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滨松红外相机在半导体加工及检测过程中的应用

半导体器件制造是一个复杂的多步骤过程, 包括晶圆制备、前道工序(FEOL)和后道工序(BEOL)三大环节。晶圆制备是指从自然界中的沙子提纯出多晶硅,再精炼成单晶硅,最后通过晶体生长、切片、研磨、检测和外延生长等工序制造出纯度高达99.999999999%的单晶硅片(wafer)的过程。前道工序是指在wafer上,利用光刻、掺杂、沉积等技术制作出器件结构的过程,一般未进行金属化。后道工序是指金属化后,经过针测、研磨、划片、打线、封塑、终测等环节最终制造出芯片的一系列工序。第一步是将半导体材料 (通常是单晶硅) 的锭切割成薄片。然后, 每个晶片都经过一个微加工过程, 并作为数百种集成电路 (IC) 的基板, 这些集成电路被切割成单个芯片。


半导体制造商为了提高良率,往往需要在晶圆制备、FEOL和BEOL中引入一系列检测过程。譬如晶圆制备环节中,为了保证最后得到的硅片表面缺陷在出厂允许范围内,需要利用红外相机检测晶锭(ingot)是否存在表面冗余物(颗粒污染物/有机污染物等)、机械损伤(划痕/裂痕/狭缝等)、晶格缺陷(位错等)、应力分布不均等方面的缺陷。在FEOL和BEOL中,除了需要检查wafer或者die上是否存在杂质、机械损伤、晶格缺陷、应力不均匀,还需要检查是否存在patterned defect。


 


红外相机在半导体检测中的应用。除此之外,红外相机还可以广泛应用于失效分析、切割刀片/激光对准等应用中。


为了获得最高质量的芯片, 硅锭必须没有任何缺陷。这一点至关重要, 因为晶圆在切片、制造和切割过程中会承受应力。在任何生产阶段出现裂缝, 都会使晶圆无法使用。亚洲的许多 IC 制造商使用红外成像显微镜来验证半导体材料在切片前是否无缺陷, 以及电路在切片后是否无裂纹。红外相机连接在红外显微镜上进行图像的采集和分析。


 

铟镓砷(InGaAs)材料的红外相机工作在900nm-1700nm波段内,这一范围跨越了近红外700nm-1400nm和SWIR光1400nm-3000nm,在半导体缺陷检测方面有很广泛的应用。滨松红外相机具有高灵敏度、高分辨率、制冷噪声低的特点,主要型号有


 


点击了解:详细参数
点击了解:滨松相机软件针对半导体应用具有丰富的功能


一、利用红外光对半导体材料的穿透能力进行缺陷检测


利用红外光对半导体材料的穿透能力,可以看到芯片中不同层的结构,如下图。


 

由于InGaAs材料在900nm-1700nm范围内比硅材料的光量子效率高很多,因此InGaAs相机拍摄出来的图像也要比CMOS和CCD相机质量好,成像清晰。


 

二、通过检测电致发光(EL)检查集成电路上的缺陷


通过红外相机还可以检测集成电路的上的电致发光,这些发光通常由短路过载,反向偏置结的雪崩,栅极氧化层的缺陷引起的。


应用实例一:可见光发光测量(深度制冷CCD相机)


应用实例二:近红外发光测量(InGaAs相机,荧光很弱,制冷)


 

三、通过检测光致发光 (PL)进行评价


光致发光光谱用于探测材料的电子结构,是一种非接触、无损伤的测试方法。从原理上讲,光照射到样品上,被样品吸收,产生光激发过程。光激发导致材料跃迁到较高的电子态,然后在驰豫过程后释放能量,(光子)回到较低的能级。该过程中的光辐射或者发光就称为光致发光,即PL。


红外相机对半导体材料的光致发光检测,广泛应用于各种评定、鉴定工作中,包括发光材料的缺陷评价、材料表面评价、集成光学电路的无损评价等。


四、光通讯-TOSA模块中光学加工检测


在TOSA模块中,需要光学模块将激光器发出的光会聚到出光口的位置,并且要保证每个激光器发出的光束汇聚后大小一致而且同轴,整个TOSA模块的体积非常小,大约是5*2*10mm的体积,每个镜头大约只有1mm见方的体积。在通过机械手调整光学模块位置时,需要对输出光斑进行检测。激光器使用的波长主要是通讯波段,即近红外波段,所以需要使用红外相机。


 

五、光通讯-光纤耦合焦点位置检测


光通讯模块在安装光纤接头的时候,为了保证最大的耦合效率,需要先确认输出光束的焦点位置。这个过程需要使用红外相机测试从光纤输出的光斑尺寸,在纵向移动的过程中,当光斑尺寸最小时,此时的位置就是焦点位置。


 

六、LCD屏中导电小球的检测


在LCD屏生产过程中,屏幕与其他电路之间通过柔性电路板连接,连接处的金手指导电性能对LCD屏的质量和寿命有着至关重要的作用,在新工艺中,为了将LCD屏做到尽量窄,在屏幕周边增加了覆盖层,对屏幕边缘遮光。这部分的覆盖正好遮挡了金手指检测的区域,为了能够继续检测金手指上导电小球的情况,需要使用具有一定穿透能力的红外光进行检测,所以需要使用红外相机。


 


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