紅外微光顯微儀的工作原理與應用領域

半導體技術和半導體制造業近幾年迅速發展，集成電路特征尺寸逐漸減小，多層互連以及新型封裝如倒裝芯片、疊層芯片、功率金屬氧化物半導體場效應晶體管等發展對半導體的可靠性有著更高要求，半導體器件也出現了各種失效，如靜電放電損傷、氧化層裂紋和電遷移等。對這些失效進行分析并找到根本原因，進而進行工藝改進，可以快速提高產品可靠性。由于紅外光穿透性更好，可以對半導體器件進行無損失效分析和缺陷定位，本文將介紹紅外測試手段在半導體電學失效中應用。 ?

01 紅外探測器歷史

紅外線介于可見光和微波之間，波長范圍0.76~1000μm。凡是高于絕對零度(0 K，即-273.15℃)的物質都可以產生紅外線，也叫黑體輻射。由于紅外肉眼不可見，要察覺這種輻射的存在并測量其強弱離不開紅外探測器。

1800年英國天文學家威廉·赫胥爾首次發現了紅外線，隨著后續對紅外技術的不斷研究以及半導體技術的發展，紅外探測器得到了迅猛的發展，先后出現了硫化鉛(PbS)、碲化鉛(PbTe)、銻化銦(InSb)、碲鎘汞(HgCdTe，簡稱MCT)、銦鎵砷(InGaAs)、量子阱(QWIP)、二類超晶格(type-II superlattice，簡稱T2SL)、量子級聯(QCD)等不同材料紅外探測器等，如圖1所示。

圖1 第一代至第四代紅外探測器發展路線及大事記從工作原理來看紅外探測器主要分兩類：熱探測器和光電探測器。熱探測器利用熱電效應通過熱電偶將溫度轉換為電壓，比如熱電堆、熱電探測器和熱輻射計等。光電探測器通過光電效應將紅外信號轉換為電信號。從材料來看紅外探測器主要有兩大類：以氧化釩、非晶硅為代表的非制冷型材料;以MCT、InSb、T2SL等為代表的制冷型材料。非制冷型材料主要利用紅外輻射熱效應進行工作，制冷型材料主要利用光電效應工作。如表1所示。

表1 制冷型和非制冷型紅外探測器對比從波長范圍來看常見的紅外探測器及響應波段如下表2所示。

表2 典型紅外探測器響應波段

02 紅外失效分析頻譜選擇

大氣對電磁輻射具有散射和吸收作用，在具體應用中會選擇散射和吸收作用小的波段，即大氣窗口。水汽分子和二氧化碳是紅外輻射的最主要吸收體，較強的水汽吸收帶位于5～8.0μm，二氧化碳的吸收帶位于在13.5～17μm處出現，這些吸收帶間的空隙形成一些紅外窗口。從圖2中可以看出，3～5μm以及8～14μm波段范圍吸收小，是比較理想的熱紅外應用波段。

圖2 大氣透射曲線，圖下方表明主要的吸收源 3-5 μm中紅外波段的探測器被廣泛應用于電學失效分析領域中，其中應用最廣泛的是碲鎘汞（HgCdTe，MCT）探測器，但MCT探測器有以下缺點：

1）MCT晶體很難均勻生長，晶體生長困難增加了探測器成本；

2）MCT探測器量子效率低；

3）MCT含有重金屬元素汞，不符合RoHS標準。相比于MCT材料襯底昂貴、大面積組分不均勻等缺點，InSb材料均勻性和穩定性更好，InSb材料具有載流子壽命長、吸收系數大等優點，是一種更具應用前景的中紅外光電材料。InSb探測器，具有較高的靈敏度和比探測率，是小型化、低功耗、高靈敏度和快響應中紅外探測最佳選擇之一。圖3為MCT探測器與InSb探測器在3-5 μm波段時相對靈敏度對比，在該波段InSb探測器比MCT探測器具有更佳探測靈敏度。

圖3 MCT探測器與InSb探測器在3-5 μm波段的相對靈敏度對比

03 紅外微光顯微儀工作的原理

微光紅外顯微儀（Thermal EMMI）是利用InSb材質的偵測器，接收故障點通電后產生的熱輻射分布，藉此定位故障點(熱點、亮點Hot Spot)位置，同時利用故障點熱輻射傳導的時間差，即能預估芯片故障點的深度位置。圖4為微光紅外顯微儀工作原理。

圖4 微光紅外顯微儀工作原理

為了提高定位精確度，發展鎖相熱成像技術（Lock-in Thermography）如圖5所示，將鎖相技術和熱成像技術有機結合，通過對系統電源進行調制，即按照某一固定頻率的供電模式，對電源進行通斷或高低點位開關，通過同步器件的電源供應與紅外圖像的捕獲來減小噪聲，通過軟件進行積分運算，來測量器件微觀的溫度分布，利用鎖相熱成像技術幅位用來定位XY方向以確定缺陷位置，相位用來定位Z方向（時間/周期）通過對應的相位角，可以換算出缺陷深度或所在層數，從而精準定位失效位置。鎖相熱成像是一種動態紅外熱成像提供了更好的信號噪聲比，更高的靈敏度和較高的功能穩態的熱成像分辨率比。圖6是一失效器件在不同測試頻率下熱成圖，從圖中可以發現，隨著測試頻率的升高，噪聲信號減弱，熱成像越來越收斂，分辨率越來越好，定位更精確。

圖5 熱鎖成像紅外測試原理圖

圖6 不同測試頻率下熱成像圖而對于3D封裝產品，以往要找到失效點，都必須利用去層的方式，一層一層的做異常排除確認，耗時又費工，利用thermal EMMI設備測試出失效點熱輻射傳導的相位差，預估3D封裝的失效點深度(Z軸方向)，快速判斷是失效點在哪一層芯片。圖7不同深度空間下失效點與相位關系示意圖。