Устройство для измерения тепловых характеристик структур полупроводниковых приборов Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения тепловых характеристик полупроводниковых приборов. В настоящее время одним из основных видов брака при производстве мощных ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов является тепловой пробой. Причиной теплового пробоя могут быть как дефекты полупроводниковых структур, так и поввшенное тепловое сопротивление корпуса, В процессе изготовления приборов неоднократно производится контроль активных полупроводниковых структуркристаллов с р-п переходами по различным параметрам, в том числе и тепловым. Известно устройство для измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов ClJf состоящее из теплоотвода с регулируемой температурой, генератора постоянного тока, источника напряжения и прибора для измерения электрического температурнозависимого параметра. Устройство не позволяет количественно измерять тепловые сопротивления пассивных элементов, т.е. корпусов полупроводниковых приборов без активных структур. Известно также устройство для измерения тепловых характеристик струк тур полупроводниковых приборов-инфра красный микроскоп для контроля тепло вых полей микросхем 2, состоящий из ИК-объектива, приемника ИК-излучения, модулятора, блока усиления, координатного столика и окуляра визуэльного наблюдения. Опт1гческая система ИК-микроскопа состоит из радиометрического канала канала визуального наблюдения и канала подсветки. Исследуемая микросхема помещается на двухкоординатном столе с программным управлением. На нее подается рабочее напряжение и путем сканирования стола по заданной прюграмме приемником ИК-излучени измеряется температура в различных точках поверхности микросхемы. На ИК-микроскопе нельзя количественно измерять тепловые сопротивления пассивных многослойных структур. Целью изобретения является обеспе чение количественного измерения тепловых сопротивлений пассивньос многослойных структур, в частности, корпусов полупрбводниковых приборов. Поставленная цель достигается тем что в известное устройство для измерения тепловьос характеристик структу полупроводниковых приборов, содержащее ИК-объектив, приемник ИК-излучения, модулятор, блок усиления, координатный столик и окуляр визуаль ного наблюдения, дополнительно введе лазер с оптической системой, фильтр для отсечения длины волны лазерного излучения, термостат и теплоотвод с термодатчикг1ми, причем ось лазерного излучения совмещена с осью ИКобъектива, приемник ИК-излучения и измеряемый объект помещены в двойных фокусных расстояниях ИК-объектива термостат соединен -с теплоотводом и корпусом ИК-объектива, а фильтр для отсечения длины волны лазерного излучения установлен между модулятором и приемником ИК-излучения. Введение в устройство лазера с оптической системой позволяет бесконтактно нагревать поверхность пассивных многослойных структур сфокусированным излучением, что необходимо для измерения их тепловых сопротивлений ( К). Совмещение оси лазерного излучения с оптической осью ИК-обтЬектива позволяет юстировать обе системы по видимому излучению, что существенно повышает точность при количественном измерении тепловых сопротивлений. Расположение приемника ИК-иэлучения И измеряемого объекта в двойных фокусных расстояниях ИК-объектива позволяет измерять температуру с маленького пятна, равного рабочей площад ке приеника ИК-излучения, в центре источника тепла, т.е. температуру, близкую к максимальной („), что повьшает абсолютную величину теплового сопротивления и точность при ее количественном измерении. Подсоединение термостата к теплоотводу и корпусу ИК-объектива позволяет поддерживать постоянным температурный фон в процессе измерений и повышает точность при количественном измерении тепловых сопротнвлений. Введение фильтра для отсечения длины волны лазерного излучения позволяет проводить измерения тепловых сопротивлений в установившемся режиме, а установка фильтра между модуля тором и приемником ИК-излучения позволяет устранить влияние ИК-излучения от фильтра, при его нагреве отраженным излучением, так как приемник ИК-излучения не реагирует на постоянный не модулированный сигнал, все это позволяет получить высокую точность при количественном измерении тепловых сопротивлений. Введение теплоотвода с термодатчиками позволяет измерять как температуру теплоотвода (Тр) вблизи контакта с измеряемым объектом, так и проходящую через объект мощность Р , что необходимо.для количественного опре деления тепловых сопротивл« ний:

При этом измеряется тепловое сопротивление пассивной МНОГОСЛОЙНОЙ структуры от верхней поверхности до нижней поверхности, прилегающей к теплоотводу, и контактное сопроти ление структура - теплоотвод.

Введение отмеченных признаков позволило количественно измерять тепловые сопротивления пассивных многослойных структур с точностью ±3%.

Принципиальная схема устройства показана на чертеже.

Устройство состоит из твердотёльного лазера (ОКГ ) непрерывного действия 1 с длиной волны излучения 1,06 мкм и мощностью излучения до 60 Вт; оптической системы 2, предназначенной для фокусировки излучения ОКГ и для наблюдения увеличенного изображения объекта с целью его точной ориентации по отношению к лучу ОКГ теплоотвода .3 с термодатчйками-термопарой вблиз поверхности контакта с объектом и дифференциальной термопарой, трехкоординатного столика 4, предназначенного для выставления поверхности объекта в фокус излучения ОКГ, совпадающую с плоскостью резкого видения оптической системы 2/ ИК-объектива 5, выполненного из двух концентрично расположенных сферических зеркал и плоского зеркала для поворота луча ОКГ,. приемника ИК-излучения 6, в качестве которого используется фотодиод на антимониде индия; модулятора 7, модулирующего постоянный сигнал ИК-излучения на частоту 1000 Гц; фильтра 8 для отсечения длины волны лазерного

излучения, выполненного из высокоомI

ного германия; блока 9 усиления и преобразования электрического сигнала; термостата 10, обеспечивающего постоянство температур теплоотвода и корпуса ИК-объектива.

Измеряемая пассивная многослойная структура, например корпус мощного полупроводникового прибора, устанавливается на теплоотвод 3 и перемещениями столика 4 выставляется в перекрестке сетки окуляра оптической системы 2. Плоскость фокусировки ОКГ конструктивно совмещена с плоскостью резкого видения окуляра. ИК-излучение от нагретой лазером поверхности объектива проходит через ИК-объектив 5, модулируется и попадает на рабочую площадку приемника ИК-излучения 6. При этом отраженное от объекта излучение лазера Зсщерживается фильтром 8. от приемника 6 сигнал подается на блок усиления 9. Термодатчики, находящиеся в теплоотводе, фиксируют температуру теплоотвода вблизи контакта с измерямым объектом и мощность, прошедшую через объект, в установившемся режиме.

Устройство для измерения тепловых характеристик структур полупроводниковых приборов может быть использовано как в лабораторных условиях для анализа, тепловых характеристик пассивных многослойных структур, например корпусов полупроводниковых приборов, при их разработке, так и в условиях серийного производства, для отбраковки корпусов с завьяпенным тепловым сопротивлением до золочения корпуса и до монтажа на него активного элемента - кристалла полупроводника с р-п переходами.