红外微光显微仪的工作原理与应用领域

半导体技术和半导体制造业近几年迅速发展，集成电路特征尺寸逐渐减小，多层互连以及新型封装如倒装芯片、叠层芯片、功率金属氧化物半导体场效应晶体管等发展对半导体的可靠性有着更高要求，半导体器件也出现了各种失效，如静电放电损伤、氧化层裂纹和电迁移等。对这些失效进行分析并找到根本原因，进而进行工艺改进，可以快速提高产品可靠性。由于红外光穿透性更好，可以对半导体器件进行无损失效分析和缺陷定位，本文将介绍红外测试手段在半导体电学失效中应用。  

01 红外探测器历史

红外线介于可见光和微波之间，波长范围0.76~1000μm。凡是高于绝对零度(0 K，即-273.15℃)的物质都可以产生红外线，也叫黑体辐射。由于红外肉眼不可见，要察觉这种辐射的存在并测量其强弱离不开红外探测器。

1800年英国天文学家威廉·赫胥尔首次发现了红外线，随着后续对红外技术的不断研究以及半导体技术的发展，红外探测器得到了迅猛的发展，先后出现了硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe，简称MCT)、铟镓砷(InGaAs)、量子阱(QWIP)、二类超晶格(type-II superlattice，简称T2SL)、量子级联(QCD)等不同材料红外探测器等，如图1所示。

图1 第一代至第四代红外探测器发展路线及大事记 从工作原理来看红外探测器主要分两类：热探测器和光电探测器。热探测器利用热电效应通过热电偶将温度转换为电压，比如热电堆、热电探测器和热辐射计等。光电探测器通过光电效应将红外信号转换为电信号。 从材料来看红外探测器主要有两大类：以氧化钒、非晶硅为代表的非制冷型材料;以MCT、InSb、T2SL等为代表的制冷型材料。非制冷型材料主要利用红外辐射热效应进行工作，制冷型材料主要利用光电效应工作。如表1所示。

表1 制冷型和非制冷型红外探测器对比 从波长范围来看常见的红外探测器及响应波段如下表2所示。

表2 典型红外探测器响应波段

02 红外失效分析频谱选择

大气对电磁辐射具有散射和吸收作用，在具体应用中会选择散射和吸收作用小的波段，即大气窗口。水汽分子和二氧化碳是红外辐射的最主要吸收体，较强的水汽吸收带位于5～8.0μm，二氧化碳的吸收带位于在13.5～17μm处出现，这些吸收带间的空隙形成一些红外窗口。从图2中可以看出，3～5μm以及8～14μm波段范围吸收小，是比较理想的热红外应用波段。

图2 大气透射曲线，图下方表明主要的吸收源 3-5 μm中红外波段的探测器被广泛应用于电学失效分析领域中，其中应用最广泛的是碲镉汞（HgCdTe，MCT）探测器，但MCT探测器有以下缺点：

1）MCT晶体很难均匀生长，晶体生长困难增加了探测器成本；

2）MCT探测器量子效率低；

3）MCT含有重金属元素汞，不符合RoHS标准。 相比于MCT材料衬底昂贵、大面积组分不均匀等缺点，InSb材料均匀性和稳定性更好，InSb材料具有载流子寿命长、吸收系数大等优点，是一种更具应用前景的中红外光电材料。InSb探测器，具有较高的灵敏度和比探测率，是小型化、低功耗、高灵敏度和快响应中红外探测最佳选择之一。 图3为MCT探测器与InSb探测器在3-5 μm波段时相对灵敏度对比，在该波段InSb探测器比MCT探测器具有更佳探测灵敏度。

图3 MCT探测器与InSb探测器在3-5 μm波段的相对灵敏度对比

03 红外微光显微仪工作的原理

微光红外显微仪（Thermal EMMI）是利用InSb材质的侦测器，接收故障点通电后产生的热辐射分布，藉此定位故障点(热点、亮点Hot Spot)位置，同时利用故障点热辐射传导的时间差，即能预估芯片故障点的深度位置。图4为微光红外显微仪工作原理。

图4 微光红外显微仪工作原理

为了提高定位精确度，发展锁相热成像技术（Lock-in Thermography）如图5所示，将锁相技术和热成像技术有机结合，通过对系统电源进行调制，即按照某一固定频率的供电模式，对电源进行通断或高低点位开关，通过同步器件的电源供应与红外图像的捕获来减小噪声，通过软件进行积分运算，来测量器件微观的温度分布，利用锁相热成像技术幅位用来定位XY方向以确定缺陷位置，相位用来定位Z方向（时间/周期）通过对应的相位角，可以换算出缺陷深度或所在层数，从而精准定位失效位置。 锁相热成像是一种动态红外热成像提供了更好的信号噪声比，更高的灵敏度和较高的功能稳态的热成像分辨率比。图6是一失效器件在不同测试频率下热成图，从图中可以发现，随着测试频率的升高，噪声信号减弱，热成像越来越收敛，分辨率越来越好，定位更精确。

图5 热锁成像红外测试原理图

图6 不同测试频率下热成像图 而对于3D封装产品，以往要找到失效点，都必须利用去层的方式，一层一层的做异常排除确认，耗时又费工，利用thermal EMMI设备测试出失效点热辐射传导的相位差，预估3D封装的失效点深度(Z轴方向)，快速判断是失效点在哪一层芯片。图7不同深度空间下失效点与相位关系示意图。

图7 不同空间深度下失效点与相位关系示意图

04 具体应用与示例

微光红外显微仪可以实现对封装器件或芯片如下失效方式的检测：

1）检测芯片封装打线和芯片内部线路短路

2）介电层 （Oxide）漏电

3）晶体管和二极管的漏电

4）TFT LCD面板&PCB/PCBA的金属线路缺陷和短路

5）ESD闭锁效应

6）3D封装（Stacked Die）失效点的深度预估

7）低阻抗短路（＜10 ohm）的问题分析

8）检测芯片键合对准精度

审核编辑：黄飞