TM热成像系统反射率成像系统的功能

1、测试器件表面温度分布；

2、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。

4、能够分析半导体器件的瞬态热成像过程；

5、准确测试GaN HEMT，GaAs FET等器件以及光电子器件的温度分布及瞬态热成像过程。 

6、利用穿透衬底功能，可以测试flip-chip的背面发热情况。

二、反射率热成像技术的原理

1、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）通过光学手段测试发热器件的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。 

2、SanjSCOPE^TM热成像系统的工作原理

（1）正面热成像原理

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SanjSCOPE^TM热成像系统正面热成像的结构示意图。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。

A、 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；

B、 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（lock-in）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（NT310原理）

图3 穿透衬底热成像原理示意图

  在SanjSCOPE^TM  NT310系统中，照明光源选择近红外波段的LED光源，由于近红外波段对大多数半导体器件的衬底材料(尤其是硅材料)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。因此穿透衬底热成像功能可以用于分析flip-chip等的真实温度分布。

（3）lock-in技术

图4 瞬态热成像原理图

通过调节LED脉冲与器件激励之间的延迟时间，可以在不同的时间点采集温度数据。根据这种方式，通过调节待测器件激励脉冲的时长，SanjSCOPE^TM热成像系统可以准确测试待测器件在热稳定状态下的温度分布以及各个瞬态时刻点的温度分布。

三、 SanjSCOPE^TM热成像系统的型号及技术参数

四、 SanjSCOPE^TM热成像系统所采用的反射率热成像技术与其他技术的对比

1、 常用分析手段对比

2、反射率热成像技术（TR）与IR，拉曼的对比

TR与IR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

TR与IR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。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。

1、GaN HEMT研究

GaN HEMT的栅长是纳米量级的，通过传统的热成像手段很难获得栅极金属的温度分布。

A、 凭借SanjSCOPE^TM热成像系统优异的空间分辨率，以及金属强烈的反射信号，用户可以获得栅极金属的温度分布。

B、 由于GaN材料对可见光透明，因此SanjSCOPE^TM热成像系统支持用户升级紫外方案，对GaN器件的温度分布进行完整而准确的表征

UV 波段 ( 波长<375nm) 是用于对GaN 材料进行反射率热成像测试的理想光源 (~20%反射, 无透射)

530nm (绿光) 是用于对金材料进行反射率热成像测试的理想光源

（1） Cree 的GaN HEMT 样品测试结果

A、测试装置

B、测试条件

1、偏置条件：28V, 500mA

2、加热时间：>30s

3、基板温度：70C

4、测试条件：

        （1）530nm光源， 5X 物镜

        （2）UV光源，5X物镜

        （3）UV光源，20X物镜

        （4）UV光源，60X物镜

        （5）530nm光源，100X物镜

C、标定反射率-温度系数

D、稳态测试结果

D1、使用UV参考光源，在不同放大倍数下的结果比较

D2、使用可见光光源，在5X物镜下的稳态测试结果

D3、使用UV（ 365nm ）光源，在5X物镜下的稳态测试结果

D4、使用UV光源，在60X物镜下的稳态测试结果

D5、使用530nm光源，在100x物镜下的稳态测试结果

UV，60X与530nm,100x稳态结果对比

E、瞬态测试结果

E1、加热曲线

（2）、英国SURREY大学使用SanjSCOPE^TM设备+RF源测试GaN器件

、

(3)、GaN HEMT瞬态测试结果

A、对GaN HEMT施加5us加热脉冲后的瞬态响应

B、使用瞬态温度响应曲线研究使用SiC衬底与金刚石衬底的性能对比。时间分辨率：50ns

C、GaN HEMT沟道超快速瞬态过程记录

2、GaAs MMIC

某GaAs MMIC在20X镜头下

3、 光电子器件

（1）、InP 激光器测试

（2）、Ge/Si p-i-n 波导光电二极管测试

（3）、  研究太阳能电池背面由于划片槽引起的缺陷

该案例是利用SanjSCOPETM热成像系统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。

（4）、非破坏性测试封装LED的芯片表面温度分布

（5）、激光器测试

A、使用530nm，在5X物镜下的稳态测试结果（电流200mA，基板温度25℃）

6、ESD静电保护器件

（1）、某ESD器件的瞬态热成像过程

4、 热点探测

（1）、某样品的热点探测

（2）、MOSFET栅极金属的热点探测

（3）、GaN HEMT故障分析

五、 MOSFET器件

在MOSFET器件中增加纳米线结构，有助于提高MOSFET的性能，但同时也增加了热管理上的挑战

六、 研究IGBT的current filament现象

不同V_DC, V_GE值下，经过多个短路脉冲后的温度成像图

七、 IC测试

（1）、对某IC的闩锁进行瞬态测试

§ 通过与IC的启动序列进行同步，瞬态温度图可以显示功率循环的不同阶段

§ 对于具有高耗散功率以及差散热的器件，可以使用低占空比来限制整体加热。这样可以防止对器件引起只会在直流偏压下造成的破坏。

（2）、检查IC中 Interconnect 与 Via 的完整性

部分客户名单

商业客户

•  清华大学

•  复旦大学

•  西安电子科技大学

•  北京航空航天大学杭州创新研究院

•  上海大学

•  华为技术有限公司

•  中国电子技术标准化研究院 （电子四院）

•  中国电子产品可靠性与环境试验研究所 (电子五所)

•  季华实验室

•  三安集成电路

•  中科院西安光机所

•  Intel Corporation  英特尔

•  Apple 苹果

•  Qualcomm  高通

•  Raytheon   雷神

•  Analog Devices  模拟器件

•  Air Force Research Lab

•  Radiant Optronics Pte Ltd

•  Protochips, Inc.

•  ATN Japan

•  Western Digital

•  Infinera  

•  Silicon Image

•  MaCOM Ireland  

•  Mellanox-Kotura

•  Georgia Tech         

•  Test Asia Equipments Pte Ltd

•  Design Engineering Inc. (DEI)    

•  Chip Test Solutions

•  BSW Test Systems AG

•  三安集成电路

大学及科研机构

• Birck Nanotechnology Center

• University of Cincinnati

• Penn State University

• University of Surrey

• 加州大学伯克利分校

• National University of Singapore

• Instituto de Microelectronica de Barcelona

• University of California at Santa Barbara

• Nanyang Technological University of Singapore

• Air Force Research Lab

• 中科院西安光机所

合作研究机构

• Agilent Technologies

• Sharp

• Altera Corporation

• Silicon Frontline

• A*Star Singapore

• SimTech

• CNES

• Si-Ware Systems

• ESA

• Stanford University

• Georgia Tech

• ST Microelectronics

• Maxim Integrated

• Texas Instruments (National Semiconductor)

• Nvidia

• Thales

• OnSemi

• Thermal Engineering Associates

• Package Science Services

• University of California at Santa Cruz

• Philips Electronics

• Wavetek

• Purdue University