纳米尺度特征的热成像：论文精译（上）

引言

为了达到所需的性能，通信设备中的高速开关晶体管的栅极特征长度在多指配置中已经减小到只有几十纳米，并且这些晶体管被阵列集成到单片微波集成电路（MMIC）中。因此，这项技术使得对纳米级电路的热特性进行表征变得越来越困难。

我们采用了一种瞬态热成像技术来表征这类纳米级电路的表面温度。该技术是一种非侵入性和间接的热反射率方法，使用外部光源照明和CCD成像。由于显微镜物镜的光学性质所限，当特征尺寸小于300纳米时，光学和热图像会出现模糊。我们提出了一种算法来解决这一问题，即使用高斯近似来模拟衍射函数，以模糊从模型中得到的热反射率图，并进一步使用它来重构亚衍射尺寸设备的真实热分布图。

测试设备的热膨胀是另一个挑战，特别是在高倍显微成像的情况下。我们使用了一个三维压电舞台控制器来逐像素地获取热反射率系数。通过这些组合的技术，实现了对宽度约为100纳米的导线进行热成像。

瞬态热成像技术可以捕捉多个热点向邻近电路的热量扩散情况，为潜在的三维热结构分析提供了必要的信息，适用于实际芯片上多个纳米级热点的情况。我们将展示这些技术组件的组合，它们共同能够获得进行潜在三维热结构分析所需的必要信息。

关键词

• 热成像 (Thermal Imaging)
• 瞬态 (Transient)
• 结构函数 (Structural Function)
• 多热点 (Multiple Hotspots)

符号说明

• A：面积（m²）
• C：热容（J/K）
• D：距离（m）
• N：物镜的F数（无量纲）
• R：热阻（K/W）
• t：时间（s）
• λ：波长（m）
• θ：温度过升（K）
• τ：时间常数（s）

近年来，宽带隙半导体的高速开关晶体管被广泛应用于通信和电力设备。与此同时，芯片设计中的热考量也日益成为一大关注点，除了热封装外。为了充分利用高速开关特性和构建单片微波集成电路（MMIC），晶体管的栅极特征长度已经被减小到只有几十纳米。因此，对每个单独晶体管的热特性进行表征变得越来越困难。

我们已经能够使用基于CCD的热反射率热成像方法来表征这类电路的表面温度。由于显微镜物镜的光学性质所限，当特征尺寸小于300纳米时，光学和热图像会出现模糊。在先前的研究中，我们定性和定量地探讨了衍射极限对亚衍射尺寸设备特征热图像的影响。我们提出了一种算法来预测衍射对亚衍射尺寸设备热反射率成像的影响，该算法考虑了已知形状和尺寸的设备。通过数值计算和实验数据验证了该模型，对于厚度为90纳米的金线，模型与实验结果吻合良好。

除了衍射问题外，测试设备的热膨胀也可能造成失焦，进而导致热图像模糊。这是另一个挑战，特别是在进行高倍显微成像时。使用三维压电舞台控制器有助于在显微镜中稳定聚焦位置。逐像素获取热反射率系数使我们能够精确校准目标位置的光强度与温度信息。通过这些组合技术，实现了对宽度约为100纳米的导线进行热成像。

MMIC表面的瞬态热成像包含了设备内部热结构的信息，特别是对于多个热点的情况。瞬态热图不仅提供了某个时间点的温度分布，还提供了深度方向上的热扩散信息，这些信息有助于解决纳米尺度设备的复杂三维热结构问题。讨论首先从高速瞬态成像及其分析开始，以一维热结构（CR模型）为例。随后，分析了使用高斯近似法实现亚衍射极限空间分辨率的情况。基于这些技术，我们展示了一个多热点实例的时间域成像，以分析三维热结构。

瞬态热成像与建模

随着特征尺寸的减小，设备的固有瞬态热响应变得非常快，通常需要亚微秒级的时间分辨率。为了在某一特定时间点精确地获取热图像，设备采用了一种互锁技术来对齐设备偏置和成像的时间，并精确调整时间延迟以获取热响应的时间序列。

图1展示了单个氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）器件的瞬态热成像设置示例。在这个设置中，成像传感器和照明用的LED光源被集成到了显微镜中。

图2展示了正在研究瞬态热响应的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）设备的光学和热图像。该设备由一个多指栅极组成，栅极长度为300纳米。左侧的光学图像中的两条细金属线显示了该设备上的金制成的栅极电极。该设备由n-GaN二维电子气体制成，位于n-AlGaN顶层下方，并放置在SiC衬底上的GaN层上。右侧的图片显示了温度轮廓，其中栅极金属显示出最大的温度过升。

图2展示了p型氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）设备的光学图像（左）和热图像（右）。颜色轮廓用来表示温度过升的程度。该设备的两个手指栅极长度各为300纳米，栅极金属是由金制成的。

多点瞬态校准

图3展示了一个单个芯片安装在封装中的散热器上的例子。热阻抗（或热阻）[K/W]是指在施加功率下瞬态温度过升与施加功率的比值。时间轴显示了从施加阶跃脉冲开始的时间流逝。传统上，温度测量是在某一时刻进行稳态测量。由于热网络由多个组件组成，没有单一的时间常数能够代表整个热系统。这导致了温度读数的误差。需要注意的是，响应时间的变化范围非常宽广。

图4展示了在不同接触条件下设备测试的时间响应。很明显，在短时间内（即小于100微秒），同一芯片的不同接触条件下的温度过升匹配得非常好，而稳态温度则根据接触方法有所不同。在这种情况下，短时间（小于1毫秒）足以确定芯片上设备的固有热阻。图4展示了GaN HEMT手指漏极终端随时间变化的局部温度过升。与带有膏状材料的冷板接触相比，真空吸盘的干接触显示出更大的热阻。偏置条件为8V和70mA，LED照明波长为530nm。