使用单光子检测器的高频锁相热成像术的制作方法

本公开一般涉及热图检查。更特别但并非以限制的方式，本公开涉及使用单光子检测器的高频锁相（lock-in）热成像术。

热成像术是通过使用某种类型的红外（ir）检测器的热图案或“热像图”在对象表面上的非破坏性、非侵入性、非接触式映射。锁相热成像术（lit）的原理包括将周期性地调制的能量（例如，电脉冲）引入到对象（例如，太阳能电池、集成电路以及堆叠式管芯几何结构）中，并监控符合输入能量的施加的周期性（相对）表面温度。lit技术的一个应用是太阳能电池中的分路（shunt）的特征化。分路是局部增加的正向电流密度的站点。由于在操作中使太阳能电池正向偏压，因此任何分路电流都降低太阳能电池的效率。分路可能是由pn结的电气缺陷所引起的，这可能是由晶格缺陷以及由生产过程中的技术瑕疵产生的。lit技术的另一应用是电子设备（比如集成电路）的功能测试。在金属化路径（即，敷金属）与裸露硅层之间的ir发射率中的大的差异允许识别和定位电路缺陷。lit的又另一应用是定位切克劳斯基法生长的硅金属氧化物半导体（mos）结构中的栅极氧化物完整性（goi）缺陷。栅极氧化物完整性缺陷是降低的击穿电压的局部站点。一旦通过lit识别并定位了缺陷，就可以使用附加的微观研究和分析研究来弄清缺陷的性质并找到避免它们的方法。

技术实现要素：

在一个实施例中，所公开的概念包括一种用于通过锁相热成像术（lit）操作来确定被测设备（dut）中的缺陷的系统。在一个实施例中，这样的设备包括：激励源，其被配置成以参考频率供应功率；缺陷检测电路（被配置成检测由所述dut响应于接收到来自所述激励源的输入而产生的单独的光子，将时间戳与所检测到的光子中的至少一些相关联，以及基于所述光子的对应时间戳以及与所述激励源相关联的时间来针对所检测到的光子中的每一个确定时间差）；以及，输出模块，其被配置成基于所检测到的光子产生一个或多个图像。在一个或多个实施例中，所述缺陷检测电路包括以盖格模式操作的单个光电二极管的一个或多个阵列（例如，所述光电二极管可以包括超导单光子检测器）。在另一实施例中，所述缺陷检测电路可以被配置成基于所述光子的对应时间戳和与所述激励源相关联的针对所述激励源的给定激励周期的时间（例如，所述激励源的信号的上升沿）来针对所检测到的光子中的每一个确定时间差。在又另一实施例中，所述缺陷检测电路可以进一步被配置成针对每个激励源周期产生直方图，每个直方图对应于多个所确定的光子时间差。在仍另一实施例中，所述系统可以进一步包括锁相电路，所述锁相电路被配置成接收来自所述缺陷检测电路的输出；接收来自所述激励源的参考频率输出；以及向所述输出模块产生同步输入。

在一个实施例中，根据一个或多个实施例的lit操作可以在向设备施加刺激信号（即，功率）时开始。然后可以通过检测器捕获从该刺激得到的光子，所述检测器包括以盖格模式操作的数个单个低噪声光子检测器（例如，单个低噪声光子检测器的阵列）（例如，雪崩光电二极管、纳米线检测器以及超导单光子检测器）。在接收时，每个光子可以与表示检测到该特定光子的时间的时间戳相关联。然后可以使用指示检测到每个光子的时间的信号来确定在刺激该设备时与在检测到光子时之间的时间差（∆t）。在一个实施例中，可以在指定的时间（例如，刺激循环）上收集∆t值或将∆t值装仓（bin），以产生指示覆盖于其上的针对给定的激励循环接收到光子的时间的直方图。可以使用∆t值来识别光子所源自的设备内的的x-y-z位置。可以使用这样的信息来识别设备内的可以在其处找到故障的层。在其它实施例中，所公开的方法可以体现在计算机可执行程序代码中并存储在非暂时性存储设备中。

附图说明

图1以框图的形式示出根据一个或多个实施例的锁相热成像术系统。

图2示出根据一个或多个实施例的例证性测试信号以及在对应的被测设备响应信号。

图3以流程图的形式示出根据一个或多个实施例的锁相热成像术操作。

图4以框图的形式示出根据一个或多个实施例的计算机系统。

具体实施方式

本公开涉及用于改进热图成像系统的操作的系统、方法和计算机可读介质。大体上公开了用于使用单个低噪声光子检测器来产生热像图的技术。更特别地，可以使用以雪崩或盖格模式操作的单个低噪声光子检测器的阵列来准确地识别对电路（或更一般地，被测设备）施加周期性功率刺激与从该刺激得到的光子的产生之间的时间延迟（例如，单光子检测器诸如雪崩光电二极管、纳米线检测器以及超导单光子检测器sspd）。在一个实施例中，可以使用单光子检测器的阵列来有效地对每个检测到的光子加时间标记。其后，高速计数电路可以将所检测到的光子关联至所施加的刺激。当以盖格模式中可能的频率进行操作时，这样的测量可以允许被测设备内的热学热点的z轴或深度中的比现有技术方法更高程度的空间分辨率（例如，在微米尺度上）。

在以下描述中，出于解释的目的，阐述众多具体细节以便提供对所公开的概念的透彻理解。作为本描述的一部分，本公开的各图中的一些以框图的形式表示结构和设备，以便避免使所公开的概念的新颖方面模糊不清。为了清楚起见，可能没有描述实际实现的全部特征。此外，在原则上本公开中使用的语言是出于可读性和指导目的而挑选的，并且可能未被挑选成描绘或限定本发明的主题，有必要依靠权利要求来确定这样的发明主题。在本公开中对“一个实施例”或对“实施例”的提及意指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中，并且对“一个实施例”或对“实施例”的多次提及不应被理解为一定全部指的是同一实施例。

将领会到，在任何实际实现的开发中（如在任何软件和/或硬件开发项目中），必须进行众多决策来达成开发者的具体目标（例如，服从于系统相关和商业相关的约束），并且这些目标可能根据不同实现而变化。还将领会到，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，虽然如此，但是它们对于受益于本公开的锁相热成像术系统设计的领域中的普通技术人员来说将是例行任务。

参考图1，根据一个或多个实施例的锁相热成像术（lit）系统100将成像设备105实现为以盖格模式操作的单个低噪声光子检测器（例如，单光子检测器，诸如雪崩光电二极管、纳米线检测器以及超导单光子检测器（sspd））的阵列。在该模式中，可以驱动检测器以比现有技术检测器快得多地进行收集和传递（例如，以几百mhz）。这进而允许将热学热点定位至比现有技术精细得多的程度——几微米到几十微米的量级（例如，在x、y和z轴中）。单光子检测器成像设备105可以检测单独的热光子110的到达（例如，在约2至5微米（micrometer）波长范围中）。在一个实施例中，成像设备105可以对每个接收到的光子加时间戳以使得信号115指示成像设备105从被测设备（dut）150接收每个光子的时间。在一个实施例中，高速计数器电路120可以针对每个刺激周期确定激励信号140（例如，激励信号140的上升沿）与光子到达成像设备105处之间的时间差（δt）。在一个实施例中，脉冲功率信号140可以包括指定的一系列脉冲，其在时间上持续几微秒至几十微秒的量级。在另一实施例中，高速计数器电路120可以产生直方图125（例如，示出光子计数对比δt），其可以进而通过基于视频的锁相检测器130进行进一步分类，所述基于视频的锁相检测器130由被匹配至来自驱动dut150的功率源345的刺激源频率140的参考频率135来驱动。一般来说，频率参考可以来自锁相电路130或测试器/驱动信号的功率源（例如，功率源145），或者来自全部这些电路都对其进行参考的另一源。进一步分类可以例如允许检查测试循环的仅部分。这进而可以使得能够实现所观察到的异常的进一步探查或定位（参见下文）。通过示例的方式，成像设备105中的每个检测器像素（例如，sspd）可以在高速计数器电路120中具有相关联的缓冲器，其在每次其接收到表示加时间戳的光子的输入时进行更新，并且将累计计数输出到读出集成电路（roic）并然后输出到锁相电路130。在一个实施例中，光子在成像设备105处的到达时间可以被解释为、或者指示（在dut的表面处）产生了该光子的热学脉冲开始于dut150内的深度。成像设备越快，刺激频率可以越快。刺激频率越高，热源通过传导的横向热扩散就越低，并且因此可获得的横向分辨率（即，在x-y平面中）就越好。这可以导致深度分辨率（即，沿着z轴）中的改进，因为热源不通过例如来自dut内的其它设备特征的热量传播或散射的反射而导致z方向中的延伸发射。不能够使用现有技术的集成传感器来检测需要如此做的刺激频率。要清楚，根据本公开的系统和方法不指向“弹道”光子（即，直接由dut150内的元件产生的光子）的产生和捕获。相反，所描述的技术指向热光子的产生和测量。弹道光子的产生、检测和测量与如本文中描述的热光子的产生、检测和测量无关。

参考图2，在一个实施例中，可以向dut150施加测试信号200（例如，脉冲功率信号140），其中通过高速计数器电路120来测量dut信号205（例如，125）。如果210和215表示预计或“良好”的dut响应，并且220表示非预计或“不好”的dut响应，那么可以将成像设备105同步至相移功率信号140。换言之，可以将成像设备105和高速计数器120同步至dut信号205的一部分。通过示例的方式，在时间225和230处施加的选通信号可以被施加于成像设备105，以便使得能够捕获dut信号205的对应于异常响应220的仅那一部分。可以以此方式使用选通信号来允许dut信号205在比整个测试环路更短的测试环路的区域上的时间积分。该特定特征在来自dut150的另一区域的发射淹没（overwhelm）检测器时尤其有用。到达检测器像素（例如，成像设备105的像素）处的每个光子应当具有如由该像素定义的相关联的x-y位置，并且可以被加上时间戳。可以产生到达时间的直方图（例如，直方图125），其（到检测器的抖动的极限为止）导致指示所捕获的光子对应的从dut150内的深度的记录。应理解的是，在实践中，刺激信号140可能导致dut150内的热学热点，这进而导致热学脉冲从该热点移动离开。当该热学脉冲到达dut的表面时，产生光子。成像设备105所捕获的正是该光子。这样，测量到的光子的捕获时间是底层dut和其伴随封装的材料属性的函数。相应地，需要对dut内的组件的热传导性和热发射率的某些预知，以将热点在dut内的深度关联到光子的捕获时间。根据本公开的锁相技术可以通过改进信噪比（snr）并且还允许测量信号的相位以及强度来增强这点的定时保真度；这允许定位底层的微弱的热学点。一般来说，在本技术的深度分辨率方面存在对定位准确度的限制，这部分地由于取决于相位的检测器的限制；可以以其来驱动检测器的最大速度确定了针对相位测量的分辨率。由通过加时间戳和产生直方图125来记录热光子的到达时间并且然后将每个光子关联至测试环路或相关选通信号的开始，可以提供高得多的定时分辨率，这给予了更准确地预测正在产生热量的特征的深度的能力。改变开始时间的能力也是这些检测器的特征；对于时间积分的检测，检测器是“常开”的并且因此没有在测试环路的分段上进行检测的选项。对于上述选通的检测器来说，进一步的操作是，可以驱动所述检测器以利用可移动的或“滑动时间”窗口仅在测试环路的一小部分上检测信号。这可以在测试环路的仅一部分显示出故障并且用户希望在时域中仅聚焦于那里的情况下具有有用功能。也许不可能修改测试程序以仅在该范围上运用该设备，但是可以适当地对检测器进行选通。

返回图1，锁相电路130还可以产生输出图像155和160。图像155可以例如表示与dut150的边界内的缺陷的位置（例如，x轴和y轴位置）相关的幅度数据（例如，0°图像）。图像160可以例如表示与dut150内的缺陷的深度（例如，沿着z轴）相关的相位数据（例如，-90°正交（quadrature）图像）。在另一实施例中，成像设备105可以执行针对高速计数器电路120识别出的功能中的一些或全部。

lit系统100的操作与依赖于例如以积分模式操作以直接生成热像图或图像的镁化铟（insb）或类似光电二极管的阵列的现有技术系统（参见上文）形成鲜明对比。在这些系统中，既不单独地识别光子也不处理光子。相反，所产生的帧表示在积分周期期间接收到的光子的平均。时间积分成像具有其自己的应用空间，但是（如本文中公开的）时间分辨检测使得能够实现更宽范围的应用。

参考图3，根据一个或多个实施例的lit操作300可以在向被测设备施加刺激（即，功率）信号时开始（块305）。在一些实施例中，该刺激频率也可以相应地施加于根据本公开的锁相设备和/或高速计数器。然后可以捕获从该刺激得到的光子（块310）。在一个实施例中，所述光子可以是热光子。在另一实施例中，所述光子的波长可以是在约2到5微米的范围中。在仍另一实施例中，所述光子可以具有适合于刺激信号和其对被测设备的操作的任何波长。在一个实施例中，光子检测器可以包括以盖格模式操作的数个单个低噪声光子检测器；例如，光子检测器的8x8或64x64的阵列。通过示例的方式，可以使用雪崩光电二极管、纳米线检测器以及超导单光子检测器来捕获来自被测设备的光子。在接收时，每个光子可以与表示检测到该特定光子的时间的时间戳以及检测器的x-y位置相关联（块315）。然后可以将指示检测到每个光子的时间的信号发送到高速计数器（块320）。根据本公开，高速计数器可以使用每个光子的时间戳信息和刺激信号来确定在刺激被测设备时与在检测到光子时之间的时间差（∆t）（块325）。在一个实施例中，可以在指定的时间上收集∆t值或将∆t值装仓，以产生指示覆盖于其上的针对给定的激励循环接收到光子的时间的直方图（块330）。亦即，根据块310-325的动作可以在激励信号的重复施加期间重复数次。通过示例的方式，可以使用∆t值来识别被测设备内诞生了所捕获的光子的热点源于其处的深度。如果被测设备是例如电路板、集成电路或堆叠管芯几何结构，那么可以使用该信息来识别设备内可以在其处找到故障的层。可以利用所收集的∆t信息（例如，直方图）来产生幅度和/或正交或相位图像（块335）。如上所述，可以使用幅度图像数据来识别设备的边界内的x轴/y轴位置，并且可以使用相位图像数据来识别设备内的z轴位置。

参考图4，根据本公开的lit系统400可以体现在成像设备405和计算机系统410（例如，通用计算机系统，诸如工程工作站、台式机、膝上型计算机、笔记本或平板计算机系统）中。计算机系统410可以包含在单个外壳中，或者在空间上在两个或更多个不同位置之间分布。计算机系统410可以包括一个或多个处理器415、存储器420、一个或多个存储设备425、图形硬件430、图像捕获模块435以及通信接口440。

处理器模块或电路415可以包括一个或多个处理单元，其中的每一个可以包括至少一个中央处理单元（cpu）以及零个或更多个图形处理单元（gpu）；其中的每一个进而可以包括一个或多个处理核。每个处理单元可以是基于精简指令集计算机（risc）或复杂指令集计算机（cisc）架构或任何其它适当架构。处理器模块415可以是片上系统、集成电路（ic）的封装集合或者附着到一个或多个基板的ic的集合。存储器420可以包括由处理器415、图形硬件430、图像捕获模块435和通信接口440使用的一个或多个不同类型的介质（通常是固态的，但是不一定是这样）。例如，存储器420可以包括存储器高速缓存、只读存储器（rom）和/或随机存取存储器（ram）。存储425可以包括一个或多个非暂时性存储介质，包括例如，磁盘（固定磁盘、软盘以及可移除磁盘）和磁带、诸如cd-rom和数字视频盘（dvd）之类的光学介质以及诸如电可编程只读存储器（eprom）和电可擦可编程只读存储器（eeprom）之类的半导体存储器设备。存储器420和存储425可以用于保存媒体（例如，音频、图像和视频文件）、性能信息、设备简档信息、被组织成一个或多个模块并以任何期望的计算机编程语言编写的计算机程序指令或代码以及任何其它适当的数据。当被（一个或多个）处理器415和/或图形硬件430和/或图像捕获模块435内的功能元件执行时，这样的计算机程序代码可以实现本文中描述的方法中的一个或多个。图形硬件模块或电路430可以是用于处理从成像设备405获得的热图像数据和/或辅助处理器415执行计算任务（例如，分别产生直方图125以及幅度和相位图像445和450）的专用计算硬件。在一个实施例中，图形硬件430可以包括一个或多个gpu和/或一个或多个可编程gpu，并且每个这样的单元可以包括一个或多个处理核。通信接口440可以用于将计算机系统410经由路径455连接到成像设备405、经由路径460连接到被测设备（以阴影示出）以及连接到一个或多个网络（未示出）。例证性网络包括但不限于，诸如通用串行总线（usb）网络之类的局部网络、高速串行网络、组织的局域网以及诸如互联网之类的广域网。通信接口440可以使用任何适当的技术（例如，有线或无线）和协议（例如，传输控制协议（tcp）、互联网协议（ip）、用户数据报协议（udp）、互联网控制消息协议（icmp）、超文本传输协议（http）、邮局协议（pop）、文件传输协议（ftp）以及互联网消息访问协议（imap））。

要理解的是，上文的描述意图为例证性而非限制性的。材料已被呈现以使得任何本领域技术人员能够制造和使用如要求保护的所公开的主题，并且在特定实施例的上下文中提供所述材料，本领域技术人员将会容易地想到所述特定实施例的变型（例如，所公开的实施例中的一些可以与彼此结合地使用）。例如，高速计数器和锁相电路（例如，图1中的元件120和130）可以并入单个设备中。类似地，高速计数器120可以并入在成像设备105内。另外，图3示出了图示出根据所公开的实施例的lit操作的流程图。在一个或多个实施例中，所公开的步骤中的一个或多个可以被省略、重复和/或以不同于本文中描述的顺序的顺序来执行。相应地，图3中所示的步骤或动作的具体布置不应被解释为限制所公开的主题的范围。因此，应参考随附权利要求以及这样的权利要求所赋予权利的等价物的完整范围来确定本发明的范围。在随附权利要求中，术语“包括”和“其中（inwhich）”用作相应术语“包含”和“在其中（wherein）”的简单英语等价表述。