High-resolution thermische Micro-imaging Met behulp europiumchelaat Lichtgevende Coatings

Samenvatting

Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) een optische luminescentie lijn bij 612 nm, waarvan de activering efficiëntie sterk af met de temperatuur. Indien een monster bekleed met een dunne film van dit materiaal micro-afgebeeld, kan de 612 nm luminescentie reactie intensiteit worden omgezet in een rechtstreekse kaart monster oppervlaktetemperatuur.

Samenvatting

Micro-elektronische apparaten vaak ondergaan significant zelfverhitting bij doorwegen in hun typische werkomstandigheden. Dit artikel beschrijft een geschikte optische micro-beeldvormingstechniek die kan worden gebruikt in kaart en dergelijk gedrag te kwantificeren. Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) een 612 nm luminescentie lijn waarvan de activering efficiëntie daalt sterk met toenemende temperatuur, vanwege afhankelijke wisselwerkingen tussen de ^{Eu3 +} ion en het organische complexvormende verbinding ton. Dit materiaal kan gemakkelijk worden aangebracht op een monsteroppervlak door thermische sublimatie onder vacuüm. Wanneer de bekleding wordt bekrachtigd met ultraviolet licht (337 nm) een optisch micro-foto van de 612 nm luminescente reactie kan direct worden omgezet in een kaart van het monsteroppervlak temperatuur. Deze techniek biedt ruimtelijke resolutie alleen beperkt door de optische microscoop (ongeveer 1 micron) en tijdresolutie beperkt door de snelheid van de camera gebruikt. Het biedt de extra voordelen van slechtswaarbij relatief eenvoudige en niet-gespecialiseerde apparatuur en geven een kwantitatieve sonde monstertemperatuur.

Inleiding

Veel elektronische inrichtingen ondergaan sterke zelfverhitting bij elektrisch voorgespannen om hun normale bedrijfsomstandigheden. Dit is meestal het gevolg van een combinatie van lage thermische geleidbaarheid (zoals halfgeleiders) en hoog vermogen dichtheid. Verder is in inrichtingen met halfgeleidende-achtige elektrische weerstand (namelijk ∂ρ / ∂ T <0) is al lang bekend dat de mogelijkheid van gelokaliseerde oververhitting onder bepaalde voorspanning omstandigheden ^{1, 2,} bestaat waarbij de ruststroom vloeit niet gelijkmatig door het apparaat, maar in smalle draden die behoren bij sterk gelokaliseerde zelfopwarming, meestal op een schaal van microns.

Inzicht dergelijke zelfverhitting physics in sommige gevallen essentieel voor het optimaliseren van het ontwerp van een bepaald apparaat, waardoor technieken voor het afbeelden temperatuur aan micron schalenerg nuttig. Er is een recente opleving van interesse in dergelijke technieken uit twee gebieden van de technologische ontwikkeling. De eerste is voor het afbeelden quench processen bij hoge temperatuur supergeleidende tapes die thermische micro-imaging maakt lessen kiemvormingsplaatsen te identificeren en bestudeerd ^{3, 4.} De tweede toepassing is voor het begrijpen zelfverhitting gestapeld intrinsieke Josephsonovergang terahertz bronnen die zijn vervaardigd uit Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O _8. Deze hebben de combinatie van lage thermische geleidbaarheid en halfgeleider-achtige elektrische geleiding langs het desbetreffende stroomrichting (gebruikte kristallijne c-as) hierboven beschreven. Ze zijn niet alleen experimenteel complex niet homogeen zelfopwarming gedrag ^{5, 6, 7, 8} tonen >, ^{9, 10, 11} Het is theoretisch voorspeld dat dit gunstig is voor THz zendvermogen levert ^{12, 13} kan zijn.

Een aantal technieken bestaat voor het afbeelden van de temperatuur van een monster op microscopische lengteschalen. Thermoluminescerend de techniek beschreven werd oorspronkelijk gebruikt voor halfgeleidende inrichtingen nabij kamertemperatuur ^{14, 15, 16} maar meer recentelijk bij cryogene badtemperaturen de supergeleidende tapes en THz bronnen dan ^{3, 4, 10, 11} beschreven toegepast. Verbeteringen in de resolutie en signaal-ruis prestaties van CCD-camera's hebben aanzienlijke prestatie ingeschakeldverbeteringen in deze techniek in de afgelopen decennia. De Eu-coördinatiecomplex europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) een optische luminescentie die sterk temperatuursafhankelijk. De organische liganden in dit complex effectief absorberen UV licht in een brede band rond 345 nm. De energie overgedragen door straling minder intra-moleculaire excitaties naar ^{Eu3 +} ionen, die het complex terugkeert naar de grondtoestand door het uitzenden van een foton luminescentie bij 612 nm. De sterke temperatuurafhankelijkheid voortvloeit uit de energie- overdrachtsproces ¹⁷ zorgt voor een gevoelige thermische sonde van een voorwerp bedekt met dit materiaal. Wanneer de bekleding wordt geëxciteerd met een nabij-UV source - bijvoorbeeld een Hg korte-booglamp - gebieden met lagere luminescentie intensiteit overeen met hogere lokale temperatuur. De resulterende beelden zijn in ruimtelijke resolutie beperkt door de resolutie van de microscoop optica en de golflengte van de luminescence (in de praktijk tot ongeveer 1 micron). Afhankelijk van de signaal-ruisverhouding vereist is tijdsresolutie slechts beperkt door de sluitertijd van de camera, en meer fundamenteel de vervaltijd van de luminescentie (maximaal 500 microseconden) ^15. Deze eigenschappen maken deze techniek zeer snelle probe temperatuur gereduceerd, waarbij direct temperatuurmetingen levert, via relatief eenvoudige en goedkope apparatuur.

Variaties op deze techniek eerder gepubliceerde andere groepen lage concentraties Eu-chelaten opgelost in polymeerfilms en spin-coating op het monsteroppervlak ^{3, 4} toegepast. Dit leidt tot een deklaag die plaatselijk zeer gelijkmatige, maar die aanzienlijke diktevariaties bij stappen in het monster topografie heeft - zoals vaak voorkomen in micro-inrichtingen - die een sterke ruimtelijke variaties in de luminescente reactie which kunnen artefacten in de beelden te geven. De techniek variatie die hier beschreven werk thermisch sublimeren onder vacuüm. Niet alleen heeft dit voorkomen dat de macroscopische laagdikte variatie probleem, maar de hogere EuTFC concentratie bereikt per oppervlakte-eenheid aanzienlijk verbetert de gevoeligheid en vermindert de beeldacquisitie tijd. Een verwante werkwijze maakt gebruik van een bekleding van SiC korrels op het oppervlak in plaats van de EuTFC ^{7, 8, 9.} SiC heeft temperatuurgevoeligheid vergelijkbaar met EuTFC bekledingen beschreven, maar de grootte van de granules beperkt de gladheid en de resolutie van de beelden.

Verscheidene andere technieken bestaan, die verschillende combinaties van voor- en nadelen te bieden. Directe infraroodbeeldvormingsmodules van zwartelichaamsstraling uit het monster is eenvoudig en heeft ruimtelijke resolutie van enkele microns, maar is slechts effectief wanneer het monster significantly boven kamertemperatuur. Scanning probe microscopie thermische technieken (bijvoorbeeld thermokoppel scanning microscopie of Kelvin probe microscopy) bieden een uitstekende gevoeligheid en ruimtelijke resolutie, maar trage beeldacquisitie keer noodzakelijkerwijs beperkt door de aftastsnelheid van de punt, en vereisen zeer complexe apparatuur. Scanning laser of aftastende elektronenstraal thermische microscopie meet de spanning verstoring bij een gemoduleerde bundel wordt gerasterd over het oppervlak van een stroom voorgespannen inrichting ^{6, 7, 18.} Dit biedt een uitstekende gevoeligheid en is iets sneller dan het scannen probetechnieken, maar nogmaals vereist zeer complexe apparatuur en geeft ook indirect, kwalitatief kaart van de monstertemperatuur.

Protocol

1. Bereiding van monster voor Coating

OPMERKING: Verwijder zo mogelijk alle organische verontreinigingen van het oppervlak van het monster thermisch te beelden. Dergelijke verontreiniging kan reageren met de afgezette film EuTFC en de luminescente reactie veranderen, waardoor plaatsafhankelijke artefacten in de resulterende warmtebeelden. Dit is vooral van belang monsters met Au-elektroden, die de neiging hebben organische verontreinigingen uit de atmosfeer te trekken. Verwijder deeltjes of stof zitten op het monsteroppervlak tegelijkertijd, aangezien deze kan leiden tot artefacten ook. De auteurs bevelen de volgende procedure:

1. Maak stroom en spanning verbindingen met de apparaten op het monster zoals supergeleidende bruggen of resistieve inrichtingen (bijv draadverbindingen, geschilderd op verbindingen met behulp van geleidende epoxy, enz.) Alvorens het te reinigen ter voorbereiding van dunne filmbekleding, omdat deze stappen verontreiniging kan invoeren worden worden verwijderd voor het coaten. Gebruik Au draden, indien mogelijk, want dit zal het gemakkelijker maken om het monster aan te sluiten op de cryostaat nadat de film is afgezet. (Zie stap 4.6 hieronder.)
2. Reinig het monster in 100% aceton in een ultrasoon bad gedurende 15 seconden.
3. Zonder dat het monster te drogen, reinigen in 100% isopropylalcohol in een ultrasoon bad gedurende 5 s.
4. Blaas het monster droog met stikstof pistool.
5. Indien mogelijk, de achtergebleven organische resten uit het monsteroppervlak behulp verassen met zuurstofplasma. Hiertoe gebruikt plasmavermogen van 100 W, _O2 debiet van 22 ^cm3 / s en gasdruk van 160 mTorr, 60 seconden. Om nieuwe verontreiniging van het monster te voorkomen, de EuTFC bekleding zo snel mogelijk na deze stap deponeren.

2. Bereiding van Verfsysteem voor EuTFC Deposition

1. Gebruik een sublimatie bron bestaat uit een speciaal gebouwde boat 20 x 10 x 10 ^mm3 in grootte (lxbxh) uit roestvrijs staalfolie omsluit een 10 spoel van Manganin weerstandsdraad, om te werken bij ongeveer 100-200 ° C. Los elke gesmolten-resten van EuTFC vanaf de boot door het weken in aceton, omdat deze een negatief effect op de eigenschappen van de nieuwe film.
2. Spoel de boot in isopropylalcohol.
3. Laat de boot volledig drogen aan de lucht alvorens EuTFC erin te laden.
4. Beschermen EuTFC poeder uit waterdamp en licht, terwijl het wordt opgeslagen. Grondig vermalen EuTFC poeder middels een agaten mortier en stamper om zichtbare klonten te verwijderen.
   OPMERKING: Zelfs wanneer het poeder wordt beschermd tegen waterdamp kan desondanks kristalliseren tot grote brokken 100 micron diameter of meer. Deze moeten worden verwijderd omdat ze resulteren in een grove ongelijkmatige film bij gesublimeerd waardoor artefacten in de warmtebeelden.
5. Installeer de monsterhouder en sublimatie bron bij het vacuüm bekledingssysteem zodanig dat het monster ligt ongeveer 10 mm verticaal boven de bron boot(Geschikt georiënteerde kristaldikte sensor voor het bewaken van de afzettingssnelheid). Sluit de bron boot verwarming leidt tot hun bijbehorende vacuüm doorvoeren.
6. Vult de bron boot ongeveer 2/3 met ongeveer 0,2 g gemalen EuTFC poeder.
7. Monteer het monster omgekeerd direct boven de bron boot (uniformiteit van de afgezette film te verzekeren), bij voorkeur met dubbelzijdig plakband of plakkerig punten, in plaats van vacuüm vet waarin de film kan verontreinigen.
8. Blootstelling van het monsteroppervlak en EuTFC poeder in de atmosfeer (vooral waterdamp) minimaliseren beginnen evacueren van de depositiekamer via een rotatiepomp zo spoedig mogelijk.

3. Afzetting van EuTFC Thin Film by Thermal sublimatie

1. Pomp de depositiekamer tot 3 x 10 ^-5 mbar of minder, bij voorkeur met een turbomoleculaire pomp.
2. Programmeer de kristaldikte beeldscherm te lezen voor een film dichtheid van 1,50 g / ^cm3.
3. Toepassing 0,5 W vermogen aan de bron boot kachel voorzichtig verwarmen de bron tot de EuTFC begint te sublimeren. 3 minuten voor de diktemonitor beginnen lezen merkbaar depositiesnelheid - 2 zal duren.
4. Pas het verwarmingsvermogen een afzettingssnelheid van 6 behouden - 7 nm / minuut. Maak slechts kleine, langzame aanpassingen, zoals de depositie snelheid duurt meestal 1-2 minuten om te reageren op veranderingen in vermogen.
   OPMERKING: boot temperaturen voldoende tot ruim 10 nm / minuut in deze configuratie deponeren kan het poeder smelt in de boot drastisch de oppervlakte en derhalve de sublimatie wordt gereduceerd. Wat nog belangrijker is, kan overmatige boot temperaturen chemisch veranderen de EuTFC en dus sterk verminderen van de thermische gevoeligheid van de luminescentie.
5. Na 200 nm (gelezen door de diktemonitor) van filmafzetting, zet de stroom naar de bron. (± 20 nm is hier aanvaardbaar, hoewel dikten buiten dit bereik beduidend resulteert in lagerefilmgevoeligheid.)
6. Na het lezen van de diktemonitor nul bereikt, ontlucht de kamer met droog stikstofgas. Na verwijdering beschermen het monster tegen licht en waterdamp zo snel mogelijk, bij opslag in een lichtdichte houder in een vacuüm exsiccator.
   Opmerking: Dit respectievelijk voorkomen bleken en chemische afbraak van de EuTFC dunne film.

4. Installatie van monster in Measurement cryostaat

1. Plaats een klodder vacuüm vet op het midden cryostaat monstertafel ongeveer 1-2 mm in diameter. Gebruik een monstertafel dat een koperen koude vinger met een cirkelvormig bovenvlak 15 mm.
   Opmerking: Het is groot genoeg om sterke thermisch contact tussen de fase en het monster wanneer het monster wordt platgedrukt boven op te waarborgen.
2. Als het monster substraat elektrisch geleidend, isoleren van het podium door een 10 micron vel Mylar bovenop het vet, en een tweede soortgelijke afmetingd blob boven op de Mylar.
   OPMERKING: De auteurs merken dat het beter is om vet te gebruiken met een relatief hoge viscositeit (bijvoorbeeld op siliconenbasis hoog vacuüm vet) dan gespecialiseerde warmteafvoer verbindingen, aangezien deze typisch dunvloeibare componenten die op kan stromen naar het bovenoppervlak bevatten van het monster en verontreinigen de EuTFC coating.
3. Op het monster boven op het vet met een pincet te dwingen gelijktijdig op twee diagonaal tegenover elkaar gelegen hoeken, en vervolgens inklemmen ten minste twee hoeken, met behulp messing schroeven en BeCu klemmen.
   Opmerking: Als het monster niet stevig op zijn plaats wordt gehouden, dan kan aanzienlijk ten opzichte van de microscoop drift wanneer de stroom wordt toegepast, waardoor de beelden moeilijk te analyseren.
4. Eventueel noodzakelijke elektrische verbindingen zoals stroom en spanning leidt van het monster naar de cryostaat bedrading, zorg niet verontreinigd (bv druppels soldeer vloeimiddel) om op de E toestaanuTFC film.
   LET OP: Doe dit met behulp van alleen de kleinste hoeveelheid flux die het werk doen, en bij voorkeur vermijd het gebruik van flux voor deze stap helemaal. Flux niet nodig als Au draden worden gebruikt om de verbindingen aan het monster.
5. Monteer het monster cryostaat op de xyz translatiestellage onder de microscoop, installeert het hitteschild en optisch venster en evacueren de monsterruimte met een turbomoleculaire pomp.
6. Bedek het optische raam van de cryostaat met een stuk aluminiumfolie (of vergelijkbaar) bleking van de EuTFC te voorkomen door omgevingslicht in de kamer. Zorg ervoor dat niet te beschadigen of verontreinigen van de microscoop lens als je dit doet.
7. Koel de cryostaat om het bad temperatuur van belang. Voor de in dit document beschreven voorbeelden, deze ligt typisch tussen 5 K en 100 K.
   LET OP: Zorg ervoor dat de steekproef podium te zitten voor langere tijd bij temperaturen tussen 125 K en 175 K, omdat in dit gebied de EuTFC film zal uiteindelijk kristalliseren ineen polygranular staat met inhomogene luminescentie-eigenschappen die ook na verloop van tijd kunnen drijven. Koeling door dit temperatuurstraject 2 K / minuut of sneller zorgen dat dit probleem niet optreedt. Als de cryostaat per ongeluk in dit temperatuurbereik wordt gelaten te lang, kan de EuTFC film reproduceerbaar 'reset' door simpelweg de cryostaat verwarmen tot ten minste 190 K gedurende 5 minuten.

5. Het verzamelen van Thermal Image Data

1. Installeer een korte-doorlaatfilter met 500 nm afsnijgolflengte in het belichtingssysteem opticaweg.
2. Installeer een banddoorlaatfilter met doorlaatband centrale golflengte = 610 nm en FWHM = 10 nm, in de verzameloptica pad.
   OPMERKING: Een smalle doorlaatband is het voordelig, omdat het minimaliseert collectie van achtergrondlicht die bijdraagt ​​aan het lawaai, maar niet aan het signaal. De filters moeten ook worden gekozen om spectrale overspraak tussen hen te minimaliseren.
3. Laat de lichtbron op te warmen en te stabiliseren op its stationaire bedrijfstemperatuur en laat de camera afkoelen het evenwicht bedrijfstemperatuur. Dit moet ongeveer 30 minuten in beide gevallen.
4. Met alle optische filters op hun plaats (aangezien de focus positie golflengte-afhankelijk) verlichten het monster en lijn en de focus van de microscoop naar de regio van belang.
   LET OP: Hoewel het monster niet wordt afgebeeld, gebruik dan een rolluik of iets dergelijks om onnodige verlichting van het monster en de daaruit voortvloeiende bleken van de EuTFC film te vermijden.
5. Verzamelen met een referentiebeeld nulstroom aangelegd op het monster. Bij het verzamelen van elke afbeelding, wordt een correctie aangebracht voor donkere tellingen, die sterk kan variëren van pixel naar pixel en geeft een significante verschuiving van de werkelijke afbeelding telt van het luminescente signaal.
   OPMERKING: De belichting omstandigheden gebruikt zal afhangen van de eisen van het experiment (zie bespreking), maar het is belangrijk om de belichting omstandigheden zodanig te kiezen dat het beeld bevat geen verzadigde pixels. Dereferentiebeeld is nodig omdat de verzamelde luminescentie intensiteit gewoonlijk sterk zal variëren afhankelijk van de oppervlaktereflectievermogen van het monster, zelfs wanneer de temperatuur ervan geheel uniform is.
6. Toepassen elektrische voorspanning op het monster, het verzamelen van een beeld onder dezelfde belichtingscondities als referentie, en bereken de intensiteitsverhouding hiervan. Opmerking: Het niveau van elektrische voorspanning nodig is, hangt sterk af van de combinatie van inrichting en zelfverhitting gedragingen die worden bestudeerd. De hier gepresenteerde voorbeelden typisch gevolg van monstervoorbereiding instelstromen in de orde van tientallen mA, wat resulteert in een enkele volts van voorspanning over de inrichting.
   Opmerking: Als het monster significant opzichte van het referentiebeeld is verplaatst, wordt de pixeldata worden verschoven gecompenseerd. (Afhankelijk van de prestatie van de camera, deze verschuiving kan ruis van pixel-tot-pixel variaties introduceren in zijn gevoeligheid voor licht en daarom bewegen van het monster wanneer moet worden geminimaliseerd helemaal poslijk.) Indien hoge absolute nauwkeurigheid van temperatuurmetingen nodig, kleine veranderingen in het licht intensiteit kan worden voor gecorrigeerd door het normaliseren van de beeld-voor-referentiewaarde op 1 op een geschikt gebied van het monster (bijv. een die voldoende ver de zelfopwarmde inrichting om ongevoelig te zijn).
7. Herhaal stap 5.6 voor alle vooringenomenheid voorwaarden van belang, terwijl de temperatuur van het bad constant.
8. Herhaal stap 5.4 tot en met 5.7 voor alle bad temperaturen van belang.
   OPMERKING: Afhankelijk van de cryostaat, kan het nodig zijn het monster te worden afgestemd en geheroriënteerd bij iedere nieuwe bad temperatuur.

6. kalibratie van de resultaten

1. Verzamel nul toegepaste stroom referentiebeelden voldoende om het hele temperatuurgebied van rente. 3-4 beelden bij elke temperatuur voldoende zijn om reproduceerbaarheid te stellen, terwijl 20 K tussenruimte voldoende gegevenspunten om een ​​nauwkeurige kalibratiekromme te genereren zal geven. (Zie figuur 1b </ Strong>.)
2. Uit deze curve, zetten de genormaliseerde intensiteit afbeeldingen in temperatuur kaarten. Terwijl de absolute luminescentie intensiteit sterk afhangt van de lokale oppervlaktereflectievermogen van het monster zijn genormaliseerd gedrag inzake temperatuur slechts zeer zwak beïnvloed.

7. bewaard en Film hergebruik

1. Zoals altijd, houdt de film beschermd tegen bleken door omgevingslicht. OPMERKING: Indien nodig kan de EuTFC bekleding op een monster herhaalde thermische cycli kunnen weerstaan, en de eigenschappen blijft stabiel gedurende 2-3 weken bij bewaring onder hoog vacuüm.
   OPMERKING: Echter, zelfs wanneer ze worden bewaard in hoog vacuüm bij kamertemperatuur, de film zal meer dan 2-3 maanden af ​​te breken. (Verkleuring en verruwing van de film kan gemakkelijk worden gezien onder een optische microscoop.) Indien dit op een monster dat extra thermische beelden zijn, wordt de film schoon te maken en te vervangen volgens de stappen 1-3.

Resultaten

Een voorbeeld van een typische meetopstelling voor het uitvoeren van dit experiment bij cryogene badtemperaturen is getoond in figuur 1a, terwijl een typische kromme van 612 nm luminescentie reactie intensiteit tegen de temperatuur is uitgezet in figuur 1b.

Figuur 2 toont een voorbeeld van typische warmtebeelden self verhitting in een Bi ₂ Sr ₂ CaCu _...

Discussie

Zoals blijkt uit onze resultaten, de in dit artikel beschreven techniek levert een hoge resolutie thermische beelden van micro-inrichtingen, met een goede gevoeligheid en met behulp van slechts eenvoudige optische microscopie apparatuur. De voordelen van deze techniek in vergelijking met alternatieve methoden (die hieronder zal worden besproken) het sterkst bij ongeveer 250 K en lager, wat betekent dat de belangrijkste toepassingen voor het bestuderen van zelfverhitting van inrichtingen die zijn ontworpen voor gebruik b...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Europium thenoyltrifluoroacetonate poeder	Sigma-Aldrich	176494-1G	Ook bekend als Europium tris[3-(trifluoromethylhydroxymethylene)-(+)-camphorate]
Kwik korte booglamp met flexibele lichtgeleider	Lumen Dynamics	X-Cite Exacte	Lichtbron bevat interne iris en fotosensor voor outputintensiteit feedback.
Peltier-gekoelde CCD-camera	Princeton Instruments	PIXIS 1024	1.024 x 1.024 pixels, 16-bit resolutie
610 nm band-pass filter	Edmund Optics	65-164	Passband heeft CWL 610 nm, FWHM 10 nm
500 nm short-pass filter	Edmund Optics	84-706	OD4 in stopband
Helium flow cryostat met optisch venster	Oxford Instruments	MicrostatHe2
Hoge vacuümvet	Dow Corning
Digitale stroombron	Keithley	Model 2400	Computer-bestuurbare stroom & spanningsbron
Digitaal voltmeter	Hewlett-Packard	Model 34420A	Digitaal Nanovoltmeter nu beschikbaar als Agilent Model 34420A