一种热成像装置及热成像方法与流程

1.本技术属于半导体设备领域，更具体地说，是涉及一种热成像装置及热成像方法。


背景技术：

2.半导体芯片是现代计算核心部件之一，对实现现代计算架构、电力电子、可重写媒体以及数据存储和传输都是至关重要的。然而，随着这些芯片性能的不断提高，支持主要功能元件(如晶体管等)的特征尺度越来越小。由于芯片尺寸方面存在的物理极限导致摩尔定律的失效，芯片的自发热是亟待解决的关键瓶颈问题。对芯片进行有效的热设计和热管理需要先知道芯片的温度分布和结温，问题关键在于如何精确测量芯片的温度，因此对芯片进行有效的显微热反射成像是一个非常重要的技术。
3.目前现有的半导体芯片虽然以硅基芯片为主流，但以氮化镓(gan)和碳化硅(sic)和金刚石为代表的宽禁带和超宽禁带半导体领域，处于从研发走向全面应用的发展阶段，由于其宽禁带、对可见光透明的特点使得针对传统半导体如硅器件的光学测温技术存在极大挑战。目前现有的热反射成像装置一般采用可见光波段的光线进行探测(例如常用的532nm波长的绿光)，但由于此类光线的能量远小于对氮化镓等半导体的禁带宽度(禁带宽度约3.2ev)，导致此类光线对宽禁带芯片呈透明，无法对其进行热反射成像，急需开发针对宽禁带半导体器件的新型测温及显微热反射成像技术。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种热成像装置及热成像方法，以解决现有技术中存在的热成像装置难以对宽禁带芯片进行热反射成像的技术问题。
5.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案是：
6.一方面，本技术实施例提供了一种热成像装置，用于检测待测芯片的表面温度，包括：
7.光源组件，用于发射预设波长的光线；
8.反射层，设置于所述待测芯片的表面，且所述反射层的禁带宽度小于所述光源所发出光线的能量；
9.反射组件，用于将所述光源所发出的光线反射至所述待测芯片表面的所述反射层；
10.成像组件，用于接收经由所述反射层反射的光线并输出所述待测芯片表面的图像。
11.可选地，所述反射层为过渡金属硫化物层。
12.可选地，所述反射层为二硫化钼层。
13.可选地，所述光源组件包括光源和用于扩束和准直所述光源所发出光线的透镜组。
14.可选地，所述光源为可见光光源，和/或，所述光源为非相干光源。
15.可选地，所述热成像装置还包括位于所述反射组件和所述待测芯片之间的聚焦镜。
16.可选地，所述热成像装置还包括用于放置待测芯片且用于自动聚焦的自动聚焦组件。
17.本技术实施例提供的一种热成像装置至少具有如下有益效果：与现有技术相比，本技术实施例提供的热成像装置，其可以用于测量待测芯片的表面温度，通过光源组件发射预设波长的光线，同时由于反射层的禁带宽度会小于光线的能量，使反射层能够将光线反射至成像组件上，最后由成像组件输出待测芯片表面的图像，从而获得待测芯片表面的温度信息。如此，通过待测芯片表面的反射层来反映待测芯片的表面温度，有效解决了因待测芯片材料的禁带宽度大于光源组件的光线能量所导致的光线直接透过待测芯片的问题，使热反射成像装置也能够对宽禁带芯片进行热反射成像。
18.另一方面，本技术实施例还提供了一种热成像方法，采用上述的热成像装置，包括如下步骤：
19.制备步骤，制备所述反射层，并将所述反射层转移至所述待测芯片的表面；
20.校准步骤，所述光源组件分别向不同温度下的所述待测芯片发射光线，光线经由所述反射层反射至所述成像组件，所述成像组件分别输出不同温度下的图像，根据不同温度下图像的灰度值变化得到反射层的热反射系数；
21.热成像步骤，将所述待测芯片放入所述热成像装置中并通电，以获取当前条件下的图像，并根据所述待测芯片通电前的图像信息和所述反射层的热反射系数得到当前条件下的温度分布图像。
22.可选地，通过化学气相沉积法在基材上生长出过渡金属硫化物，从所述基材上剥离单层过渡金属硫化物以获得所述反射层。
23.可选地，所述校准步骤中，利用加热部件加热所述待测芯片至不同的温度，并至少测试获取在两个不同温度下的所述待测芯片的图像。
24.本技术实施例提供的一种热成像方法至少具有如下有益效果：与现有技术相比，本技术实施例提供的热成像方法，通过上述的热成像装置对待测芯片进行热反射成像，利用禁带宽度小于光源组件的光线能量的反射层，来反映待测芯片的表面温度，有效解决了现有技术中因待测芯片的禁带宽度过大所导致的无法对待测芯片进行热反射成像的问题，满足芯片的热反射成像测温需求。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本技术实施例提供的热成像装置的结构示意图。
27.其中，图中各附图标记：
28.10、光源组件；11、光源；12、透镜组；20、反射组件；21、反射镜；30、成像组件；40、自动聚焦组件；50、聚焦镜；60、待测芯片；61、反射层。
具体实施方式
29.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
31.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
32.在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例/实施方式的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本技术中各个具体技术特征/实施例/实施方式的各种可能的组合方式不再另行说明。
33.目前，现有的热成像装置一般采用可见光波段的光线进行探测(例如常用的532nm波长的绿光)，但由于此类光线的能量远小于对氮化镓等半导体的禁带宽度(禁带宽度约3.2ev)，导致此类光线对宽禁带芯片呈透明，无法对其表面进行热反射成像。而现有的一些热成像装置，其选用紫外光源来进行成像，这便使得热成像装置中的各类光学器件需要具有紫外光高透性能，同时需要对紫外光有很大量子效率的成像组件，并且考虑到传统半导体材料需要采用可见光进行热反射成像，这样就需要对基于不同半导体材料的器件切换不同波长的光源及对应的光路元件，大大增加了设备使用的复杂性及装置成本，难以推广应用。
34.由此，本技术实施例提供了一种热成像装置及热成像方法，其能够对宽禁带的半导体芯片进行热反射成像，并且也可以适用于传统的半导体芯片，以解决现有技术中存在的热成像装置难以对宽禁带芯片进行热反射成像的技术问题。
35.请参考图1，本技术实施例提供的热成像装置包括光源组件10、反射层61、反射组件20和成像组件30，具体地，在本实施例的成像装置用于检测待测芯片60表面的温度时，可以先将待测芯片60放置在检测工位上，将预先制备好的反射层61设置在芯片的表面上。而后利用光源组件10发射出预设波长的光线，该光线的能量高于反射层61的禁带宽度，光线可以照射至反射组件20上，反射组件20将该光线反射至待测芯片60表面上的反射层61上，光线经过反射层61的反射，会照射至成像组件30上，利用成像组件30输出待测芯片60表面的图像，从而获得待测芯片60表面的温度信息。通过这样的设计，利用待测芯片60表面的反射层61来反映待测芯片60的表面温度，并且由于反射层61的禁带宽度小于光源11的光线能量，使得反射层61不会对光线透明，能够有效地将光线反射至成像组件30上，如此，即便待
测芯片60的禁带宽度大于光源11的光线能量，也不会影响光线在待测芯片60表面的反射层61上进行反射并成像，有效解决了现有的热成像装置难以适用于宽禁带芯片的温度测量。同时，在测量不同禁带宽度的待测芯片60时，无需更换热成像装置中光源11灯器件，有效降低了热成像装置的复杂性和装置成本，具有结构简单且操作便利的特点。
36.作为本实施例的其中一种可选实施方式，反射层61可以为过渡金属硫化物层，具体地，过渡金属硫化物的二维层状材料的禁带宽度一般在1.5ev左右，其禁带能量低于常用的光源组件10的光线能量，例如常用的532nm波长的绿光，并且过渡金属硫化物不会对待测芯片60的电学性能产生干扰，保证待测芯片60的正常运行。如此，便能够使光源组件10的光线在芯片表面的反射层61反射，以便于获取待测芯片60表面的温度数据。
37.具体地，作为本实施例的其中一种可选实施方式，反射层61可以为二硫化钼层，当然，反射层61也可以为其他合适的材料制成，例如二硫化钨等。具体应用中，反射层61可以为单层二硫化钼层，其厚度可以在纳米尺度内，如此，当反射层61转移至待测芯片60的表面时，厚度极薄的反射层61能够紧贴在待测芯片的表面上，使得反射层61能够有效地反映待测芯片60的表面温度，提高检测的精确性。
38.作为本实施例的其中一种可选实施方式，请参考图1，光源组件10包括光源11和透镜组12，透镜组12可以位于光源11和反射组件20之间，光源11所发出的光线可以先经由透镜组12，再照射至反射组件20上，如此，可以利用透镜组12对光源11的光线进行扩束及准直等操作，有利于提高热成像装置的精确性。
39.具体地，作为本实施例的其中一种可选实施方式，光源11可以为可见光光源，具体地，该光源11能够发射可见光波段内的光线，例如发射532nm波长的绿光led(light-emitting diode，发光二极管)光源，如此，热成像装置中的透镜组12、反射组件20及成像装置等光学部件可以选用现有可见光热成像装置中的光学部件，而无需对紫外光具有高透性，以降低热成像装置的成本，同时也方便热成像装置对传统半导体芯片的测量，而无需更换各部件，提高热成像装置的实用性。
40.具体应用中，本实施例所检测的待测芯片60可以为氮化镓芯片、碳化硅芯片、氧化锌芯片或金刚石芯片，此类半导体芯片具有较宽的禁带宽度，对一般可见光呈透明，无法利用可见光进行有效成像，而本实施例的反射层61能够反映此类半导体芯片的表面温度，同时对可见光不透明，能够在成像组件30上成像。当然，本实施例所检测的待测芯片60可以为传统半导体芯片，例如硅基芯片、锗基芯片等，并且在此类待测芯片60时，可以在其表面上设置反射层61，也可以不设置反射层61。
41.具体地，作为本实施例的其中一种可选实施方式，光源11可以为非相干光源，该光源11所发射的光线具有非相干性，能够降低反射层61对光线的干涉效应，提高热成像装置的测量精度。
42.作为本实施例的其中一种可选实施方式，请参考图1，热成像装置还包括聚焦镜50，聚焦镜50可以设置在反射组件20和待测芯片60之间，聚焦镜50可以将反射组件20所反射的光线聚焦至待测芯片60表面上的反射层61上，有利于提高热成像精度。
43.作为本实施例的其中一种可选实施方式，请参考图1，热成像装置还包括自动聚焦组件40，具体应用中，在检测待测芯片60时，可以将待测芯片60放置在自动聚焦组件40上，自动聚焦组件40可以调整待测芯片60与成像组件30的相对位置，具体地，自动聚焦组件40
可以沿水平方向或竖直方向移动待测芯片60，从而使待测芯片60的表面能够位于成像组件30的焦点上，进而获得清晰的图像。并且，当待测芯片60通电运行并发热时，待测芯片60可能会出现膨胀，自动聚焦组件40可以调整待测芯片60位置，以使成像组件30能够获得清晰的图像，相应地，在待测芯片60降温恢复时，也可以通过自动聚焦组件40调整，以保证成像组件30所输出图像的清晰度。
44.作为本实施例的其中一种可选实施方式，请参考图1，反射组件20包括反射镜21，具体地，该反射镜21可以为分束镜，分束镜可以倾斜设置，光源11与待测芯片60可以垂直设置(垂直指光源11照射至分束镜的光线与分束镜反射至待测芯片60的光线垂直)，待测芯片60可以与成像组件30相向设置。如此，当光源11的光线照射至分束镜处时，分束镜可以将光线反射至待测芯片60的反射层61上，经过反射层61的反射后，可以透过分束镜落在成像组件30上。当然，在别的实施方式中，光源组件10、待测芯片60、成像组件30及反射组件20的相对位置可以根据实际情况合理调整，本实施方式不加以限制。
45.作为本实施例的其中一种可选实施方式，成像组件30可以为面阵相机，当反射层61反射的光线照射至面阵相机上时，面阵相机可以输出对应的图像。具体应用中，面阵相机可以为ccd(charge-coupled device，电荷耦合器件)相机，也可以为cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)相机。
46.本技术实施例提供的一种热成像装置至少具有如下有益效果：与现有技术相比，本技术实施例提供的热成像装置，其可以用于测量待测芯片60的表面温度，通过光源组件10发射预设波长的光线，光线经由反射组件20反射至待测芯片60表面上的反射层61上，通过反射层61来反映待测芯片60的表面温度，同时由于反射层61的禁带宽度会小于光线的能量，使反射层61能够将光线反射至成像组件30上，最后由成像组件30输出待测芯片60表面的图像，从而获得待测芯片60表面的温度信息。如此，通过待测芯片60表面的反射层61来反映待测芯片60的表面温度，有效解决了因待测芯片60的禁带宽度大于光源组件10的光线能量所导致的光线直接透过待测芯片60的问题，使热成像装置也能够对宽禁带芯片进行热反射成像。
47.本技术实施例还提供了一种热成像方法，采用上述的热成像装置，包括如下步骤：
48.制备步骤，制备反射层61，并将反射层61转移至待测芯片60的表面；
49.校准步骤，光源组件10分别向不同温度下的待测芯片60发射光线，光线经由反射层61反射至成像组件30，成像组件30分别输出不同温度下的图像，根据不同温度下图像的灰度值变化得到反射层61的热反射系数；
50.热成像步骤，将待测芯片60放入热成像装置中，以获取当前条件下的图像，并根据反射层61的热反射系数得到当前条件下的温度分布图像。
51.具体应用中，可以根据待测芯片60的具体类型来选择合适的反射层61材料，以氮化镓芯片为例，由于氮化镓的禁带宽度较宽，可见光对于此类芯片是透明的，因此可以预先制备禁带宽度较窄的反射层61。在反射层61制备完成后，可以将反射层61转移至待测芯片60的表面上，并将待测芯片60放置在自动聚焦组件40上，在室温(例如25摄氏度)下利用自动聚焦组件40调整待测芯片60的位置。此时待测芯片60处于未通电状态，光源组件10发射光线，经由反射组件20反射至待测芯片60上，待测芯片60表面的反射层61将光线反射至成像组件30上，成像组件30输出待测芯片60的未通电状态下的图像。而后，将待测芯片60加
热，通过测温部件侧的待测芯片60的实时温度，并通过自动聚焦组件40调整待测芯片60的位置，使成像组件30输出当前温度下的图像。最后根据加热前后图像的灰度值变化，获得该反射层61的热反射系数(即图像的灰度值与温度的对应关系)，并且可以通过在不同条件下多次获取图像及温度，从而获取更为准确的热反射系数，以减少误差。
52.而后可以在不同条件下，将设置有反射层61的待测芯片60通电，使待测芯片60运行并自热，调整待测芯片60的位置并输出相应的图像，之后可以根据待测芯片60通电前的图像信息及校准步骤中所获取的热反射系数，得到当前条件下的温度分布，通过软件用不同的颜色渲染出最终的待测芯片60的热图像。如此，在获得反射层61的热反射系数后，即可直接根据成像组件30所输出的图像来直接获得待测芯片60的温度分布图像，有效解决了现有技术中存在的对宽系带芯片难以进行热反射成像的问题，降低了成像成本。
53.作为本实施例的其中一种可选实施方式，在校准步骤中，可以在至少两组不同温度条件下获取待测芯片60图像与温度的对应关系，以获得反射层61的热反射系数，这两组不同条件既可以为常温状态下的待测芯片和利用加热部件(例如加热台)将待测芯片加热至预设温度，也可以为通过加热部件将待测芯片分别加热至两个不同的预设温度，并且为了提高热反射系数的准确性，可以获取多组不同条件下待测芯片60的图像与温度的对应关系，以降低热反射系数的误差。另外，为了进一步提高热反射系数的准确性，每次在预设温度下进行成像时，可以在该温度下进行多次成像，以降低成像组件30的噪声误差。
54.作为本实施例的其中一种可选实施方式，在反射层61的制备步骤中，可以通过化学气相沉积法在基材上生长出单层过渡金属硫化物，并从基材上剥离单层过渡金属硫化物以获得反射层61。
55.具体应用中，可以根据待测芯片60的类型及光源组件10的类型来选择合适的反射层61材料，示例性的，以反射层61为二硫化钼层为例，可以利用mo(co)6(在氮气中稀释至15torr)作为二硫化钼生长的金属前驱体，在室温下以(c2h5)2s作为硫源，并以氮气和氢气为载气，525摄氏度的生长温度，生长时间为15h至20h，用有机化学气象沉积在热壁管炉的sio2/si基材上生长出大面积的二硫化钼。而后，可以在二硫化钼上旋转涂覆pmma(聚甲基丙烯酸甲酯，495k，4％苯甲醚稀释)，转速可以为2800rpm，旋转涂覆时间可以为60s，并在180摄氏度下烘烤约3min。而后，可以在热释放带上自旋涂覆一层聚合物粘合剂薄膜，将该热释放带压合在基材上，从基材上剥离出二硫化钼层，之后可以根据该二硫化钼层的厚度，在真空下进行重复剥离步骤，直至获得所需的二硫化钼反射层61，最后将制备好的二硫化钼释放转移至待测芯片60表面。当然，在别的实施方式中，根据反射层61的材料不同，可以选择合适的制备方法，本实施方式不加以限制，例如选用w(co)6作为二硫化钨反射层61生长的金属前驱体等。
56.本技术实施例提供的一种热成像方法至少具有如下有益效果：与现有技术相比，本技术实施例提供的热成像方法，通过上述的热成像装置对待测芯片60进行热反射成像，利用禁带宽度小于光源组件10的光线能量的反射层61，来反映待测芯片60的表面温度，有效解决了现有技术中因待测芯片60的禁带宽度过大所导致的无法对待测芯片60进行热反射成像的问题，满足芯片的热反射成像测温需求。
57.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。