Haute résolution Micro-imagerie thermique à l'aide d'europium chélate luminescentes Revêtements

Résumé

Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) présente une ligne de luminescence optique à 612 nm, dont l'efficacité diminue fortement l'activation avec la température. Si un échantillon revêtu d'une couche mince de ce matériau est micro-imagée, la 612 nm intensité de la réponse luminescente peut être convertie en une carte directe de la température de surface de l'échantillon.

Résumé

dispositifs micro-électroniques sont souvent soumis à l'auto-échauffement important lorsque biaisé à leurs conditions de fonctionnement typiques. Ce document décrit une technique de micro-imagerie optique commode qui peut être utilisée pour cartographier et quantifier un tel comportement. Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) a une ligne de luminescence 612 nm dont le rendement activation gouttes fortement lorsque la température augmente, en raison des interactions dépendantes T entre l'ion ^{Eu3 +} et le composé chélatant organique. Ce matériau peut être facilement déposé sur une surface d'échantillon par sublimation thermique sous vide. Lorsque le revêtement est excité avec de la lumière ultraviolette (337 nm) d'une micro-image optique de la réponse luminescente 612 nm peut être convertie directement en une carte de la température de la surface de l'échantillon. Cette technique offre une résolution spatiale limitée que par l'optique du microscope (environ 1 micron) et une résolution temporelle limitée par la vitesse de l'appareil utilisé. Il offre les avantages supplémentaires de seulementnécessitant un équipement relativement simple et non spécialisée, et en donnant une sonde quantitative de la température de l'échantillon.

Introduction

De nombreux dispositifs électroniques auto-échauffement fort lorsqu'il est polarisé électriquement à leurs conditions normales de fonctionnement. Ceci est généralement dû à une combinaison d'une faible conductivité thermique (par exemple dans les semi-conducteurs) et de haute densité de dissipation d'énergie. En outre, dans des dispositifs ayant une résistivité électrique de type semi - conducteur ( par exemple avec ∂ρ / ∂ T <0) , il est connu depuis longtemps qu'il existe la possibilité d' une sous certaines conditions de sollicitation emballement thermique localisé ^{1, 2,} dans lequel le courant de polarisation pas de manière uniforme à travers le dispositif, mais plutôt en filaments étroits qui sont associés à l'auto-échauffement très localisé, généralement sur une échelle de microns.

Comprendre la physique comme l'auto-échauffement peut, dans certains cas, être indispensable pour optimiser la conception d'un dispositif particulier, ce qui signifie que les techniques de la température d'imagerie sur des échelles de micron sonttrès utile. Il y a eu un regain d'intérêt récent pour ces techniques de deux domaines du développement technologique. La première est pour les procédés de trempe d'imagerie à rubans supraconducteurs à haute température dans laquelle des micro-imagerie thermique permet étancher des sites de nucléation pour être identifié et étudié ^{3, 4.} La seconde application est pour la compréhension de l' auto-échauffement dans les sources térahertz de jonction Josephson empilés intrinsèques, qui sont fabriqués à partir de Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O _8. Ceux - ci ont la combinaison d' une faible conductivité thermique et une conductivité électrique de type semi-conducteur le long de la direction correspondante du flux de courant (ie leur axe des cristaux c) décrits ci - dessus. Non seulement ils montrent expérimentalement le comportement d' auto-chauffage inhomogène complexe ^{5, 6, 7, 8} >, ^{9, 10, 11} , il a été théoriquement prédit que cela peut être bénéfique pour l' émission de puissance de THz ^{12, 13.}

Un certain nombre de techniques existent pour l'imagerie de la température d'un échantillon à des échelles microscopiques de longueur. La technique de thermoluminescence décrit ici a été utilisé pour les appareils semi - conductrices à température ambiante ^{14, 15, 16} , mais a été appliqué récemment à des températures de bain cryogénique pour les bandes et les sources THz supraconducteurs décrits ci - dessus ^{3, 4, 10, 11.} L'amélioration de la résolution et le rapport signal-bruit performances des caméras CCD ont permis des performances considérablesl'amélioration de cette technique au cours des dernières décennies. Le complexe d'europium Eu-coordination thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) présente une luminescence optique qui est fortement dépendante de la température. Les ligands organiques de ce complexe absorbent efficacement la lumière UV dans une large bande d'environ 345 nm. L'énergie est transférée par l' intermédiaire d'un rayonnement moins excitations intra-moléculaire de l'ion Eu ^3+, qui renvoie le complexe à son état fondamental par l'émission d'un photon de luminescence à 612 nm. La forte dépendance de la température provient du processus de transfert d'énergie ¹⁷ fabrication pour une sonde thermique sensible d'un objet revêtu de ce matériau. Lorsque le revêtement est excité par une source proche ultraviolet - telle qu'une lampe à arc court Hg - régions avec l'intensité de la luminescence inférieur correspondent à la température locale plus élevée. Les images résultantes sont limitées en résolution spatiale par la résolution de l'optique du microscope et la longueur d'onde de la luminescence (en pratique, à environ 1 micron). Selon le rapport signal-bruit requis, la résolution temporelle est limitée que par la vitesse d'obturation de l'appareil photo, et plus fondamentalement le temps de décroissance de la luminescence (pas plus de 500 ms) ^15. Ces caractéristiques font de la technique une sonde très rapide de la température de l'appareil, ce qui donne des mesures de température directes, en utilisant un équipement relativement simple et économique.

Des variantes de cette technique publiée dans le passé par d' autres groupes ont utilisé de petites concentrations de Eu-chélates en solution dans des films de polymère et de spin-revêtues sur la surface de l' échantillon ^{3, 4.} Il en résulte un revêtement qui est hautement uniforme localement, mais qui présente des variations importantes d'épaisseur à pas dans la topographie de l'échantillon - tels que surviennent fréquemment chez les microdispositifs - entraînant de fortes variations spatiales de la réponse luminescente which peut donner des artefacts dans les images. La variation de la technique que nous décrivons ici utilise la sublimation thermique sous vide. Non seulement ceci évite le problème de variation macroscopique de l'épaisseur du film, mais la concentration EuTFC plus élevée obtenue par unité de surface améliore significativement la sensibilité et réduit le temps d'acquisition d'image. Une technique apparentée utilise un revêtement de SiC sur la surface des granules au lieu de la EuTFC ^{7, 8, 9.} SiC offre une sensibilité de température comparable aux revêtements EuTFC décrits ici, mais la taille des granulés limite la finesse et la résolution des images obtenues.

Plusieurs autres techniques existent, qui offrent différentes combinaisons d'avantages et des inconvénients. imagerie infrarouge directe du rayonnement de corps noir à partir de l'échantillon est simple et a une résolution spatiale de quelques micromètres, mais est efficace seulement lorsque l'échantillon est significatifment la température ambiante au-dessus. sonde à balayage des techniques de microscopie thermique (telles que la microscopie thermocouple à balayage ou microscopie à sonde Kelvin) offrent une excellente sensibilité et une résolution spatiale, mais ont des temps d'acquisition d'image lente, nécessairement limitée par la vitesse de balayage de la pointe, ainsi que nécessitant un équipement très complexe. Laser de balayage ou de numérisation des mesures de microscopie thermique faisceau d'électrons le de perturbation de tension lorsqu'un faisceau modulé est tramé sur toute la surface d'un dispositif à polarisation de courant ^{6, 7, 18.} Cela offre une excellente sensibilité, et est un peu plus rapide que le balayage des techniques de sonde, mais encore une fois nécessite un équipement très complexe, et donne également une carte indirecte, qualitative de la température de l'échantillon.

Protocole

1. Préparation de l'échantillon pour le revêtement

REMARQUE: si possible, éliminer toute contamination organique de la surface de l'échantillon à la chaleur imagée. Une telle contamination peut réagir avec le film déposé et EuTFC modifier sa réponse luminescente, causant des artefacts dépendants de la position dans les images thermiques résultant. Ceci est particulièrement important avec des échantillons avec des électrodes de surface Au, qui ont tendance à attirer la contamination organique de l'atmosphère. Retirez toutes les particules ou poussières assis sur la surface de l'échantillon en même temps, puisque ceux-ci peuvent entraîner des problèmes aussi. Les auteurs recommandent la procédure suivante:

1. Établir des connexions de courant et de tension aux dispositifs sur l'échantillon , tels que des ponts supraconducteurs ou des dispositifs résistifs (par exemple , liaisons par fils, peints sur des connexions à l' aide de résine époxy conductrice, etc.) avant de le nettoyer en préparation pour le revêtement de film mince, étant donné que ces étapes peuvent introduire une contamination wUEL doit être retiré avant le revêtement. Utilisez des câbles Au si possible, car cela sera plus facile de se connecter à l'échantillon cryostat après que le film a été déposé. (Voir l'étape 4.6 ci-dessous.)
2. Nettoyer l'échantillon dans 100% d'acétone dans un bain à ultrasons pendant 15 s.
3. Sans permettre à l'échantillon à sec et propre dans 100% d'alcool isopropylique dans un bain à ultrasons pendant 5 s.
4. Souffler l'échantillon sec à l'aide d'un pistolet à azote.
5. Si possible, nettoyer les éventuels résidus organiques restant sur la surface de l'échantillon à l'aide de la calcination de plasma d'oxygène. Pour ce faire, utiliser la puissance de plasma de 100 W, O ₂ débit de 22 cm ³ / s, et la pression de gaz de 160 mTorr pendant 60 s. Pour éviter une nouvelle contamination de l'échantillon, déposer le revêtement EuTFC le plus tôt possible après cette étape.

2. Préparation du système de revêtement pour EuTFC dépôt

1. Utiliser une source de sublimation constitué par un bateau construit à cet effet 20 x 10 x 10 mm ³ de taille (Lxlxh) en stainless feuille d'acier, entourant une bobine 10 de fil de résistance Manganin, pour un fonctionnement à environ 100 - 200 ° C. Dissoudre tout-résidus fondus de EuTFC du bateau par trempage dans de l'acétone, que ceux-ci auront une incidence défavorable sur les propriétés du nouveau film.
2. Rincer le bateau dans l'alcool isopropylique.
3. Laisser le bateau à sécher complètement à l'air avant de procéder au chargement EuTFC en elle.
4. Protéger la poudre EuTFC de la vapeur d'eau et de lumière pendant qu'il est stocké. broyer la poudre à fond EuTFC utilisant un mortier d'agate et d'un pilon pour éliminer tous les grumeaux visibles.
   REMARQUE: Même lorsque la poudre est protégé contre la vapeur d'eau, il peut encore se cristalliser en gros morceaux de 100 microns de diamètre ou plus. Ceux-ci doivent être enlevés car ils entraîneront dans un film grossièrement non uniforme lorsque sublimés, ce qui provoque des artefacts dans les images thermiques.
5. Installer le porte-échantillon et la source de sublimation dans le système de revêtement sous vide de telle sorte que l'échantillon se trouve à environ 10 mm au-dessus du bateau source(Capteur d'épaisseur de cristal orienté de manière appropriée pour contrôler la vitesse de dépôt). Raccorder le chauffage du bateau source conduit à leurs traversées de vide associés.
6. Remplir le bateau de la source d'environ 2/3 à environ 0,2 g de poudre EuTFC du sol.
7. Monter l'échantillon à l'envers au-dessus du bateau de source (pour assurer l'uniformité du film déposé), de préférence en utilisant un adhésif double face ou des points collants, plutôt que de la graisse à vide qui peut contaminer le film.
8. Afin de minimiser l'exposition de la surface de l'échantillon et la poudre EuTFC à l'atmosphère (en particulier la vapeur d'eau) commencer l'évacuation de la chambre de dépôt à l'aide d'une pompe rotative, dès que possible.

3. Dépôt de EuTFC film mince par Sublimation thermique

1. Pomper la chambre de dépôt à 3 x 10 ^-5 mbar ou moins, de préférence en utilisant une pompe turbo-moléculaire.
2. Programmer le moniteur d'épaisseur de cristal à lire pour une densité de film de 1,50 g / cm ^3.
3. Appliquer 0,5 W de puissance à l'élément chauffant du bateau de source, pour réchauffer doucement la source jusqu'à ce que le EuTFC commence à se sublimer. Il prendra 2 - 3 minutes pour le moniteur d'épaisseur pour commencer la lecture d'un taux de dépôt appréciable.
4. Régler la puissance de chauffage pour maintenir une vitesse de dépôt de 6-7 nm / minute. Faire que de petits ajustements lents, comme le taux de dépôt prend généralement 1 - 2 minutes pour répondre aux changements dans l'entrée d'alimentation.
   REMARQUE: Les températures de bateaux suffisantes pour déposer plus de 10 nm / minute dans cette configuration peut provoquer la poudre à l'état fondu dans le bateau, ce qui réduit considérablement sa surface et ainsi la vitesse de sublimation. Plus important encore, les températures excessives de bateau peuvent modifier chimiquement la EuTFC et réduire ainsi fortement la sensibilité thermique de sa luminescence.
5. Après 200 nm (lu par le moniteur d'épaisseur) de dépôt de film, couper l'alimentation de la source. (± 20 nm est acceptable ici, bien que des épaisseurs sensiblement en dehors de cette plage entraîne inférieurela sensibilité du film).
6. Après la lecture sur le moniteur d'épaisseur atteint zéro, la chambre de ventilation, avec de l'azote gazeux sec. Après le retrait, le protéger de la lumière et de la vapeur d'eau dès que possible, lors de l'entreposage dans un récipient étanche à la lumière dans un dessicateur sous vide.
   NOTE: Cela permettra d'éviter respectivement le blanchiment et la dégradation chimique de la couche mince EuTFC.

4. Installation de l'échantillon dans la mesure cryostat

1. Placer une goutte de la graisse à vide sur la scène de cryostat d'échantillon d'environ 1-2 mm de diamètre. Utiliser un étage d'échantillon comprenant un doigt froid de cuivre avec une surface supérieure circulaire de diamètre 15 mm.
   NOTE: Ceci est une taille suffisante pour assurer un contact thermique étroit entre la scène et l'échantillon lorsque l'échantillon est pressé à plat sur le dessus de celui-ci.
2. Si le substrat de l'échantillon est électriquement conducteur, l'isoler de la phase en plaçant une feuille de 10 microns de Mylar sur le dessus de la graisse, et une deuxième taille similaireblob d au-dessus du Mylar.
   NOTE: Les auteurs constatent qu'il est préférable d'utiliser de la graisse ayant une viscosité relativement élevée (par exemple haute graisse à vide à base de silicone) que les composés dissipant la chaleur spécialisés, comme ceux - ci contiennent généralement des composants à faible viscosité qui peut circuler sur la surface supérieure de l'échantillon et contaminer son revêtement EuTFC.
3. Appuyez sur l'échantillon vers le bas sur le dessus de la graisse en utilisant des pinces pour appliquer une force à deux coins diagonalement opposés en même temps, puis serrer en place au moins deux coins, à l'aide des vis en laiton et des pinces BeCu.
   NOTE: Si l'échantillon est pas bien maintenu en position, il peut dériver de manière significative par rapport au microscope lorsque l'alimentation est appliquée, ce qui rend les images résultantes difficiles à analyser.
4. Effectuez toutes les connexions électriques nécessaires telles que pour le courant et la tension conduit de l'échantillon au câblage du cryostat, en prenant soin de ne pas laisser la contamination (par exemple des gouttelettes de flux de soudure) à la terre sur le EFilm uTFC.
   NOTE: Pour ce faire, en utilisant uniquement la plus petite quantité de flux qui fera le travail, et de préférence éviter d'utiliser le flux pour cette étape du tout. Flux ne devrait pas être nécessaire si les fils Au sont utilisés pour les connexions à l'échantillon.
5. Monter l'échantillon cryostat sur son étage de translation xyz sous le microscope, installer le bouclier thermique et la fenêtre optique, et d'évacuer l'espace de l'échantillon avec une pompe turbomoléculaire.
6. Couvrir la fenêtre optique du cryostat avec un morceau de feuille d'aluminium (ou similaire) pour empêcher le blanchiment de l'EuTFC par l'éclairage ambiant dans la chambre. Prenez soin de ne pas endommager ou contaminer la lentille du microscope lors de cette opération.
7. Laisser refroidir le cryostat à la température du bain d'intérêt. Pour les échantillons décrits dans le présent document, elle est généralement comprise entre 5 K et 100 K.
   REMARQUE: Ne pas laisser la scène de l'échantillon reposer pendant de longues périodes de temps à des températures comprises entre 125 K et 175 K, puisque dans cette gamme le film EuTFC va se cristalliser finalement dansà un état polygranular avec des propriétés de luminescence inhomogène qui peut aussi dériver au fil du temps. Refroidissement à travers cette plage de température à 2 K / minute ou plus rapide fera en sorte que ce problème ne se produit pas. Si le cryostat est accidentellement laissé dans cette plage de température trop longtemps, le film EuTFC peut être reproductible « reset » simplement chauffer le cryostat à au moins 190 K pendant 5 minutes.

5. Collecte des données d'image thermique

1. Installer un filtre passe-court avec une longueur d'onde de coupure de 500 nm dans le chemin optique d'illumination.
2. Installer un filtre passe-bande à longueur d'onde centrale passe-bande = 610 nm et FWHM = 10 nm, dans le trajet optique de collecte.
   NOTE: Une bande passante étroite est avantageuse ici, car il minimise la collecte de la lumière d'arrière-plan qui contribue au bruit, mais pas au signal. Les filtres doivent être choisis pour minimiser la diaphonie spectrale entre eux.
3. Laisser la source de lumière pour se réchauffer et se stabiliser à its température de fonctionnement en régime permanent, et laissez refroidir l'appareil à sa température de fonctionnement d'équilibre. Cela devrait prendre environ 30 minutes dans les deux cas.
4. Avec tous les filtres optiques en place (depuis la position de mise au point en fonction de la longueur d'onde) éclairer l'échantillon et aligner et focaliser le microscope à la région d'intérêt.
   REMARQUE: Bien que l'échantillon ne soit pas imagé, utilisez un volet roulant ou similaire afin d'éviter un éclairage inutile de l'échantillon et le blanchiment résultante du film EuTFC.
5. Recueillir une image de référence à courant nul appliqué à l'échantillon. Lors de la collecte de chaque image, faire une correction pour les comptages sombres, qui peuvent varier fortement d'un pixel à, ainsi que de donner un décalage significatif aux véritables chefs d'image à partir du signal luminescent.
   NOTE: Les conditions d'exposition utilisées dépendra des besoins de l'expérience (voir la discussion), mais il est important de choisir les conditions d'exposition telle que l'image ne contient pas de pixels saturés. leimage de référence est nécessaire, car l'intensité luminescente recueillies seront généralement varier fortement en fonction de la réflectivité de la surface de l'échantillon, même lorsque sa température est tout à fait uniforme.
6. Appliquer une polarisation électrique à l'échantillon, de recueillir une image dans les mêmes conditions d'exposition que la référence, et calculer le rapport d'intensité de ceux-ci. NOTE: Le niveau de polarisation électrique nécessaire dépend fortement de la combinaison de l'appareil et le comportement d'auto-échauffement qui sont à l'étude. Les exemples présentés ici résultent généralement de courants de polarisation de l'échantillon de l'ordre de dizaines de mA, résultant en quelques volts de biais à travers le dispositif.
   NOTE: Si l'échantillon est déplacé de manière significative par rapport à l'image de référence, les données de pixels doivent être décalées pour compenser. (Toutefois, en fonction de la performance de l'appareil, ce changement peut introduire du bruit des variations pixel à pixel dans sa sensibilité à la lumière, ce qui explique pourquoi le mouvement de l'échantillon doit être réduite au minimum si tout possible). Si une grande précision absolue dans les mesures de température est nécessaire, de petites dérives de l'intensité de la lampe peuvent être corrigées pour en normalisant le rapport de référence d'image à 1 dans une région appropriée de l'échantillon ( par exemple un. qui est suffisamment loin à partir du dispositif d'auto-chauffée à être affecté par celle-ci).
7. Répétez l'étape 5.6 pour toutes les conditions de polarisation d'intérêt, tout en gardant la température constante du bain.
8. Répétez les étapes 5.4 jusqu'à 5.7 pour toutes les températures de bain d'intérêt.
   REMARQUE: En fonction du cryostat, l'échantillon peut devoir être réorientés à chaque nouvelle température du bain.

6. L'étalonnage des résultats

1. Recueillir des images de référence zéro courant appliqué suffisantes pour couvrir toute la plage de température d'intérêt. 3 à 4 images à chaque température suffisent pour établir la reproductibilité, alors que l'espacement 20 K donne suffisamment de points de données pour générer une courbe d'étalonnage précis. (Voir la figure 1b </ Strong>.)
2. A partir de cette courbe, convertir les images d'intensité normalisées dans des cartes de température. Bien que l'intensité luminescente absolue dépend fortement de la réflectivité de la surface locale de l'échantillon, son comportement normalisé par rapport à la température est que très faiblement affectée.

7. Stockage des échantillons et Film Réutiliser

1. Comme toujours, garder le film protégé contre le blanchiment par la lumière ambiante. NOTE: Si nécessaire, le revêtement EuTFC sur un échantillon peut résister à des cycles thermiques répétés, et ses propriétés demeurera stable sur une période de 2-3 semaines lorsqu'il est maintenu sous vide poussé.
   NOTE: Cependant, même quand il est stocké sous vide poussé à la température ambiante, le film se dégrade à 2-3 mois. (Décoloration et rugosités du film peuvent être facilement visibles au microscope optique.) Si cela se produit sur un échantillon qui nécessite des images thermiques supplémentaires, puis nettoyer le film et le remplacer selon les étapes 1 à 3.

Résultats

Un exemple d'une configuration de mesure typique pour la conduite de cette expérience à des températures de bain cryogénique est représenté sur la figure 1a, tandis qu'une courbe caractéristique de 612 nm intensité de la réponse luminescente fonction de la température est représentée sur la figure 1b.

La figure 2 montre un exemple d'images thermiques typiques de soi chauffage ...

Discussion

Comme il est démontré par nos résultats, la technique décrite dans cet article donne des images thermiques à haute résolution de microsystèmes, avec une bonne sensibilité et en utilisant seulement un simple équipement de microscopie optique. Les avantages de cette technique par rapport aux méthodes alternatives (dont il sera question ci-dessous) sont les plus fortes à environ 250 K et au-dessous, ce qui signifie que ses applications les plus importantes sont pour l'étude de l'auto-échauffement des dispositifs qui sont c...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Poudre d’europium thénoyltrifluoroacétonate	Sigma-Aldrich	176494-1G	Également connu sous le nom d’Europium tris[3-(trifluorométhylhydroxyméthylène)-(+)-camphorate]
Lampe à arc court au mercure avec guide de lumière flexible	Lumen Dynamics	X-Cite Exacte	La source de lumière comprend l’iris interne et le photocapteur pour le retour d’intensité de sortie.
Caméra CCD refroidie par Peltier Princeton	Instruments	PIXIS 1024	1 024 x 1 024 pixels, résolution 16 bits
Filtre passe-bande 610 nm	Edmund Optics	65-164	Passband a CWL 610  ; nm, FWHM 10 nm
500 nm filtre passe-court	Edmund Optics	84-706	OD4 en bande d’arrêt
Cryostat à écoulement d’hélium avec fenêtre optique	Oxford Instruments	MicrostatHe2
graisse sous vide poussé	Dow Corning
Numérique Source de courant	Keithley	Modèle 2400	Source de courant et de tension contrôlable par ordinateur
Numérique Voltmètre	Hewlett-Packard  ;	Le nanovoltmètre numérique modèle 34420A	est maintenant disponible en tant que modèle Agilent 34420A