Высокое разрешение Тепловых Micro-изображения с помощью европия хелата Люминесцентных Coatings

Резюме

Европий thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) имеет оптическую линию люминесценции при 612 нм, чья эффективность активации сильно уменьшается с ростом температуры. Если образец, покрытый тонкой пленкой из этого материала микро-, изображаемый нм интенсивность люминесцентного отклика 612 может быть преобразован в прямую карту температуры поверхности образца.

Аннотация

Микро-электронные приборы часто подвергаются существенному саморазогреву при смещены их типичных условиях эксплуатации. В данной работе описан удобный оптический метод микро-изображений, которые могут быть использованы для отображения и количественной оценки такого поведения. Европий thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) имеет линию люминесценции 612 нм , чья эффективность активации сильно падает с ростом температуры из - за T -зависимые взаимодействия между Eu ³⁺ иона и органического хелатирующего соединения. Этот материал может быть легко нанесен на к поверхности образца путем термической сублимацией в вакууме. Когда покрытие возбуждается ультрафиолетовым светом (337 нм) оптический микро-изображение 612 нм люминесцентной реакции можно превратить непосредственно в карту температуры поверхности образца. Этот метод предлагает пространственное разрешение ограничивается только оптики микроскопа (около 1 мкм) и разрешение по времени, ограниченную скорость камеры, используемой. Он предлагает дополнительные преимущества толькотребующая сравнительно простое и не специализированное оборудование, а также дает количественный зонд температуры образца.

Введение

Многие электронные устройства подвергаются сильному саморазогреву, когда электрический смещены к их нормальным условиям эксплуатации. Это, как правило, обусловлено сочетанием низкой теплопроводностью (например, в полупроводниках) и высокой плотности мощности диссипации. Кроме того, в устройствах с полупроводниковым типом электрического сопротивлением (т.е. с ∂ρ / ∂ Т <0) , что уже давно известно , что существует возможность локализованного теплового пробоя при определенных условиях смещающих ^{1, 2,} в которой протекает ток смещения не равномерно через устройство, а в узких волокнах, которые связаны с высоким локализованным саморазогревом, как правило, по шкале от микрон.

Понимание такой физики саморазогрева в некоторых случаях может иметь важное значение для оптимизации конструкции конкретного устройства, а это означает, что методы визуализации температуры на микронных весахочень полезно. Там в последнее время наблюдается всплеск интереса к таким методам из двух направлений развития технологий. Первый из них предназначен для процессов закалки изображений в высокотемпературных сверхпроводящих лент , в которых тепловое микро-изображений позволяет закалочной центров кристаллизации , которые будут определены и изучены ^{3, 4.} Второе приложение для понимания саморазогрева в сложенных внутренних соединительных Джозефсона источников терагерцового, которые изготавливаются из Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O _8. Они имеют сочетание низкой теплопроводности и полупроводниковый тип электропроводности вдоль соответствующего направления тока (т.е. их кристаллической с -Axis) , описанных выше. Мало того, что они экспериментально показывают сложное поведение неоднородно саморазогрев ^{5, 6, 7, 8} >, ^{9, 10, 11} это было теоретически предсказано , что это может быть полезным для излучения ТГц мощности ^{12, 13.}

Целый ряд методов существует для визуализации температуры образца на микроскопических масштабах длины. Метод , описанный здесь термолюминесцентный был первоначально использован для полупроводниковых приборов , близкой к комнатной температуре , ^{14, 15, 16} , но совсем недавно была применена при криогенных температурах до ванны сверхпроводящих лент и источников ТГц , описанных выше , ^{3, 4, 10, 11.} Улучшения в производительности разрешения и сигнал-шум ПЗС-камер позволили значительную производительностьУлучшения в этой технике в течение последних нескольких десятилетий. Eu-координационный комплекс европий thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) имеет оптическое свечение, которое сильно зависят от температуры. Органические лиганды в этом комплексе эффективно поглощают УФ свет в широком диапазоне около 345 нм. Энергия передается излучением менее с помощью интра-молекулярных возбуждений в Eu ³⁺ иона, который возвращает комплекс в основное состояние путем испускания люминесценции фотона при 612 нм. Сильная температурная зависимость возникает из-за процесса переноса энергии ¹⁷ решений для чувствительного термозонда объекта , покрытого с этим материалом. Когда покрытие возбуждается источником ближней ультрафиолетовой - такие, как Хг Шорт дуговой лампы - регионы с более низкой интенсивности люминесценции соответствуют выше локальной температуры. Полученные изображения ограничены в пространственном разрешении по решению оптики микроскопа и длиной волне люмаinescence (на практике около 1 мкм). В зависимости от отношения сигнал-шум требуется, разрешение по времени ограничено только скоростью затвора камеры, и более существенно от времени затухания люминесценции (не более 500 мкс) ^15. Эти характеристики делают этот метод очень быстрый датчик температуры устройства, что дает прямые измерения температуры, с использованием сравнительно простого и экономичного оборудования.

Вариации этого метода , опубликованный в прошлом других групп использовали малые концентрации Eu-хелат , растворенных в полимерных пленках и спин-покрытие на поверхность образца ^{3, 4.} Это приводит к покрытию, которое является весьма однородным локально, но который имеет значительные вариации толщины с шагом в образце рельефе - такие, как обычно происходит в микроустройствах - в результате сильных пространственных вариаций в ответ люминесцентного Whич может дать артефакты в изображениях. Вариации метода, который мы описываем здесь, использует тепловую сублимацию в вакууме. Это не только избежать макроскопической толщины пленки проблемы вариации, но более высокая концентрация EuTFC достигнут на единицу площади значительно улучшает чувствительность и уменьшает время получения изображения. Родственный способ использует покрытие из карбида кремния гранул на поверхности вместо EuTFC ^{7, 8, 9.} SiC предлагает чувствительность к температуре, сравнимой с покрытиями EuTFC, описанных здесь, но размер гранул ограничивает гладкость и разрешение полученных изображений.

Некоторые другие методы существуют, которые предлагают различные сочетания преимуществ и недостатков. Прямое инфракрасное изображение черного излучения от образца просто и имеет пространственное разрешение в несколько микрон, но эффективно только когда образец является значительнымLY выше комнатной температуры. Сканирующие зондовая микроскопия метода термической (например, сканирующая микроскопия термопары или Кельвин зондовой микроскопии) обеспечивает превосходную чувствительность и пространственное разрешение, но имеет медленные времена захвата изображений, обязательно ограничена скоростью сканирования наконечника, а также требует весьма сложного оборудования. Сканирование лазер или с помощью сканирующего электронного луча измеряет тепловое возмущение микроскопии напряжения , когда модулированный луч растра по поверхности тока смещенного устройства ^{6, 7, 18.} Это обеспечивает отличную чувствительность, и несколько быстрее, чем сканирование зондовых метод, но в очередной раз требует весьма сложного оборудования, а также дает косвенное, качественное отображение температуры образца.

протокол

1. Приготовление образца для покрытия

Примечание: Если возможно, удалить все органические загрязнения с поверхности образца, чтобы быть термически образом. Любое такое загрязнение может вступать в реакцию с нанесенным EuTFC пленкой и изменить его люминесцентный отклик, в результате чего положения в зависимости от артефактов в результате тепловых изображений. Это имеет особое значение с образцами с поверхностными электродами Au, которые, как правило, привлекают органические загрязнения из атмосферы. Удалите любые частицы пыли или сидит на поверхности образца, в то же время, так как это может привести к артефактам также. Авторы рекомендуют следующую процедуру:

1. Убедитесь тока и напряжения подключения к устройствам на образце , такие как сверхпроводящих мостов или резистивных устройств (например , проволочные соединения, окрашенные-на соединениях с использованием проводящей эпоксидной смолы и т.д.) , перед очисткой при подготовке к тонким пленочным покрытием, так как эти шаги могут ввести загрязнение весHICH должны быть удалены перед нанесением покрытия. Используйте Au провод, если это возможно, так как это будет сделать легче соединить образец криостата после того, как фильм был сдан на хранение. (См шаг 4.6 ниже).
2. Очистить образец в 100% ацетоне в ультразвуковой ванне в течение 15 с.
3. Не позволяя образец, чтобы высушить, очистить его в 100% изопропилового спирта в ультразвуковой ванне в течение 5 с.
4. Удар образец сухого помощью пистолета азота.
5. Если это возможно, очистить все оставшиеся органические остатки с поверхности образца с использованием кислородной плазмы озоления. Для этого используют плазменную мощность 100 Вт, O ₂ скорости потока 22 см ³ / с, а давление газа 160 мТорр, в течение 60 с. Для того, чтобы избежать повторного загрязнения образца, осаждение покрытия EuTFC как можно скорее после этого шага.

2. Подготовка покрытия системы для осаждения EuTFC

1. Используйте источник сублимации , состоящий из специально построенных лодок 20 х 10 х 10 мм ³ по размеру (ДхШ) , изготовленные из нержавейкиs стальной фольги, приложив 10 виток провода сопротивления манганина, для работы при температуре приблизительно 100 - 200 ° C. Растворите любые расплавленные-остатки EuTFC из лодки путем замачивания в ацетоне, так как они будут отрицательно влиять на свойства нового фильма.
2. Промыть лодку в изопропиловом спирте.
3. Дайте лодка полностью высохнуть на воздухе, прежде чем приступить к загрузке EuTFC в него.
4. Защита EuTFC порошка из водяного пара и света, пока он находится на хранении. Тщательно растереть EuTFC порошок с использованием агатовой ступки и пестика для удаления каких-либо видимых комков.
   Примечание: Даже когда порошок защищен от паров воды, он все еще может кристаллизоваться в большие комки диаметром 100 мкм или больше. Они должны быть удалены, поскольку они будут приводить к чрезвычайно неравномерному пленки, когда сублимируется, вызывая артефакты в тепловых изображений.
5. Установите держатель образца и источник сублимации в вакуумной системе покрытия таким образом, что образец находится примерно в 10 мм непосредственно над исходной лодкой(Соответствующим образом ориентированных датчика толщины кристалла, чтобы контролировать скорость осаждения). Подключите нагреватель источника лодки приводит к их связанным вакуумным проходным соединителям.
6. Наполните источник лодку примерно 2/3 полной с приблизительно 0,2 г измельченного EuTFC порошка.
7. Установить образец вверх-вниз непосредственно над источником лодки (для обеспечения однородности осажденной пленки), предпочтительно с использованием двусторонней клейкой ленты или липкие точки, а не вакуумной смазки, которые могут загрязнять пленку.
8. Для того, чтобы свести к минимуму воздействия на поверхности образца и порошок EuTFC в атмосфере (особенно водяной пар) начинает эвакуацию камеры осаждения с использованием роторного насоса, как можно скорее.

3. Осаждение EuTFC тонкой пленки путем термического сублимации

1. Насос в камеру осаждения до 3 × 10 ^-5 мбар или менее, предпочтительно с использованием турбо-молекулярным насосом.
2. Программа толщины кристалла монитор для чтения для плотности пленки 1,50 г / см ^3.
3. Нанести 0,5 Вт мощности на лодке нагревателя источника, осторожно нагреть источник, пока EuTFC не начнет сублимировать. Это займет 2 - 3 минут толщины монитора, чтобы начать чтение заметной скорости осаждения.
4. Регулировка мощности нагревателя для поддержания скорости осаждения 6 - 7 нм / мин. Сделайте только маленькие, медленные корректировки, так как скорость осаждения обычно занимает 1 - 2 минуты, чтобы реагировать на изменения входной мощности.
   Примечание: лодка температуры, достаточные для осаждения более 10 нм / мин в этой конфигурации могут привести к тому, чтобы расплавить порошок в лодке, резко снижая ее площадь поверхности и, следовательно, скорость сублимации. Что еще более важно, чрезмерная температура лодки может химически изменить EuTFC и тем самым сильно уменьшить тепловую чувствительность его люминесценции.
5. После того, как 200 нм (для чтения с помощью монитора толщины) осаждения пленки, отключить питание от источника. (± 20 нм приемлема здесь, хотя толщина значительно вне этого диапазона приведет к нижнемуЧувствительность пленки.)
6. После того, как показание на мониторе толщины достигает нуля, выход из камеры, с сухим газообразным азотом. После удаления защиты образца от света и водяного пара, как можно скорее, при хранении в светонепроницаемый контейнер в вакуумном эксикаторе.
   Примечание: Это будет соответственно предотвратить отбеливающую и химическую деградацию тонкой пленки EuTFC.

4. Установка образца в измерительном криостате

1. Поместите каплю вакуумной смазки на центр криостата стадии образца примерно 1-2 мм в диаметре. Используйте стадии образца, содержащей медный холодный палец с круглой верхней поверхностью 15 мм в диаметре.
   Примечание: Это достаточный размер, чтобы обеспечить сильную тепловой контакт между сценой и образцом, когда образец прижимается вниз плоской поверх него.
2. Если образец подложка электропроводящая, изолировать его от стадии путем размещения 10 микрон Mylar листа на верхней части смазки, и второго размер аналогичнод блоб на верхней части майлара.
   Примечание: Авторы считают , что это лучше использовать смазку со сравнительно высокой вязкостью (например , на основе силикон высокого вакуума смазка) , чем специализированные тепло тонуть соединения, так как последние , как правило , содержат компоненты с низкой вязкостью , которые могут протекать на верхнюю поверхность образца и загрязнять его EuTFC покрытие.
3. Нажмите образец вниз на верхней части смазки с помощью пинцета, чтобы применить силу для двух диагонально противоположных углов одновременно, а затем зажать на месте по крайней мере, два угла, используя медные винты и BeCu зажимы.
   Примечание: Если образец не надежно удерживается в положении, то он может дрейфовать значительно по отношению к микроскопу при подаче питания к нему, что делает полученные изображения трудно анализировать.
4. Выполните необходимые электрические соединения , такие как для тока и напряжение ведет от образца к проводке криостата, следя за тем, чтобы не допустить загрязнения (например , капли потока припоя) на землю на EuTFC фильм.
   Примечание: Сделайте это, используя только минимальное количество флюса, который будет делать эту работу, и предпочтительно избегать использования флюса для этого шага на всех. Поток не должен быть необходимым, если Au провода используются для подключения к образцу.
5. Установить образец криостат на его хуг стадии перевода под микроскопом, установите его теплозащитный экран и оптическое окно, и эвакуировать образец пространство с турбомолекулярным насосом.
6. Накройте оптическое окно криостата с куском алюминиевой фольги (или аналогичной), чтобы предотвратить обесцвечивание в EuTFC от окружающего освещения в комнате. Позаботьтесь, чтобы не повредить или загрязнить микроскоп объектив, делая это.
7. Охлаждают криостата до температуры ванны интерес. Для образцов, описанных в данной работе, это, как правило, от 5 до 100 К и К.
   Примечание: Не допускайте стадии образца, чтобы сидеть в течение длительных периодов времени при температуре от 125 К до 175 К, так как в этом диапазоне фильм EuTFC будет в конечном итоге кристаллизуется вв polygranular состояние с неоднородными свойствами люминесценции, которая также может дрейфовать с течением времени. Охлаждение с помощью этого диапазона температур при 2 К / мин или быстрее будет гарантировать, что эта проблема не возникает. Если криостат случайно оставлен в этом температурном диапазоне слишком долго, фильм EuTFC может быть воспроизводимо «сброс», просто нагревая криостат, по меньшей мере, 190 К в течение 5 минут.

5. Сбор термальных данные изображений

1. Установите фильтр короткого прохода с 500 нм длины волны отсечки в тракте подсветки оптики.
2. Установите полосовой фильтр с полосой пропускания центральной длиной волны = 610 нм, и FWHM = 10 нм, на пути сбора оптики.
   Примечание: Узкая полоса пропускания выгодно здесь, так как это сводит к минимуму сбор фонового света, который вносит свой вклад в шум, но не сигнал. Фильтры должны быть выбраны, чтобы минимизировать спектральные перекрестные помехи между ними.
3. Дайте источник света, чтобы разогреть и стабилизируется на уровне Iтс стационарной рабочей температуры, и позволить камере остыть до ее равновесной рабочей температуры. Это должно занять около 30 минут в обоих случаях.
4. Со всеми оптическими фильтрами на месте (поскольку положение фокуса зависит от длины волны) освещает образец и выравнивание и фокусировку микроскопа в области, представляющей интерес.
   Примечание: В то время как образец не изображаемые, использовать затвор или подобный, чтобы избежать ненужного освещения образца и полученного отбеливания пленки EuTFC.
5. Накопление эталонного изображения с нулевым током, приложенного к образцу. При сборе каждого изображения, сделать поправку на темные отсчеты, которые могут сильно варьироваться от пикселя к пикселю, а также дает значительное смещение истинным отсчетам изображения из сигнала люминесцентного.
   Примечание: условия воздействия будет зависеть от требований эксперимента (см обсуждения), но важно, чтобы выбрать правильную экспозицию таким образом, что изображение не содержит насыщенные пикселей.Эталонное изображение необходимо, поскольку собранные люминесцентные интенсивности, как правило, сильно различаются в зависимости от поверхности отражательной способностью образца, даже когда ее температура является полностью однородной.
6. Применение электрического смещения к образцу, собирать изображения при тех же условиях облучения в качестве эталона, и вычислить отношение интенсивностей этих. Примечание: Уровень электрического смещения требуется сильно зависит от комбинации поведения устройства и саморазогрева, которые изучаются. Примеры, представленные здесь, как правило, в результате смещения выборки токов порядка десятков мА, в результате чего в течение нескольких вольт смещения через устройство.
   Примечание: Если образец переместилась значительно по отношению к опорному изображению, то пиксельные данные должны быть смещены, чтобы компенсировать. (Тем не менее, в зависимости от производительности камеры, этот сдвиг может вводить шум от пикселя к пикселю вариаций в чувствительности к свету, поэтому перемещение образца должно быть сведено к минимуму, если вообще позыsible.) Если высокая абсолютная точность при измерении температуры требуется, небольшие дрейфует в интенсивности лампы может быть скорректирован путем нормализации соотношения изображения к ссылке , чтобы быть 1 в подходящей области образца (то есть. один , который находится достаточно далеко от собственного нагреваемого устройства, чтобы быть не зависит от него).
7. Повторите шаг 5.6 для всех условий смещения, представляющих интерес, при сохранении постоянной температуры ванны.
8. Повторите шаги 5.4 до 5.7 для всех температур ванны, представляющих интерес.
   Примечание: В зависимости от криостат, образец может потребоваться упорядочена и переориентирована при каждой новой температуре бани.

6. Калибровка результатов

1. Сбор нулевой прикладной-текущих эталонных изображений достаточно, чтобы охватить весь диапазон температур интереса. От 3 до 4 изображений при каждой температуре будет достаточно, чтобы установить воспроизводимости, в то время как 20 К разнос даст достаточное количество точек данных, чтобы сформировать точную калибровочную кривую. (Смотри рисунок 1b </ STRONG>.)
2. Из этой кривой, преобразовать изображения нормированной интенсивности в карты температуры. В то время как абсолютная интенсивность люминесцентной сильно зависит от локальных поверхностных отражательной способности образца, его нормализуется поведение по отношению к температуре является лишь очень слабо влияют.

7. Образец для хранения и пленки Повторное использование

1. Как всегда, держать фильм защищен от обесцвечивания окружающего света. Примечание: В случае необходимости EuTFC покрытие на образце может выдержать повторяющиеся термические циклы, и его свойства будут оставаться стабильными в течение 2-3 недель при хранении в условиях высокого вакуума.
   Примечание: Тем не менее, даже при хранении в условиях высокого вакуума при комнатной температуре, пленка будет деградировать в течение 2-3 месяцев. (Обесцвечивание и шероховатой пленки можно легко увидеть под оптическим микроскопом.) Если это происходит на образце, который требует дополнительных тепловых изображений, а затем очистить пленку и замените его в соответствии с шагами 1 до 3.

Результаты

Пример типичной конфигурации измерения для проведения этого эксперимента при криогенных температурах ванны показана на рисунке 1a, в то время как типичная кривая 612 нм люминесцентной интенсивности реакции в зависимости от температуры изображена на рису...

Обсуждение

Как показали наши результаты, способ, описанный в этой статье, дает тепловые изображения с высокой разрешающей способностью микроустройствах, с хорошей чувствительностью и с использованием только простой оптической микроскопии оборудования. Преимущества этой методики по сравнению ?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Europium thenoyltrifluoroacetonate powder	Sigma-Aldrich	176494-1G	Also known as Europium tris[3-(trifluoromethylhydroxymethylene)-(+)-camphorate]
Mercury short-arc lamp with flexible light guide	Lumen Dynamics	X-Cite Exacte	Light source includes internal iris and photosensor for output intensity feedback.
Peltier-cooled CCD camera	Princeton Instruments	PIXIS 1024	1,024 x 1,024 pixels, 16-bit resolution
610 nm band-pass filter	Edmund Optics	65-164	Passband has CWL 610 nm, FWHM 10 nm
500 nm short-pass filter	Edmund Optics	84-706	OD4 in stopband
Helium flow cryostat with optical window	Oxford Instruments	MicrostatHe2
high vacuum grease	Dow Corning
Digital Current source	Keithley	Model 2400	Computer-controllable current & voltage source
Digital Voltmeter	Hewlett-Packard	Model 34420A	Digital Nanovoltmeter now available as Agilent Model 34420A