Imagerie thermique haute résolution par
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Imagerie thermique haute résolution par thermoréflectance C.Corbrion, D. Fournier, S. Holé, G. Jerosolimski, G. Tessier Laboratoire d ’optique UPR A 0005 du CNRS ESPCI 10 rue Vauquelin, 75005 Paris La problématique : Réalisation d’images thermiques haute résolution sur composants en fonctionnement images caméra Haute résolution Illumination visible thermiques Paramètre physique dépendant de la température: R Microscope à thermoréflectance CCD Image à (T) Différence : image liée à ∆T CCD V Image à (T+∆T) La thermoréflectance - principe ∆T T’ = T + R’ = R + (δR/δT) ∆T Mesure (optique) de R Accès à ∆T Mais (δR/δT) est petit: ∂R ∂T (K-1) Au 1,1 10-4 Si 1,5 10-4 AsGa 1,7 10-4 InP 1 10-4 Utilisation d ’une source modulée et d ’une « détection synchrone » InSb 1 10-4 Imagerie thermique synchrone 4f < 40 Hz Détection synchrone multiplexée: (brevet FR-2.664.048) 4 images par période de chauffage CCD LED Amplitude et phase de ∆R répartition de ∆T Microscope R0 + Rm Cos (2π f t + ϕ) Alim.1: f Circuit CCD: f<10Hz Imagerie thermique hétérodyne • CCD: 4f= 40 Hz (limité par la caméra) 4f = 40 Hz CCD • Circuit: F+f : plusieurs MHz LED Alim.2: F+ f - jusqu ’à 5 MHz actuellement - 80 MHz : en développement, puis extension à 2GHz? Microscope R0 + Rm Cos (2π F t + ϕ) Alim.1: F Circuit Résistances poly-Si sur Silicium Images 75 x 75 µm résistances larges de 1.5 µm Résultats Mise en évidence de l’influence de la longueur d’onde d’illumination Image « continue » Bleu 450 nm Au NiCr GaAs Vert 525 nm Image thermique Origines de l’effet de λ: - le coefficient dR/dT de chaque matériau dépend de λ - Interférences dans la couche de passivation (e varie avec la température) e Orange 590 nm Si3N4 Au Résultats Spectroscopie sous microscope Spectres de R(λ) et dR/dT (λ) 0.0004 0.0002 0 400 -0.0002 450 500 550 600 λ (nm) 650 700 -0.0004 -0.0006 -0.0008 -0.001 dR/dT (λ) Au + Passivation 750 Procédure de calibrage utilisant un thermocouple Substrat GaAs 0.25Hz Au NiCr GaAs T° Couche de passivation Si3N4 ∆R (u.a.) 1000 500 0 ∆T =40 ° ∆R =800 (u.a.) ∆T sur NiCr (°C) 50 On répète cette procédure 25 - pour différentes températures - pour chaque matériau - pour chaque longueur d ’onde 0 ( Droites de calibrage ∂R ∂T ) 40 40 40 30 30 30 20 20 20 10 10 10 Au GaAs 0 NiCr 0 0 100 200 300 Position ( µ m) 400 0 0 100 200 300 Position ( µ m) 400 0 100 200 300 Position ( µ m) 45 à F=0.25 Hz 40 Elévation de température (°C) Elévation alternative de la temperature (K) Calibrage sur les différents materiaux 35 30 25 20 15 10 Au GaAs NiCr O GaAs 5 0 0 100 200 Position (micromètres) 300 400 400 Profils de températures à différentes fréquences (N.B. Courbes « décalées ») log[∆Τ] (u.a) 10 1 0.1 0.25hz 2.5hz 10hz 160hz 1600hz 4000hz 0.01 0 100 200 300 400 Position(µm) À haute fréquence, décroissance plus rapide de la température autour de la résistance Comparaison entre les mesures effectuées en alternatif et en continu Alimentation en continu T(K) Alimentation haute fréquence T(K) Alimentation basse fréquence T(K) T surface T surface T surface T boitier T boitier T boitier t (s) t (s) t (s) Mesure par thermoréflectance • Objectif x5 F = 160 Hz, λ=450 nm (bleu) Calibrage sur GaAs (autour des transistors) 30 °C 15°C 0 2,8 mm • Objectif x 100 41 µm F= 2 kHz Après correction des mouvements de l ’échantillon VGS= -2 V VDS= 9 V IDS= 0.62 A Décalage et défocalisation dus à la dilatation: correction par recalage des images dx dz Composant «chaud » Composant «froid » Image thermique brute • Décalage dz: défocalisation difficile à corriger • Décalage dx: détermination puis compensation du décalage élimination des contours Image thermique corrigée Résultats continu thermique λ1= 450 nm f1= 4 Hz λ2= 502 nm f2= 8 Hz λ3= 590 nm f3= 12 Hz λ4= 660 nm f4= 16 Hz Multiplexage en longueur d ’onde: méthode « 12F » • LEDs modulées à des fréquences différentes: fi= 4, 8, 12 et 16 Hz • Caméra : Fcam=36 Hz • Chauffage échantillon: Fchauff=18 Hz Les images continues («optiques») sont obtenues aux fréquences fi Les images « thermiques» sont obtenues aux fréquences fchauff-fi Projets Réalisation d’un prototype industriel Calibrage sans contact • Mesure ponctuelle infra rouge • Thermoréflectance dans l ’ultraviolet (Brevet en cours de dépôt) couche supérieure opaque - pas d ’interférences dans la couche de passivation - Un seul matériau à calibrer: Si3N4 - résolution spatiale Si3N4 Au Tests U.V monofaisceau, puis réalisation d ’un imageur CCD Mesures sur circuits fonctionnant à haute fréquence Difficultés: Sources lumineuses et électriques modulables HF GaAs
