Обычные способы измерения температуры плохо подходят для их применения в микроэлектронике. Контактные датчики слишком большие по сравнению с элементами микросхем и «боятся» электромагнитных помех — из-за этого сложно точно установить тепловой режим. Альтернативный вариант — дистанционная люминесцентная термометрия, которая редко используется, поскольку у нее низкая чувствительность в широком диапазоне, и сигнал зависит от случайных внешних факторов.
Люминесцентные сенсоры улавливают тепло, испускаемое элементом микросхемы, и меняют свои оптические характеристики. Отслеживая эти изменения, специалисты могут гораздо точнее определить температуру. Такой подход позволяет быстро измерять степень нагрева даже очень маленьких объектов, не повреждая их структуру. Однако оптимальный состав таких люминесцентных датчиков еще не подобран.
Специалисты Ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» Научного парка СПбГУ предложили использовать в качестве материалов для контроля оксиды (соединения с кислородом) редкоземельных элементов, модифицированные заряженными частицами (ионами) эрбия и иттербия. Выбор этих элементов обусловлен не только их люминесцентными свойствами, но и возможностью точного синтеза: они способны заметно менять свечение даже при незначительном нагреве. В результате полученные образцы проявляли интенсивную люминесценцию как при понижении, так и при повышении температуры. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Applied Materials Today.
Авторы работы сравнили два способа термометрии с использованием синтезированных наночастиц. Вторичная термометрия — классический метод, при котором специалисты предварительно определяют зависимость между свечением индикатора и температурой, и по этому показателю рассчитывают эталонные значения, на которые опираются при дальнейших измерениях. Первичная термометрия — более сложный метод, при котором при котором температура рассчитывается напрямую из измеряемых физических величин через фундаментальные уравнения, без калибровки по эталонным точкам. Разработанный материал оказался пригодным для обоих методов при измерениях в диапазоне 25–110°C.
«Предложенные нами сенсоры оказались достаточно эффективными тепловыми датчиками, работающими в диапазоне, важном для задач микроэлектроники. Они позволят дистанционно измерять нагрев электронных компонентов с высокой чувствительностью. В дальнейшем мы планируем повысить надежность и точность контроля теплового состояния с помощью одновременного анализа нескольких температурно-зависимых люминесцентных параметров», — сказал руководитель проекта, специалист по спектрофлуорометрии Научного парка СПбГУ Илья Колесников.
Ученые также провели эксперимент на реальном микроэлектронном устройстве — графическом процессоре видеокарты. Они нанесли на поверхность чипа тонкий слой разработанного материала. Изменяя нагрузку на процессор видеокарты, исследователи дистанционно следили за его нагревом. Результаты подтвердили надежность метода: данные, полученные с помощью люминесцентной термометрии, совпали с показаниями тепловизора с погрешностью всего в 1–2°C. При этом в режиме первичной термометрии с инфракрасным возбуждением, имитирующим нагрев, ошибка оказалась еще ниже — около 0,9°C.