随着全球电子行业的飞速发展，半导体行业规模日益扩大，成为引领全球科技革新的重要力量。由于晶圆集成电路生产是该行业的核心业务，因此半导体芯片的检测环节显得尤为重要。硅作为一种优秀的半导体材料，具备资源丰富、成本低廉和高稳定性等优势，已成为制造芯片的理想选择。利用短波红外光（SWIR），我们可以透过硅片实现大于1150nm波长的光谱成像，将其应用于半导体芯片的制造过程中，能够进行原材料硅片检测、晶粒缺陷检查以及边缘位置键合检查等操作，从而显著降低生产制造成本，成为一项强大而有效的检测工具。

 

一、半导体芯片制造过程

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：Front End of Line，衬底工艺）和后道工序（BEOL：Back End of Line，互连过程）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（使用内径锯或线锯将铸锭切割成约1mm厚的薄片，形成晶圆）、研磨（薄片在研磨机上用氧化铝磨料抛光至所需厚度，同时提高表面平行度）、刻蚀（由先前步骤造成的对晶圆片表面的机械损伤可通过化学蚀刻去除）、抛光（晶圆片表面完全平整，并通过使用胶体二氧化硅的机械化学抛光方法进行镜面抛光）以及清洁和检查等工序制造出纯度高达99.999999999%的单晶硅片（wafer）的过程。

 

晶圆制备过程示意图

 

前道工序是指在单晶硅片上，利用光刻、掺杂、沉积等技术制作出器件结构的过程，即制造出场效应管的过程。具体工序见下图。

前道工序基本步骤：(a)准备衬底(b)氧化物掩膜层生长(c)涂覆光刻胶(d)加载光掩模被并与晶圆对齐(d)暴露在强紫外线下(f)显影液去除剩余的光刻胶(g)离子注入，创建晶体管的源极和漏极

 

当IC的所有组件都准备好了，就会执行BEOL处理步骤，在各个器件之间沉积金属布线，以便将它们互连，这一过程称为金属化，如下图所示。

 

后道工序步骤：(a)前处理好的晶片(b)金属沉积(c)化学蚀刻去除正光刻胶的暴露部分(d)蚀刻后，获得连接电线图案(e)各种金属层通过在绝缘材料中蚀刻孔(称为过孔)相互连接

 

在BEOL处理之后，进行晶圆后工艺，包括晶圆测试，模具分离，模具测试，IC封装和最终器件测试。

 

二、短波红外相机在其中的应用

在上述过程中红外相机常被引入测试、检验和质量控制系统，例如：检测半导体晶片内部的空隙和裂纹等缺陷、堆叠晶圆后晶片间的检查以及晶粒和封装检查。

 

01硅晶体和晶锭检验

当硅砖被加工成晶圆时，内部杂质的存在会对切割刀及其他生产设备造成损害。使用短波红外相机结合特定波长光源可以很容易地检测到硅砖或硅锭内的杂质和化合物，从而确保安全的生产过程和更高的效率。其原因是半导体硅的带隙不吸收较低的能量和较长的波长的短波红外光子，而具有较高能量的可见光被吸收。这使得SWIR相机成为一个优秀的检查工具，可以直接检测杂质、缺陷、空隙或夹杂物。

 

硅锭检测，左：可见光，右：SWIR

 

02晶片键合检测

多堆叠晶片键合是制造三维微结构的最有前途的制造技术之一。它提供了独立于晶片厚度、掺杂水平、晶体取向和晶格间距的可能性。晶片键合发生在晶片蚀刻后，键合过程可以由下图简要描述。对于键合过程，至关重要的是要求接触晶片表面之间有高质量的界面。灰尘、空气、初始晶圆的完整性等因素都会成为键合区域产生某些缺陷的原因。为了满足要求，需要使用红外相机对键合结果进行检查，以确保在所有制造阶段对其状态进行控制。

 

多堆栈粘合步骤：(a)晶片被处理并准备粘合；(b)非粘合面的氧化层被光刻胶保护；(c)粘合侧的氧化层被BOE去除；(d)晶片被清洗；(e)和(f)晶片在1050°C退火，随后粘合。

 

03晶粒（Die）和封装检查

封装前的晶粒（即晶圆被切割切成的小块）检查也是SWIR相机的一种常见应用，因为它们可以看到由晶片切割引起的小裂缝，隐藏在硅材料的内部（见下图）。

SWIR 相机拍摄的晶粒侧面检查-寻找硅内部的切割损伤

 

晶圆级封装是一种结合晶圆制造和器件封装的技术，使用晶圆级封装，许多集成电路可以通过互连过程堆叠在一起，如TSV（硅通孔技术，三堆叠芯片之间实现垂直电学互连的通道，是三维集成封装的重要元素）或金属堆叠，然后进行封装。在这个过程中，SWIR相机用于密封检查（气泡或破裂的检测，见下图）、器件缺陷检查、临界尺寸和覆盖层测量等。

 

短波红外图像显示密封性失效

 

04光伏晶片检验

太阳能面板是由光伏（Photovoltaic，PV）电池组成，每块电池都包括前后金属电极、硅层和带有抗反射涂层的纹理表面。表面划痕、裂纹、气泡、夹杂物和接触成形误差会影响太阳能电池最终的效率和使用寿命。这些可以通过电致发光（EL）成像和光致发光（PL）成像来检测，并通过SWIR相机探测到。

电致发光是通过加在两电极的电压产生电场引起发光的一种物理现象。光伏板由硅制成，在1150nm处有发光发射峰。光发射与相关物理量（载流子密度、二极管电压等）直接相关。而光致发光成像使用光激发，与电致发光相比，该技术的主要优点是无需与样品接触，在生产过程中，PL成像作为部分成品或成品晶片的在线监测工具具有巨大的潜力。

但不管是哪种检测方法，发光信号都在短波红外范围内，需要SWIR相机进行检测和成像。从硅晶体到晶棒/晶砖、晶圆、太阳能电池乃至太阳能模组，SWIR相机的应用可覆盖整个供应链检验流程。

 

使用SWIR相机获得的电致发光图像

 

SWIR相机被视为半导体检测中的宝贵工具，借助其透过硅和其他半导体材料的能力以及高灵敏度、低噪声等特点，可实现全面的缺陷检测和质量控制。利用SWIR成像设备，半导体制造商能够有效提高产量、优化工艺并提升整体效率。

 

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