[0001] 本发明属于微纳尺度测温领域、材料识别领域和生物组织检测领域，具体涉及一种基于局域增强拉曼散射光纤探针的半导体器件原位温度测量系统。

[0002] 自电子元器件出现以来，过剩的热量一直是设计更快、更高效、更紧凑的电子设备的主要障碍。半导体器件是电子设备的核心，芯片上的晶体管数量一直在以摩尔定律甚至超越摩尔定律的速度增长，但芯片本身的尺寸却保持相对不变或是更小，这导致了晶体管密度同样显著的增加，因此功率和热密度也在增加。准确的检测半导体器件的原位温度对于提高电子设备的工作效率以及工作寿命十分重要，特别是对高功率电子器件来说，进行原位温度测量是器件正常高效运行的重要保障。

[0003] 目前已经有很多较为成熟的测量方法来对半导体器件进行温度测量。从测量方式上可以分为接触式测温和非接触式测温两种。热电偶测温属于接触式测温法，其金属探头需要充分接触样品，并且受限于金属探头的尺寸，这种方法空间分辨率较差，而且探头接触半导体器件会影响半导体器件的工作状态。因此非接触测温应用在半导体器件的温度检测中比较普遍。红外热成像测温法是目前工业半导体器件测温最常用的技术，其基本原理是测量从器件表面发出的热辐射，但受测量波长的限制，其空间分辨率较差。热反射测温法通常需要长时间的累加才能检测到信号，并且会因为器件表面的粗糙程度和形貌不同而导致测量同种类型器件温度时会存在较大的误差。显微拉曼测温法相对于前面提到的三种半导体器件原位测温方法的优势在于，空间分辨率高，并且不会受到半导体器件表面粗糙度的影响，但是显微拉曼测温法其空间分辨率仅仅只能达到衍射极限，并且拉曼信号也比较弱，需要一定时间累积获取。

[0004] 和本申请相比比较接近的现有技术是中国专利CN110146482A，公开了一种新型的近场拉曼散射检测装置，该装置无法测量半导体材料或器件的原位测温；本申请优势在可以同时对半导体器件进行原位测温、形貌扫描以及材料分布成像。该装置需要用多模光纤放置待测样品，只适用于小于多模光纤横截面尺寸的物质测量；本方案的优势在于对样品尺寸没有要求，且不需要放置在多模光纤端面上。该装置只有1种工作模式，激光器发出的光经过光纤探针照射于多模光纤端面上的待测样本上，散射出的拉曼信号由多模光纤收集并传输；本方案的优势在于如前文权利要求所述有4种不同的工作模式，适应于不同的样品及测量场景。该装置只能通过多模光纤来收集拉曼信号；本方案的优势在于除了可以通过光纤收集拉曼信号，还可以直接从空间中收集拉曼信号。该装置系统中使用独立的拉曼光谱仪来获取拉曼光谱，光谱范围严重受限；本方案的优势在于使用分离的拉曼探头和光谱仪获取拉曼光谱，大大提高了系统的灵活度和适用性，通过更换拉曼探头可以实现超宽范围的拉曼光谱测量。

[0023] 下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

[0024] 如图1、图2所示，基于局域增强拉曼散射半导体器件原位温度测量的探测系统包含了拉曼前端模块1，光谱仪2，激光器3，局域增强拉曼散射光纤探针4，音叉5，原子力反馈控制模块6，位移台7，样品8，贵金属纳米颗粒9，光纤纤芯10，光纤包层11，光纤涂覆层12。

[0025] 光纤探针的针尖附着贵金属纳米颗粒9组合构成增强拉曼散射光纤探针，将增强拉曼散射光纤探针固定在音叉侧壁上，构成由原子力反馈控制的，用于微区检测与扫描的局域增强拉曼散射光纤探针。探针针尖尺寸控制在纳米至微米量级。原子力反馈控制模块6连接局域增强拉曼散射光纤探针4和位移台7，控制局域增强拉曼散射光纤探针4的尖端和样品7处于非接触状态，且间距恒定。拉曼前端模块1连接到光谱仪2上，激光器3的激发光照射在局域增强拉曼散射光纤探针4尖端附近的样品上。改变局域增强拉曼散射光纤探针和样品的相对位置，根据反馈的原子力获取半导体器件的形貌，同时通过对扫描样品区域内被增强的拉曼信号进行识别，获取半导体器件的材料分布以及温度分布。

[0026] 实施例1：

[0027] 样品为去除封装的半导体器件，半导体器件连接上供电装置，保证器件处于正常工作的状态。由于半导体器件的热源一般处于电极之间，所以测试区域选择电极之间的半导体材料区域，借助外部的侧向显微镜寻找到待测区域。原子力反馈控制模块6连接局域增强拉曼散射光纤探针4和位移台7，控制局域增强拉曼散射光纤探针4的尖端和样品7处于非接触状态，且间距恒定在微纳米级别。激光器3发出的激发光经过局域增强拉曼散射光纤探针的尾纤，从针尖4照射到样品上，被增强的拉曼信号经过相同的局域增强拉曼散射光纤探针4尾纤传输到光谱仪2。改变局域增强拉曼散射光纤探针和样品的相对位置，根据反馈的原子力获取半导体器件的形貌图像，同时通过对扫描样品区域内的拉曼信号进行识别，根据拉曼峰位获取半导体器件的材料分布图像，根据拉曼位移、拉曼线宽和拉曼强度比值获取温度分布图像。

[0028] 实施例2：

[0029] 样品为Si、Ge、GaN等半导体晶片，将片状半导体晶片放置在小型加热台上组合成温度可调的样品，将样品放置在位移台7上，调节加热台可以将半导体晶片加热至不同的温度，借助外部的侧向显微镜寻找到待测的片状半导体晶片。原子力反馈控制模块6连接局域增强拉曼散射光纤探针4和位移台7，控制局域增强拉曼散射光纤探针4的尖端和样品7处于非接触状态，且间距恒定在微纳米级别。激光器3发出的激发光经过局域增强拉曼散射光纤探针的尾纤，从针尖4照射到样品上，被增强的拉曼信号经过相同的局域增强拉曼散射光纤探针4尾纤传输到光谱仪2。根据拉曼位移、拉曼线宽和拉曼强度比值获取各种半导体材料的温度标定数据。

[0030] 实施例3：

[0031] 样品为不同浓度的罗丹明红溶液，局域增强拉曼散射光纤探针4的尾纤连接到拉曼前端模块1上，将局域增强拉曼散射光纤探针4针尖放入罗丹明红溶液中。激光器3发出的激发光经过局域增强拉曼散射光纤探针的尾纤，从针尖4照射到罗丹明红溶液上，被增强的罗丹明红分子拉曼信号经过相同的局域增强拉曼散射光纤探针4尾纤传输到光谱仪2。根据特定的拉曼光谱峰强可以对罗丹明红溶液浓度进行半定量分析。

[0032] 实施例4：

[0033] 样品为生物细胞，将生物细胞样品放置在位移台7上。借助外部侧向显微镜寻找到待测的生物细胞区域。原子力反馈控制模块6连接局域增强拉曼散射光纤探针4和位移台7，控制局域增强拉曼散射光纤探针4的尖端和生物样品7处于非接触状态，且间距恒定在微纳米级别。激光器3发出的激发光经过局域增强拉曼散射光纤探针的尾纤，从针尖4照射到样品上，被增强的拉曼信号经过相同的局域增强拉曼散射光纤探针4尾纤传输到光谱仪2。通过分析局域生物细胞的拉曼光谱的峰位和强度，可以评估局域生物细胞的状态。

[0034] 在此有必要指出的是，以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定，本领域技术人员作出的非突出实质性特征和显著进步的发明创造，仍然属于本发明的保护范畴。