一种双波段锁相红外显微镜系统技术方案

本发明专利技术属于光学无损探测技术领域，具体为一种双波段锁相红外显微镜系统。本发明专利技术显微镜系统包括：双波段红外探测器、红外光学镜头、样品位移台、信号发生器或斩波器、信号放大电路、锁相放大器和计算机系统等；双波段红外探测器由两个探测波段不重叠的探测器或单个有双波段响应的探测器组成；红外光学镜头是一个优化的红外聚焦镜片组，位于样品位移台和双波段红外探测之间；样品的红外辐射通过红外光学镜头聚焦到双波段红外探测器上；信号发生器或斩波器对样品信号进行调制；本显微镜系统可以在不同波段上探测半导体器件的热点辐射的幅值和相位信息，给出绝对温度并分析样品中的热扩散行为和热传导，在半导体器件分析中具有重要作用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种双波段锁相红外显微镜系统


[0001]本专利技术属于光学无损探测
，具体涉及一种双波段锁相红外显微镜系统。

技术介绍

[0002]自上世纪70年代以来，红外检测就已经应用于材料和机械结构的检测中。随着技术的发展，高性能的红外探测器使得红外探测能够在微米尺度上得到良好的信噪比，极大地扩展了红外探测的应用领域。锁相红外探测技术是对样品进行周期性调制，红外探测器检测周期性辐射信号的幅值和相位，通过分析相位延迟、幅值大小等内容，得到比传统红外探测更丰富的信息。锁相红外探测技术已经被广泛应用在飞机部件分析、材料热弹性分析、硅基太阳能电池和半导体失效分析中[1]。
[0003]相比与单波段的红外探测器，双波段红外探测器能够提供更加优越的性能，并且在复杂环境中有抗干扰的能力[2]。在目前实践中，半导体红外检测中一般使用1
‑
4微米的波段，这是因为一般失效点在电激发下的热辐射峰值在这个波段中。但是在复杂环境中，且失效点表现不明显的情况下，单波段的检测可能受到干扰。10微米左右的波段是一般热成像所使用的，将两个波段的信号相结合，可以去除背景的干扰。同时，对比两个波段的信号，可以得到样品的绝对温度信息，对实际半导体器件分析提供了更多的分析依据。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种双波段锁相红外显微镜系统，以去除背景的干扰，并对半导体器件分析提供更多的分析依据。
[0005]本专利技术提供的双波段锁相红外显微镜系统，其结构参见图1所示，包括：双波段红外探测器101、红外光学镜头102、样品位移台103、样品调制系统104和105、信号放大电路106、锁相放大器107和计算机系统108；其中：所述样品位移台103，包括三个相互垂直的高精度的位移台，用于放置待测样品；通过样品位移台三个维度的调节，实现对样品扫描；所述双波段红外探测器101，由两个探测波段不重叠的探测器或单个有双波段响应的探测器组成，用于探测红外信号；为于样品位移台103正上方；所述红外光学镜头102，是一个优化的红外聚焦镜片组，位于样品位移台103和双波段红外探测器101之间；样品的红外辐射通过红外光学镜头102聚焦到双波段红外探测器101上；所述信号发生器104或斩波器105作为样品调制系统，对样品信号进行调制；信号发生器（104）与待测样品连接，信号发生器（104）对样品施加方波激励信号；或者斩波器（105）设置于双波段红外探测器（101）与红外光学镜头（102）之间；双波段红外探测器（101）的光响应信号，首先经过信号放大电路（106）放大，然后输入锁相放大器（107）；锁相放大器（107）连接信号发生器（104）或斩波器（105）的同步信号，将其作为锁相放大器（107）的参考信号，对经信号放大电路（106）放大的探测器信号进行解调，输出的解调信号由计算机系统
（108）采集。
[0006]该显微镜系统的工作流程为，样品放置于样品位移台（103）上，通过移动样品位移台（103），使样品区域正好在红外光学镜头（102）的焦点附近；然后，给样品的红外辐射施加调制，具体方式为使用信号发生器（104）输出方波激励信号调制或者是用斩波器（105）调制；调制信号的同步信号连接到锁相放大器（107）的参考信号上；当扫描工作时，样品位移台（103）先进行移动，双波段红外探测器（101）的信号先经过信号放大电路（106）放大，放大之后的信号接入锁相放大器（107）之中；锁相放大器（107）根据接入的参考信号，对探测器信号进行解调；解调信号被计算机系统（108）采集；计算机系统（108）同时记录此时的样品位置和对应的信号、相位值，绘制出二维的图像。
[0007]本专利技术结合双波段探测和锁相红外技术。锁相红外技术是通过调制样品的红外辐射，包括施加交流电激励样品发热，斩波器调制红外辐射等，然后使用锁相放大器对探测器的光电信号进行解调，不仅可以在抑制背景的情况下得到样品红外辐射的幅值，也可以得到相位信息，有助于分析发热深度信息和热扩散信息。使用双波段探测，可以更好地抑制背景影响。通过分析不同波段的红外辐射幅值信息，得到热点绝对温度；分析相位信息，可以更准确地分析热扩散机理和材料导热信息。
附图说明
[0008]图1是双波段锁相红外显微镜系统的组成示意图。
[0009]图2是双波段锁相红外显微镜得到的幅值图。
[0010]图3是双波段锁相红外显微镜得到的相位图。
[0011]图中标号：101为双波段红外探测器，102为红外光学镜头，103为样品位移台，104为方波激励信号，105为斩波器，106为信号放大电路，107为锁相放大器，108为计算机系统。
实施方式
[0012]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0013]以微米尺度的叉指电极加热样品为例，当样品被施加电压时，叉指电极区域部分会发热。此时使用的样品调制方式是给样品施加方波激励信号，其频率约100赫兹。将样品通过位移台移动到光学镜头正下方中心附近，扫描样品，依据计算机所绘制的红外信号二位图，可判断样品是否处于扫描范围内的合适位置，并进行调整。移动样品台的高度，并同时记录红外信号，选择信号达到最高值的样品台高度作为光学镜头的焦点高度。之后，对样品进行扫描，分别记录双波段的红外信号和相位并绘制二维图。
[0014]对示例样品的检测结果如图2和图3所示。图2所显示的是红外辐射强度的二维图，可以看到对于长波长的红外辐射，其峰值出现在样品区域的两侧，而短波长的红外辐射的峰值出现在样品的中心。图3所示的是红外辐射相位的二维图，相位信息隐含了热辐射扩散速度的信息。可以看到，在样品区域内，长波长部分的相位变化不大，单短波长的相位变化大，说明了在示例样品中，短波长的红外辐射主要集中在样品中心部分，长波长的红外辐射
部分较为均匀地分布在样品区域内。
[0015]由所述示例可以知道，双波段的红外探测不仅可以得到普通红外探测的信息，通过对比不同波长部分所显示的结果，可以得到更细节的样品信息。
[0016]尽管已经示出和描述了本专利技术的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本专利技术的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利技术的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0017][1] Otwin Breitenstein, Steffen Sturm. Lock
‑
in thermography for analyzing solar cells and failure analysis in other electronic components. Quantitative InfraRed Thermography Jou本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双波段锁相红外显微镜系统，其特征在于，包括：双波段红外探测器（101）、红外光学镜头（102）、样品位移台（103）、信号发生器（104）或斩波器（105）、信号放大电路（106）、锁相放大器（107）和计算机系统（108）；其中：所述样品位移台（103），包括三个相互垂直的高精度的位移台，用于放置待测样品；通过样品位移台三个维度的调节，实现对样品扫描；所述双波段红外探测器（101），由两个探测波段不重叠的探测器或单个有双波段响应的探测器组成，用于探测红外信号；为于样品位移台（103）正上方；所述红外光学镜头（102），是一个优化的红外聚焦镜片组，位于样品位移台（103）和双波段红外探测器（101）之间；样品的红外辐射通过红外光学镜头（102）聚焦到双波段红外探测器（101）上；所述信号发生器（104）或斩波器（105）作为样品调制系统，对样品信号进行调制；信号发生器（104）与待测样品连接，信号发生器（104）对样品施加方波激励信号；或者斩波器（105）设置于双波段红外探测器（101）与红外光学镜头（102）之间；双波段红外探测器（101）的光响应信号，首先...

【专利技术属性】
技术研发人员：安正华，卢洧伉，
申请(专利权)人：复旦大学义乌研究院，
类型：发明
国别省市：