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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zui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zui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zui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；
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zui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zui短波长。
虽然成本较低，zui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。
表1 半导体检测应用与产品推荐
