基于光纖透鏡的器件微米尺度溫度分布的測(cè)量方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于器件溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種器件微米尺度二維溫度分布的測(cè)量 方法及系統(tǒng)，尤其涉及一種利用光學(xué)手段對(duì)器件高溫點(diǎn)進(jìn)行快速發(fā)現(xiàn)與檢測(cè)的方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)界對(duì)電子器件性能需求的提升，其元器件的尺寸不斷減小，微米、納米電 子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種大規(guī)模集成電路。這種小尺寸的電子器件電阻阻抗通常比較 大，使得焦耳熱效應(yīng)不可忽略。電子器件通道內(nèi)的局域阻抗非常小的變化，就有可能在電子 器件上產(chǎn)生局部高溫。局部高溫區(qū)域如果不被發(fā)現(xiàn)和處理，可能會(huì)導(dǎo)致器件性能退化或損 傷。為了避免對(duì)器件的災(zāi)難性破壞，準(zhǔn)確獲得局部高溫區(qū)域的位置至關(guān)重要。但是，局域高 溫位置不僅依賴于器件設(shè)計(jì)，還與集成電路的質(zhì)量有關(guān)，往往很難先驗(yàn)預(yù)測(cè)。目前，微電子 學(xué)器件的溫度測(cè)量方法主要采用拉曼光譜技術(shù)，其測(cè)量的精度、效率和速度都受到限制，且 無(wú)法對(duì)面目標(biāo)進(jìn)行高分辨率測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于光纖透鏡的器件微米尺度溫度分 布的測(cè)量方法及系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于光纖透鏡的器件微米尺度 溫度分布的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0005] 步驟1、將稀土薄膜涂覆在待測(cè)量的器件樣品表面；所述的稀土薄膜是將摩爾比 為100 :10 :5的β-NaLuF4、Yb3+和Ho3+粉末均勻涂覆在透明的塑料薄膜表面；
[0006] 步驟2、將激光照射到稀土薄膜表面，采集稀土薄膜激發(fā)的兩種不同波長(zhǎng)的熒光；
[0007] 步驟3、將兩種不同波長(zhǎng)的熒光分離，并將不同波長(zhǎng)熒光下的稀土薄膜分別成像；
[0008] 步驟4、對(duì)不同波長(zhǎng)熒光下的稀土薄膜成像分別進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)計(jì)算不同波長(zhǎng)熒光 下的稀土薄膜成像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的能量比，獲得待測(cè)量器件表面的二維溫度分布，兩種不同波長(zhǎng)
其中，B為常數(shù)，通過(guò)溫度定標(biāo)方法確定，定標(biāo)時(shí)，測(cè) 量溫度?\時(shí)的能量比η:，在已知ΔE和k時(shí)就能夠得到Β，ΔE為熱耦合能級(jí)差，取值為 0. 188eV，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為待測(cè)量器件樣品表面的溫度。
[0009] 本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)基于光纖透鏡的器件微米尺度溫度分布測(cè)量的系統(tǒng)，包括 激光器、第一光纖準(zhǔn)直器、第一分光鏡、第二光纖準(zhǔn)直器、光纖透鏡、稀土薄膜、第二分光鏡、 第三光纖準(zhǔn)直器、第五光纖準(zhǔn)直器、第一濾光片、第七光纖準(zhǔn)直器、第一探測(cè)器和第四光纖 準(zhǔn)直器、第六光纖準(zhǔn)直器、第二濾光片、第八光纖準(zhǔn)直器、第二探測(cè)器、三維位移平臺(tái)。
[0010] 所述的稀土薄膜涂覆在待測(cè)量器件樣品表面，待測(cè)量器件樣品固定于三維位移平 臺(tái)上；所述激光器發(fā)出的激發(fā)光源經(jīng)第一光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后直透過(guò)第一分光鏡，被第二光 纖準(zhǔn)直器收集，經(jīng)光纖透鏡會(huì)聚于稀土薄膜表面；通過(guò)三維位移平臺(tái)調(diào)整激發(fā)光源在稀土 薄膜表面的會(huì)聚點(diǎn)位置；稀土薄膜受激發(fā)光源激發(fā)后發(fā)出兩種不同波長(zhǎng)的熒光，兩種熒光 混合在一起被光纖透鏡收集，經(jīng)第二光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直并被第一分光鏡反射，到達(dá)第二分光 鏡，分為光束1和光束2兩束；光束1和光束2分別經(jīng)第三光纖準(zhǔn)直鏡和第四光纖準(zhǔn)直鏡收 集，分別被第五光纖準(zhǔn)直鏡和第六光纖準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，到達(dá)第一濾光片和第二濾光片，第一濾 光片和第二濾光片均為窄帶濾光片，第一濾光片僅允許波長(zhǎng)1的光通過(guò)，第二濾光片僅允 許波長(zhǎng)2的光通過(guò)；濾波后波長(zhǎng)1的熒光經(jīng)第七光纖準(zhǔn)直器收集傳導(dǎo)到第一探測(cè)器，波長(zhǎng)2 的熒光經(jīng)第八光纖準(zhǔn)直器收集傳導(dǎo)到第二探測(cè)器；通過(guò)對(duì)第一探測(cè)器和第二探測(cè)器所探測(cè) 到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，計(jì)算兩種不同波長(zhǎng)熒光的能量比，獲得待測(cè)量器件表面位于光纖透鏡 焦點(diǎn)處表面的溫度；通過(guò)調(diào)整三維位移平臺(tái)，使光纖透鏡的聚焦點(diǎn)遍歷稀土薄膜表面，得到 樣品表面的二維溫度分布。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：具有測(cè)溫快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并能夠?qū)崟r(shí)顯示器件表面某點(diǎn) 的溫度分布狀況。同時(shí)，由于系統(tǒng)中使用了光纖透鏡，光纖透鏡具有會(huì)聚激發(fā)光源和收集熒 光信息的雙重作用。通過(guò)三維位移平臺(tái)移動(dòng)光束通過(guò)光纖透鏡后在被測(cè)樣品表面的聚焦點(diǎn) 位置，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品表面不同點(diǎn)溫度的測(cè)量，通過(guò)移動(dòng)光纖的聚焦點(diǎn)位置在被測(cè)樣品 表面做二維掃描，還可以測(cè)量獲得被測(cè)樣品表面的二維溫度場(chǎng)分布。因?yàn)楣饫w透鏡焦點(diǎn)較 小，這一方法的測(cè)量精度很高，對(duì)微米尺度的器件表面溫度的測(cè)量同樣適用。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是基于光纖透鏡的器件微米尺度溫度分布的測(cè)量系統(tǒng)示意圖。
[0013] 圖中，1-激光器，2-第一光纖準(zhǔn)直器，3-第一分光鏡，4-第二光纖準(zhǔn)直器，5-光纖 透鏡，6-稀土薄膜，7-第二分光鏡，8-第三光纖準(zhǔn)直器，9-第四光纖準(zhǔn)直器，10-第五光纖準(zhǔn) 直器，11-第六光纖準(zhǔn)直器，12-第一濾光片，13-第二濾光片，14-第七光纖準(zhǔn)直器，15-第八 光纖準(zhǔn)直器，16-第一探測(cè)器，17-第二探測(cè)器，三維位移平臺(tái)18。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施 例。
[0015] 本發(fā)明的思想在于：
[0016] 具有良好電絕緣性和熱傳導(dǎo)性的稀土發(fā)光薄膜，內(nèi)部均勻分散有微米或亞微米尺 度的稀土發(fā)光粉。由于稀土粒子具有熱耦合能級(jí)，當(dāng)該稀土發(fā)光薄膜涂覆于待測(cè)量器件表 面時(shí)，在外界激光光源激發(fā)下，薄膜會(huì)產(chǎn)生兩種不同波長(zhǎng)的熒光，并且隨器件溫度不同，兩 種不同波長(zhǎng)熒光的能量不同。通過(guò)探測(cè)并計(jì)算稀土薄膜表面某一點(diǎn)處兩種不同波長(zhǎng)熒光的 能量比，即可以獲得該點(diǎn)處待測(cè)量器件表面溫度。因?yàn)楣馐木劢裹c(diǎn)可以達(dá)到微米尺寸，通 過(guò)控制光束聚焦點(diǎn)在器件表面的位置，即可以實(shí)現(xiàn)器件表面微米尺度的溫度測(cè)量分辨率。
[0017] 本發(fā)明提供的一種基于光纖透鏡的器件微米尺度溫度分布的測(cè)量方法步驟如 下：
[0018] 步驟1 :將稀土薄膜涂覆在待測(cè)量的器件樣品表面，該薄膜具有良好的電絕緣性 和熱傳導(dǎo)性；所述的稀土薄膜是將摩爾比為100 :1〇 :5的β-NaLuF4、Yb3+和Ho3+粉末均勻 涂覆在透明的塑料薄膜表面；
[0019] 步驟2 :將激光照射到稀土薄膜表面某一點(diǎn)，由于稀土粒子具有熱耦合能級(jí)，稀土 發(fā)光薄膜受激發(fā)出的兩種波長(zhǎng)的熒光對(duì)環(huán)境溫度敏感，隨器件溫度不同，不同波長(zhǎng)熒光的 能量不同，采集稀土薄膜激發(fā)的兩種波長(zhǎng)的熒光；
[0020] 步驟3 :使用光纖透鏡、分光鏡、濾光片、光纖準(zhǔn)直器等器件將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的熒 光分離并傳輸?shù)教綔y(cè)器上；
[0021] 步驟4:對(duì)兩個(gè)不同熒光的能量分別進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)計(jì)算兩種不同波長(zhǎng)熒光的能 量比，獲得待測(cè)量器件表面某點(diǎn)處的溫度，兩束波長(zhǎng)的能量比和溫度滿足以下關(guān)系：
[0023] 其中，η為兩束不同波長(zhǎng)熒光的能量比，B為常數(shù)，通過(guò)溫度定標(biāo)方法確定，定標(biāo) 時(shí)，測(cè)量溫度?\時(shí)的能量比ni，在已知ΔΕ和k時(shí)就能夠得到Β，ΔΕ為熱耦合能級(jí)差，其 對(duì)上述使用的稀土薄膜取值為〇. 188eV，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為待測(cè)量器件樣品表面的溫 度。
[0024] 本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)基于光纖透鏡的器件微米尺度溫度分布測(cè)量的系統(tǒng)，包括 激光器1、第一光纖準(zhǔn)直器2、第一分光鏡3、第二光纖準(zhǔn)直器4、光纖透鏡5、稀土薄膜6,第 二分光鏡7、以及設(shè)置于第二分光鏡之后光路中的第三光纖準(zhǔn)直器8、第五光纖準(zhǔn)直器10、 第一濾光片12、第七光纖準(zhǔn)直器14、第一探測(cè)器16和第四光纖準(zhǔn)直器