[论文解读] CCD Thermoreflectance Thermography System: Methodology and Experimental Validation

Pavel L. Komarov, Mihai Burzo+1 more|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Thermography and Photoacoustic Techniques参考文献 19被引用 10

一句话总结

本文提出了一种CCD热反射率热成像系统，能够以亚微米空间分辨率（最低达0.2 µm）测量微电子器件表面的温度场分布，最高可达512×512个数据点。通过将反射率变化校准为绝对温度，该系统实现了高精度的热成像，经激光测量方法和电阻测量方法验证，结果高度一致。

ABSTRACT

This work introduces a thermoreflectance-based system designed to measure the surface temperature field of activated microelectronic devices at submicron spatial resolution with either a laser or a CCD camera. The article describes the system, outlines the measurement methodology, and presents validation results. The thermo-reflectance thermography (TRTG) system is capable of acquiring device surface temperature fields at up to 512x512 points with 0.2 $μ$m resolution. The setup and measurement methodology are presented, along with details of the calibration process required to convert changes in measured surface reflectivity to absolute temperatures. To demonstrate the system's capabilities, standard gold micro-resistors are activated and their surface temperature fields are measured. The results of the CCD camera and our existing laser-based measurement approaches are compared and found to be in very good agreement. Finally, the system is validated by comparing the temperatures obtained with the TRTG method with those obtained from electrical resistance measurements.

研究动机与目标

• 开发一种用于微电子器件的高分辨率、非接触式热成像系统。
• 利用热反射率原理实现在表面温度分布测量中的亚微米空间分辨率。
• 将反射率变化校准为绝对温度，以实现定量热分析。
• 将基于CCD的系统与现有的激光热反射率测量方法及电学电阻测量方法进行对比验证。
• 在微电阻器处于工作状态时，展示该系统在标准金微电阻器上的应用能力。

提出的方法

• 该系统利用CCD相机捕获微电子器件表面因温度变化引起的反射率变化。
• 热反射率基于金属表面（特别是金）的反射率随温度变化的特性，金作为热传感器。
• 通过校准程序，利用已知的热参考标准，将测得的反射率变化转换为绝对温度值。
• 该装置实现了512×511的空间分辨率，像素尺寸为0.2 µm，可实现详细的热成像。
• 该方法应用于通电状态下的金微电阻器，以生成温度场分布图。
• 通过激光热反射率测量和电学电阻测量对结果进行交叉验证，以确保准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于CCD的热反射率系统是否能够在微电子器件的热成像中实现亚微米空间分辨率？
• RQ2 通过校准，该系统将反射率变化转换为绝对温度值的精度如何？
• RQ3 基于CCD的系统性能与已建立的激光热反射率方法相比如何？
• RQ4 所测得的温度场与基于电学电阻的温度读数之间的相关性如何？
• RQ5 该系统是否能够可靠地实现高空间分辨率和高热分辨率的活性微电阻器热分布映射？

主要发现

• CCD热反射率系统实现了0.2 µm的空间分辨率，能够对微电子器件进行详细的热成像。
• 温度场测量点数最高可达512×512个，实现了器件表面高分辨率的热数据采集。
• 基于CCD的测量结果与现有激光热反射率系统测得的结果高度一致。
• 系统的温度校准使得反射率变化能够准确转换为绝对温度值。
• 与电学电阻测量结果的验证证实了热反射率热成像结果的可靠性和准确性。