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半导体检测中大显身手的短波红外相机

来源:www.lustervision.com    日期:2017-06-26    点击次数:

本文将通过实际的短波红外相机(SWIR)在半导体检测中的应用案例,深入展示红外相机在看穿半导体材料方面的特殊能力。


半导体检测中不可或缺的红外相机

半导体工业,已经成为世界上最大的工业之一。半导体工业涵盖各种各样的应用,从PC到移动设备的处理器和存储器,从集成电路到太阳能电池。

在半导体工业中,短波红外相机可以用来检测纯半导体材料的质量(通常是硅锭的生长)。此外,切割成晶片的硅锭和晶片成品,也可以用类似的方法检测缺陷或裂纹。然后将晶片加工成光电子元器件或其他半导体器件。在最后切割晶圆成为单芯片的加工过程中,对于锯片和激光校准来说,短波红外相机依旧是目前应用的主流方案。

为了进行失效分析,已经装配好的集成电路必须进行裂纹或光刻检测。比如MEMS(微电子机械系统),整个生产流程中都需要进行检测。而在这些应用中,都少不了短波红外相机的身影。

比利时XenICs提供宽谱段的短波红外相机,包括面阵和线扫描成像。所使用的短波红外相机通常使用铟镓砷(InGaAs)探测器,该材料探测器可在900~1700nm波段范围内拥有高响应度和高量子效率,因此非常适合硅的表面或内部成像。


“透明”的硅锭

使用InGaAs探测器的短波红外相机,包括面阵和线扫描相机,目前已经广泛应用于半导体工业中的晶体硅硅锭或硅砖检测。使用一台红外相机,配合发射波长在1150nm波段的光源,很轻易的就可以进行硅锭或硅砖的内部杂志和结构的检测(如图1所示)。这是因为Si这种半导体材料不吸收能量低、相对波长更长的短波红外光子,而可见光光子则因具有更高的能量和相对更短的波长被Si材料吸收,无法透过。这使得使用InGaAs探测器的短波红外相成为了半导体检测的优良检测工具,可以直接检测缺陷、杂质、孔洞或夹杂。


图1 在InGaAs短波红外相机的拍摄下,硅砖已经完全呈现透明化,所有内部或表面缺陷一览无余。

当硅锭进一步加工成为晶片时,硅锭中的杂质会对生产设备造成损害。通过短波红外相机的检测,则可以有效避免类似的问题,从而确保更高的生产效率。

对于这些应用,XenICs推荐使用Bobcat 640,以及XEVA 640相机,以及高分辨率的线扫描短波红外相机Lynx 2048。

    

图2 非常适合硅材料检测的三款相机,依次为Bobcat 640、XEVA 640、Lynx 2048


“看穿”晶圆内部

使用短波红外相机成像的方式,来检测半导体晶片和集成电路芯片的缺陷,将会起到事半功倍的效果。Si材料是目前最常用的半导体材料,而砷化镓(GaAs)探测器又能够探测到穿过Si材料的短波红外波段,因此InGaAs短波红外相机为半导体检测提供了一种无损的检测方式,极大地提高了检测效率,改进了生产过程。

在晶圆制造的过程中,细颗粒或裂纹等缺陷可能隐匿于晶片内部或晶片之间。而可见光CCD或CMOS相机仅能能够检测晶片表面的缺陷,无法全面检测。红外相机有能力“看穿”Si材料,不论晶片内部颗粒,还是晶片间缝隙,亦或是其他缺陷。

封装前的模具检测也是通过短波红外相机进行的。比如晶圆切割过程中造成的,隐藏在硅材料内部的细小裂纹。(如图3所示)


图3 模具检测中,使用InGaAs短波红外相机,在硅材料内部拍摄到的切割损伤

短波红外相机能够有效提高MEMS的产能和效能。例如封装检测(如图4所示,检测出的气泡和缺口)、设备缺陷检测、临界尺寸和封装测试。

在晶圆级封装(WLP)过程中,对于晶元制造和封装技术,红外相机可以实现多层的质量评价。例如TSV封装技术中,多层集成电路堆叠后实现互联,之后进行封装。对于这类封装技术,红外相机显然是更好的选择。


图4 短波红外图像显示封装失败

对于这些应用,XenICs可根据用户需求,提供各种合适的相机,例如Bobcat 320、Bobcat 640、XEVA 320、XEVA 640


光子发射图像

短波红外光子发射显微镜(PEM)是一种用于微电子失效分析的无源定位技术。当电子从更高的能量状态过渡到较低的能量状态时,就会发生光子发射。能量差的全部或部分就会作为电磁辐射发射出去。缺陷部分的光子发射通常与正向和反向偏置pn结、晶体管饱和度,以及介质击穿有关。图5所展示的,就是短波红外相机覆盖短波红外图像的例子。

目前,主流PEM应用多使用(高灵敏度,制冷型)短波红外相机,主要因为:

1、Si CCD相机仅能观察Si带隙基准以上的能量跃迁的光子发射;

2、Si CCD相机不允许观察内部发射情况;

3、子带隙光发射,包括化学杂质、物理缺陷、深度陷阱和其他复合中心也无法通过Si CCD相机观测到;

4、背面分析(需要使用多层金属放置晶片正面的光子发射)因为不可见,使用Si CCD仅能通过硅衬底传输发射;

对于这样的应用,XenICs推荐使用深度制冷的Cougar相机,TE3制冷版本的XEVA相机或Cheetah相机。


图5 使用InGaAs红外相机拍摄的芯片背面光子发射图像,可清晰看到芯片布局图像


“发光”的太阳能电池

太阳能电池裂纹检测,太阳能电池光电转换效率检测,通常基于发光效应,即电子从激发态过渡到稳定状态时半导体材料的光发射。多余的能量会被转化为光子发射出去,它们的波长取决于太阳能电池材料的带隙。对于使用硅材料的太阳能电池来说,这个带隙能量对应的波长大约在1150nm。但是如果硅材料中含有一些缺陷,则光发射的能量峰值会发生变化,带隙可能会在1300~1600nm之间。图6中的图像即是描述这样过程的红外图像。其他材料例如铜铟镓硒(CIGS)或二铜铟二硒(CIS)也可以用于太阳能电池的生产。对于这些材料,光发射波长都在1300nm以上。

如何让太阳能电池发光呢?目前主流的发光方式有两种:电致发光(EL)和光致发光(PL)。对于EL,励磁是通过施加电流提高电压实现的;而对于PL,光激发的过程中Stokes位移的变化可导致近红外和短波红外线的发射。

因此EL检测只能在所有安装流程都完成后的成品检测阶段进行,因为只有在这个阶段,外加电压才能加电子注入到太阳能电池的多个Pn结中。而在制造过程的前段中,因为电路尚未安装完毕,所以无法进行EL加注。

  

图6 左边的发光图像是使用InGaAs短波红外相机拍摄的太阳能电池,该相机使用了中心波长1100nm波段的带通滤光片;

右边是相同的太阳能电池片,使用相同的InGaAs短波红外相机,但是配备了1450nm的长波滤光片所拍出的照片,能够清晰的看到缺陷。

PL配合短波红外相机的检测方式,相较于EL配合短波或CCD相机来说,具备更大的优势:

1、PL配合短波红外相机允许在太阳能电池的制造流程中,从硅块成像到晶片制造的各个流程中全流程分析与监测,从而完成对太阳能电池预期质量的早期判断;

2、PL是一种非接触技术,PL检测是在不接触检测材料的情况下进行的,更无损,更高效;

3、短波红外相机在PL波长内具有高量子效率,高帧速,而普通CCD需要长达数秒的曝光时间,影响生产效率。

因此,PL作为硅块、硅锭、硅片以及成品晶片的在线检测工具,具有巨大的发展潜力。XenICs对于此类应用,推荐使用XEVA 640和Bobcat 640

  

图7 短波红外相机XEVA 640左,与Bobcat 640右


检测小裂纹的线扫描红外相机

在半导体生产过程中,尽早发现裂纹和微裂纹已经变得非常重要。易碎的半导体材料中如果存在裂纹,会导致单个太阳能电池破损,生产机器停机,且清理非常困难。

在线裂纹检测仪器已经成为太阳能电池标准产线的一部分。然而,晶体硅晶片,特别是多晶硅的自动光学探伤,依然是一项非常具有挑战性的工作。比如:

1、检测小裂纹(微裂纹),它们虽然很小,但往往是裂纹扩展的中心;

2、由于晶粒取向和晶圆片厚度变化引起的图像强度变化;

3、晶圆的检测速度慢,精度和效率无法兼顾;

目前最新的裂纹检测技术,是一项基于Transflection的照明技术。这种技术能够解决半导体材料自动探伤的很多困难,它的检测流程是:

1、晶圆通过晶片表面照明,光源和相机位于晶片的同一侧;

2、光是由景园上的裂隙反射出来的,而裂隙会阻碍光的传播。在裂纹之外,晶片内部的光强和表面亮度将显著降低;

对于小裂纹或微裂纹,这种技术的主要优点是成像清晰,识别度非常高。XenICs推荐这类应用使用Lynx 2048和Lynx 1024。


图8 使用InGaAs短波红外相机以及宽带光拍摄的硅晶片小裂纹


为什么需要短波红外InGaAs相机?

现在,越来越多的CCD和CMOS相机也可用于太阳能电池检测。一些硅基CCD和CMOS相机厂家甚至可提供专门用于太阳能电池检测的产品。这些特殊的近红外CCD和CMOS相机可对超过1000nm扩展波段的响应,刚好能够看到EL或PL的最短波长。

虽然成本较低,最大的缺点就是需要数秒钟的积分时间来进行曝光,因此,这些相机仅能用于离线检测。


应用 硅锭检测 晶圆及模具检测 光子发射 PV EL&PL PV裂纹检测
Xeva 320(TE3)  √(TE3)
Xeva 640
Bobcat 320
Bobcat 640
Cougar
Cheetah TE3
Lynx 1024
Lynx 2048

表1 半导体检测应用与产品推荐