半導(dǎo)體檢測中不可或缺的紅外相機(jī)

半導(dǎo)體工業(yè)，已經(jīng)成為世界上zui大的工業(yè)之一。半導(dǎo)體工業(yè)涵蓋各種各樣的應(yīng)用，從PC到移動(dòng)設(shè)備的處理器和存儲(chǔ)器，從集成電路到太陽能電池。

在半導(dǎo)體工業(yè)中，短波紅外相機(jī)可以用來檢測純半導(dǎo)體材料的質(zhì)量（通常是硅錠的生長）。此外，切割成晶片的硅錠和晶片成品，也可以用類似的方法檢測缺陷或裂紋。然后將晶片加工成光電子元器件或其他半導(dǎo)體器件。在zui后切割晶圓成為單芯片的加工過程中，對于鋸片和激光校準(zhǔn)來說，短波紅外相機(jī)依舊是目前應(yīng)用的主流方案。

為了進(jìn)行失效分析，已經(jīng)裝配好的集成電路必須進(jìn)行裂紋或光刻檢測。比如MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)），整個(gè)生產(chǎn)流程中都需要進(jìn)行檢測。而在這些應(yīng)用中，都少不了短波紅外相機(jī)的身影。

比利時(shí)XenICs提供寬譜段的短波紅外相機(jī)，包括面陣和線掃描成像。所使用的短波紅外相機(jī)通常使用銦鎵砷（InGaAs）探測器，該材料探測器可在900~1700nm波段范圍內(nèi)擁有高響應(yīng)度和高量子效率，因此非常適合硅的表面或內(nèi)部成像。

透明 的硅錠

使用InGaAs探測器的短波紅外相機(jī)，包括面陣和線掃描相機(jī)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中的晶體硅硅錠或硅磚檢測。使用一臺(tái)紅外相機(jī)，配合發(fā)射波長在1150nm波段的光源，很輕易的就可以進(jìn)行硅錠或硅磚的內(nèi)部雜志和結(jié)構(gòu)的檢測（如圖1所示）。這是因?yàn)镾i這種半導(dǎo)體材料不吸收能量低、相對波長更長的短波紅外光子，而可見光光子則因具有更高的能量和相對更短的波長被Si材料吸收，無法透過。這使得使用InGaAs探測器的短波紅外相成為了半導(dǎo)體檢測的優(yōu)良檢測工具，可以直接檢測缺陷、雜質(zhì)、孔洞或夾雜。

圖1 在InGaAs短波紅外相機(jī)的拍攝下，硅磚已經(jīng)完全呈現(xiàn)透明化，所有內(nèi)部或表面缺陷一覽無余。

當(dāng)硅錠進(jìn)一步加工成為晶片時(shí)，硅錠中的雜質(zhì)會(huì)對生產(chǎn)設(shè)備造成損害。通過短波紅外相機(jī)的檢測，則可以有效避免類似的問題，從而確保更高的生產(chǎn)效率。

對于這些應(yīng)用，XenICs推薦使用Bobcat 640，以及XEVA 640相機(jī)，以及高分辨率的線掃描短波紅外相機(jī)Lynx 2048。

圖2 非常適合硅材料檢測的三款相機(jī)，依次為Bobcat 640、XEVA 640、Lynx 2048

看穿 晶圓內(nèi)部

使用短波紅外相機(jī)成像的方式，來檢測半導(dǎo)體晶片和集成電路芯片的缺陷，將會(huì)起到事半功倍的效果。Si材料是目前zui常用的半導(dǎo)體材料，而砷化鎵（GaAs）探測器又能夠探測到穿過Si材料的短波紅外波段，因此InGaAs短波紅外相機(jī)為半導(dǎo)體檢測提供了一種無損的檢測方式，極大地提高了檢測效率，改進(jìn)了生產(chǎn)過程。

在晶圓制造的過程中，細(xì)顆粒或裂紋等缺陷可能隱匿于晶片內(nèi)部或晶片之間。而可見光CCD或CMOS相機(jī)僅能能夠檢測晶片表面的缺陷，無法全面檢測。紅外相機(jī)有能力 看穿 Si材料，不論晶片內(nèi)部顆粒，還是晶片間縫隙，亦或是其他缺陷。

封裝前的模具檢測也是通過短波紅外相機(jī)進(jìn)行的。比如晶圓切割過程中造成的，隱藏在硅材料內(nèi)部的細(xì)小裂紋。（如圖3所示）

圖3 模具檢測中，使用InGaAs短波紅外相機(jī)，在硅材料內(nèi)部拍攝到的切割損傷

短波紅外相機(jī)能夠有效提高M(jìn)EMS的產(chǎn)能和效能。例如封裝檢測（如圖4所示，檢測出的氣泡和缺口）、設(shè)備缺陷檢測、臨界尺寸和封裝測試。

在晶圓級(jí)封裝（WLP）過程中，對于晶元制造和封裝技術(shù)，紅外相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多層的質(zhì)量評(píng)價(jià)。例如TSV封裝技術(shù)中，多層集成電路堆疊后實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，之后進(jìn)行封裝。對于這類封裝技術(shù)，紅外相機(jī)顯然是更好的選擇。

圖4 短波紅外圖像顯示封裝失敗

對于這些應(yīng)用，XenICs可根據(jù)用戶需求，提供各種合適的相機(jī)，例如Bobcat 320、Bobcat 640、XEVA 320、XEVA 640

光子發(fā)射圖像

短波紅外光子發(fā)射顯微鏡（PEM）是一種用于微電子失效分析的無源定位技術(shù)。當(dāng)電子從更高的能量狀態(tài)過渡到較低的能量狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生光子發(fā)射。能量差的全部或部分就會(huì)作為電磁輻射發(fā)射出去。缺陷部分的光子發(fā)射通常與正向和反向偏置pn結(jié)、晶體管飽和度，以及介質(zhì)擊穿有關(guān)。圖5所展示的，就是短波紅外相機(jī)覆蓋短波紅外圖像的例子。

目前，主流PEM應(yīng)用多使用（高靈敏度，制冷型）短波紅外相機(jī)，主要因?yàn)椋?/p>

1、Si CCD相機(jī)僅能觀察Si帶隙基準(zhǔn)以上的能量躍遷的光子發(fā)射；

2、Si CCD相機(jī)不允許觀察內(nèi)部發(fā)射情況；

3、子帶隙光發(fā)射，包括化學(xué)雜質(zhì)、物理缺陷、深度陷阱和其他復(fù)合中心也無法通過Si CCD相機(jī)觀測到；

4、背面分析（需要使用多層金屬放置晶片正面的光子發(fā)射）因?yàn)椴豢梢姡褂肧i CCD僅能通過硅襯底傳輸發(fā)射；

對于這樣的應(yīng)用，XenICs推薦使用深度制冷的Cougar相機(jī)，TE3制冷版本的XEVA相機(jī)或Cheetah相機(jī)。

圖5 使用InGaAs紅外相機(jī)拍攝的芯片背面光子發(fā)射圖像，可清晰看到芯片布局圖像

發(fā)光 的太陽能電池

太陽能電池裂紋檢測，太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率檢測，通?；诎l(fā)光效應(yīng)，即電子從激發(fā)態(tài)過渡到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)半導(dǎo)體材料的光發(fā)射。多余的能量會(huì)被轉(zhuǎn)化為光子發(fā)射出去，它們的波長取決于太陽能電池材料的帶隙。對于使用硅材料的太陽能電池來說，這個(gè)帶隙能量對應(yīng)的波長大約在1150nm。但是如果硅材料中含有一些缺陷，則光發(fā)射的能量峰值會(huì)發(fā)生變化，帶隙可能會(huì)在1300~1600nm之間。圖6中的圖像即是描述這樣過程的紅外圖像。其他材料例如銅銦鎵硒（CIGS）或二銅銦二硒（CIS）也可以用于太陽能電池的生產(chǎn)。對于這些材料，光發(fā)射波長都在1300nm以上。

如何讓太陽能電池發(fā)光呢？目前主流的發(fā)光方式有兩種：電致發(fā)光（EL）和光致發(fā)光（PL）。對于EL，勵(lì)磁是通過施加電流提高電壓實(shí)現(xiàn)的；而對于PL，光激發(fā)的過程中Stokes位移的變化可導(dǎo)致近紅外和短波紅外線的發(fā)射。

因此EL檢測只能在所有安裝流程都完成后的成品檢測階段進(jìn)行，因?yàn)橹挥性谶@個(gè)階段，外加電壓才能加電子注入到太陽能電池的多個(gè)Pn結(jié)中。而在制造過程的前段中，因?yàn)殡娐飞形窗惭b完畢，所以無法進(jìn)行EL加注。

圖6 左邊的發(fā)光圖像是使用InGaAs短波紅外相機(jī)拍攝的太陽能電池，該相機(jī)使用了中心波長1100nm波段的帶通濾光片；

右邊是相同的太陽能電池片，使用相同的InGaAs短波紅外相機(jī)，但是配備了1450nm的長波濾光片所拍出的照片，能夠清晰的看到缺陷。

PL配合短波紅外相機(jī)的檢測方式，相較于EL配合短波或CCD相機(jī)來說，具備更大的優(yōu)勢：

1、PL配合短波紅外相機(jī)允許在太陽能電池的制造流程中，從硅塊成像到晶片制造的各個(gè)流程中全流程分析與監(jiān)測，從而完成對太陽能電池預(yù)期質(zhì)量的早期判斷；

2、PL是一種非接觸技術(shù)，PL檢測是在不接觸檢測材料的情況下進(jìn)行的，更無損，更；

3、短波紅外相機(jī)在PL波長內(nèi)具有高量子效率，高幀速，而普通CCD需要長達(dá)數(shù)秒的曝光時(shí)間，影響生產(chǎn)效率。

因此，PL作為硅塊、硅錠、硅片以及成品晶片的在線檢測工具，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。XenICs對于此類應(yīng)用，推薦使用XEVA 640和Bobcat 640

圖7 短波紅外相機(jī)XEVA 640左，與Bobcat 640右

檢測小裂紋的線掃描紅外相機(jī)

在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，盡早發(fā)現(xiàn)裂紋和微裂紋已經(jīng)變得非常重要。易碎的半導(dǎo)體材料中如果存在裂紋，會(huì)導(dǎo)致單個(gè)太陽能電池破損，生產(chǎn)機(jī)器停機(jī)，且清理非常困難。

在線裂紋檢測儀器已經(jīng)成為太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)線的一部分。然而，晶體硅晶片，特別是多晶硅的自動(dòng)光學(xué)探傷，依然是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。比如：

1、檢測小裂紋（微裂紋），它們雖然很小，但往往是裂紋擴(kuò)展的中心；

2、由于晶粒取向和晶圓片厚度變化引起的圖像強(qiáng)度變化；

3、晶圓的檢測速度慢，精度和效率無法兼顧；

目前zui新的裂紋檢測技術(shù)，是一項(xiàng)基于Transflection的照明技術(shù)。這種技術(shù)能夠解決半導(dǎo)體材料自動(dòng)探傷的很多困難，它的檢測流程是：

1、晶圓通過晶片表面照明，光源和相機(jī)位于晶片的同一側(cè)；

2、光是由景園上的裂隙反射出來的，而裂隙會(huì)阻礙光的傳播。在裂紋之外，晶片內(nèi)部的光強(qiáng)和表面亮度將顯著降低；

對于小裂紋或微裂紋，這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是成像清晰，識(shí)別度非常高。XenICs推薦這類應(yīng)用使用Lynx 2048和Lynx 1024。

圖8 使用InGaAs短波紅外相機(jī)以及寬帶光拍攝的硅晶片小裂紋

為什么需要短波紅外InGaAs相機(jī)？

現(xiàn)在，越來越多的CCD和CMOS相機(jī)也可用于太陽能電池檢測。一些硅基CCD和CMOS相機(jī)廠家甚至可提供專門用于太陽能電池檢測的產(chǎn)品。這些特殊的近紅外CCD和CMOS相機(jī)可對超過1000nm擴(kuò)展波段的響應(yīng)，剛好能夠看到EL或PL的zui短波長。

雖然成本較低，zui大的缺點(diǎn)就是需要數(shù)秒鐘的積分時(shí)間來進(jìn)行曝光，因此，這些相機(jī)僅能用于離線檢測。

表1 半導(dǎo)體檢測應(yīng)用與產(chǎn)品推薦