全光纖式設(shè)計的器件微米尺度溫度分布的測量方法及系統(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)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種全光纖式設(shè)計的器件微米尺度溫度 分布的測量方法及系統(tǒng)，尤其涉及一種利用光學(xué)手段對器件高溫點進(jìn)行快速發(fā)現(xiàn)與檢測的 方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)界對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，可能會導(dǎo)致器件性能退化或損 傷。為了避免對器件的災(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，還與集成電路的質(zhì)量有關(guān)，往往很難先驗預(yù)測。目前，微電子 學(xué)器件的溫度測量方法主要采用拉曼光譜技術(shù)，其測量的精度、效率和速度都受到限制，且 無法對面目標(biāo)進(jìn)行高分辨率測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種全光纖式設(shè)計的器件微米尺度溫度分 布的測量方法及系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種全光纖式設(shè)計的器件微米尺度 溫度分布的測量方法步驟如下：
[0005] 步驟1、將稀土薄膜涂覆在待測量的器件樣品表面；所述的稀土薄膜是將摩爾比 為100 :10 :5的β -NaLuF4、Yb3+和Ho 3+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)的兩種不同波長的熒光；
[0007] 步驟3、將兩種不同波長的熒光分離，并將不同波長熒光下的稀土薄膜分別成像；
[0008] 步驟4、對不同波長熒光下的稀土薄膜成像分別進(jìn)行解調(diào)，通過計算不同波長熒光 下的稀土薄膜成像對應(yīng)點的能量比，獲得待測量器件表面的二維溫度分布，兩種不同波長 的熒光的能量比
其中，B為常數(shù)，通過溫度定標(biāo)方法確定，定標(biāo)時，測 量溫度?\時的能量比n i，在已知Δ E和k時就能夠得到Β，Δ E為熱耦合能級差，取值為 0. 188eV，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為待測量器件樣品表面的溫度。
[0009] 本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)全光纖式設(shè)計的器件微米尺度溫度分布測量的系統(tǒng)，包括 激光器、光纖環(huán)形器、光纖透鏡，稀土薄膜、光纖親合器、第一光纖準(zhǔn)直器、第一濾光片、第三 光纖準(zhǔn)直器、第一探測器和第二光纖準(zhǔn)直器、第二濾光片、第三光纖準(zhǔn)直器、第二探測器、三 維位移平臺。
[0010] 所述的稀土薄膜涂覆在待測量器件樣品表面，待測量器件樣品固定于三維位移平 臺上；所述激光器發(fā)出的激發(fā)光源經(jīng)光纖耦合輸出后由端口 1進(jìn)入光纖環(huán)形器，由光纖環(huán) 形器的端口 2輸出，經(jīng)光纖透鏡會聚于稀土薄膜表面；通過三維位移平臺調(diào)整光束經(jīng)過光 纖透鏡后在稀土薄膜表面的會聚點位置；稀土薄膜受激發(fā)光源激發(fā)后發(fā)出兩種不同波長的 熒光，兩種熒光混合在一起被光纖透鏡收集，從端口 2進(jìn)入光纖環(huán)形器并從端口 3輸出，經(jīng) 光纖耦合器分為光束1和光束2,光束1和光束2分別經(jīng)第一光纖準(zhǔn)直鏡和第二光纖準(zhǔn)直 鏡準(zhǔn)直到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1的光通過，第二濾光片僅允許波長2的光通過；濾波后波長1的熒光經(jīng)第三 光纖準(zhǔn)直器收集傳導(dǎo)到第一探測器，波長2的熒光經(jīng)第四光纖準(zhǔn)直器收集傳導(dǎo)到第二探測 器；通過對第一探測器和第二探測器所探測到的信號進(jìn)行解調(diào)，計算兩種不同波長熒光的 能量比，獲得待測量器件表面位于光纖透鏡焦點處表面的溫度；通過調(diào)整三維位移平臺使 光纖透鏡的聚焦點遍歷稀土薄膜表面，得到待測量器件樣品表面的二維溫度分布。
[0011] 所述的光纖環(huán)形器僅允許光束從端口 1進(jìn)入并從端口 2輸出，或者從端口 2進(jìn)入 并從端口 3輸出。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：具有測溫快、精度高等優(yōu)點，并能夠?qū)崟r器件表面某點的溫 度分布狀況。同時，由于系統(tǒng)中使用了光纖透鏡，光纖透鏡具有會聚激發(fā)光源和收集熒光信 息的雙重作用。通過三維位移平臺移動光束通過光纖透鏡后在被測樣品表面的聚焦點位 置，可以實現(xiàn)被測樣品表面不同點溫度的測量，通過移動光纖的聚焦點位置在被測樣品表 面做二維掃描，還可以測量獲得被測樣品表面的二維溫度場分布。因為光纖透鏡焦點較小， 這一方法的測量精度很高，對微米尺度的器件表面溫度的測量同樣適用。
【附圖說明】
[0013] 圖1是全光纖式設(shè)計的器件微米尺度溫度分布的測量系統(tǒng)示意圖。
[0014] 圖中，1-激光器，2-光纖環(huán)形器，3-光纖透鏡，4-附有稀土薄膜的器件樣品，5-光 纖親合器，6-第一光纖準(zhǔn)直器，7-第二光纖準(zhǔn)直器，8-第一濾光片，9-第二濾光片，10-光第 三纖準(zhǔn)直器，11-第四光纖準(zhǔn)直器，12-第一探測器，13-第二探測器，14-三維位移平臺。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0016] 本發(fā)明的思想在于：
[0017] 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，當(dāng)該稀土發(fā)光薄膜涂覆于待測量器件表 面時，在外界激光光源激發(fā)下，薄膜會產(chǎn)生兩種不同波長的熒光，并且隨器件溫度不同，兩 種不同波長熒光的能量不同。通過探測并計算稀土薄膜表面某一點處兩種不同波長熒光的 能量比，即可以獲得該點處待測量器件表面溫度。因為光束的聚焦點可以達(dá)到微米尺寸，通 過控制光束聚焦點在器件表面的位置，即可以實現(xiàn)器件表面微米尺度的溫度測量分辨率。
[0018] 本發(fā)明提供的一種全光纖式設(shè)計的器件微米尺度溫度分布的測量方法步驟如 下：
[0019] 步驟1 :將稀土薄膜涂覆在待測量的器件樣品表面，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Ho 3+粉末均勻 涂覆在透明的塑料薄膜表面；
[0020] 步驟2 :將激光照射到稀土薄膜表面某一點，由于稀土粒子具有熱耦合能級，稀土 發(fā)光薄膜受激發(fā)出的兩種波長的熒光對環(huán)境溫度敏感，隨器件溫度不同，不同波長熒光的 能量不同，采集稀土薄膜激發(fā)的兩種波長的熒光；
[0021] 步驟3 :使用光纖透鏡、光纖環(huán)形器、濾光片、光纖準(zhǔn)直器等器件將兩個不同波長 的熒光分離并傳輸?shù)教綔y器上；
[0022] 步驟4:對兩個不同熒光的能量分別進(jìn)行解調(diào)，通過計算兩種不同波長熒光的能 量比，獲得待測量器件表面某點處的溫度，兩束波長的能量比和溫度滿足以下關(guān)系：
[0024] 其中，η為兩束不同波長熒光的能量比，B為常數(shù)，通過溫度定標(biāo)方法確定，定標(biāo) 時，測量溫度?\時的能量比η :，在已知Δ Ε和k時就能夠得到Β，Δ Ε為熱耦合能級差，其 對上述使用的稀土薄膜取值為〇. 188eV，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為待測量器件樣品表面的溫 度。
[0025] 本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)全光纖式設(shè)計的器件微米尺度溫度分布測量的系統(tǒng)，包括 激光器1、光纖環(huán)形器2、光纖透鏡3,稀土薄膜4,光纖耦合器5、以及設(shè)置于光纖耦合器5之 后光路中的第一光纖準(zhǔn)直器6、第一濾光片8、第三光纖準(zhǔn)直器10、第一探測器12和第二光 纖準(zhǔn)直器7、第二濾光片9、第三光纖準(zhǔn)直器1