EMMI 原理.docx
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EMMI原理
∙
微光顯微鏡原理介紹
Decap之后通过 EMissionMicroscope 来Confirm leakagecurrent.:
K!
D3U'[ M+Z+U
微光顯微鏡原理介紹#K0z:
^7?
1]'O.p
PotonEmissionMicroscopy（PEM）
|4o8{3u;D3z-n"R.PEMissionMicroscope（EMMI）
4g+b4V*l（j8]4@（_此篇重點:
{4z%Z5F'y1c$P• PEM被證實為可用於確認出IC問題區域的方法
.F!
Z X+c%{W3F• 其基本原理是可偵測非常微小的光放射）y!
X/G Q4L
• 其為簡單又便宜的方法可以指出Chip上有問題的區域'k1p6T4m"Fu
（有問題區域並非一定為錯誤區域,有可能看到的是果而非因）:
`"Y8q1|*y4mL"}
• 對點的定位能力比LC好（liquidcrystal,此方法利用局部高溫找問題點）
5S9w+y9}!
`2C• 了解"電致發光"（或翻為"場致發光",electroluminescence）其物理原理可更合理（正確）推論出可能的原因
9L4i0ZS$m:
F9S#Y6j內容:
%Z;a（o9d1eb）u1C
• 基本原理
$i6^2Y3e"^）O6s3p:
w）w e• 半導體的發光:
說明發光原理,什麼是F-PE,R-PE
（`（F,|:
u's gT3i k• P-N階面二極體發光n9~$t）y*x0F'N+E
• 矽的能階圖:
說明何謂間接（indirect）半導體+R+w*l#H$D9r7P.p ?
• 順偏逆偏說明:
利用能階說明發光機制
8?
'r*o0P3v"K2p'h:
H• F-PE/R-PE頻譜分佈
n0j+u-m6n（Q• 設備介紹
*O!
n:
Z,M;|• 設備架構2k*H!
C/b/g"I
• 光感測（受）器（Detector）:
b"O8u:
A3y1`%{
• 從晶背問題探討
5M'["O/j"k+G `.`8M• 發射源分類:
電路上哪些情況會有由PEM測到亮點.
/X-Z/I8r%D.I7_T;y6s;Z• 發射機制的整理
（V#\*g6[6U!
N3D:
G0A$R• 判斷亮點是否為問題點.]3I5\;J g9\
• 各種機制的頻譜分布"n7n,e#d;p#?
2M"D3{9x8h.`#X
• 單項說明:
逐一討論各種情形
-p0c*S/[3Q0U）l,\._• 總結1s5[:
U4p:
[
完成時間:
2005-05-20
7C）[2b;u7x'oE-mail連絡作者:
.w:
OI"`:
u'@7f
________________________________________8o.i,\'m2V0B5D6X!
v
基本原理:
q3~.~8K7B*V,s*j$c
半導體的發光（electroluminescenceinsemiconductors）"d;b4d'x:
A;n6V$f.@4C+O4z
• 熱載子能量釋放（Relaxationaccompaniedwithlightemission）
/X,].N;J-r-]）v說明:
!
?
%P3z:
s6l• 一可移動載子（mobilechargecarriers,可為電子或電洞）經過電場加速取得足夠的動能（kinetic,熱載子）,利用光將其累積的動能釋放
.P;E5U4M2L1U3O0Y• 此為PEM測得的主要光來源7@/d i.F!
Y$}7h*a
• 此過程發生在同一能帶（intrabandprocess）.（即未跨過能階）4N$_ V%b3c（b
• 簡稱代號:
F-PE（F:
Field）/e'A#n3\0@-j3`
• 電子電洞結合（RadiativeBand-BandRecombination）:
#N#h6V.]9T s
說明:
7[-K8_#?
9A!
O!
H• 導帶（conductanceband）與價帶（valenceband）的電子電洞結合%V"e6n0L（@ |）T w$g,Y
• 不同能帶間轉換（interbandprocess）
（j|.]0G&k;_• 簡稱代號:
R-PE（R:
Reconmination）
.H,x p]0w$P$]&U2|%e• 右圖說明能帶的關係[2]
/~W6I5f'R•
（1）-（3）稱為interbandtransitions.
（[%b6d1v4Ni2v• （4）-（7）代表有摻雜物參與反應
*@.t"x）t#Y4L（I/^7u#u u• （8）-（9）稱為intrabandtransitions/q:
z2A#F"j1N l8Z
• SiBandgap:
1.12eV（常溫;此值隨溫度升高而下降） #m,{;[;t7c3l!
d,K7Bu"{
）q0r7Y*T+^4K1X9{________________________________________（t X'g#A3X1d.V#a2Q
P-N接面二極體發光
）o;o;s$`7h4?
9~• 需要足夠的電流才能有足夠的光線給PEM接收（受限於PEM靈敏度,右圖紅線））u3d2`S2x:
R"W
• 逆偏時需操作在崩潰（avalanche）區或很大的漏電流（leakagecurrent）（F-PE）;當然也需有足夠電位給予載子動能
/_j:
|#}&I）f4L!
r（註:
此並不適合使用,因為測量過程可能會損害元件）5Y9J!
Uk-@9?
!
S;U（|
• 順向偏壓因為有大量的少數載子注入,所以在低電壓即有大量的電子電洞結合可用於PEM觀測（R-PE）.此現象非常有效率（LED的發光原理）;
4C1V!
~'Y7Z6L8nSi晶圓上此現象並不明顯,因為其為間接能階（因其動量不同,下一段討論）.不過PEM還是可以觀察的到
#x7@）M5[6G'c*C*vA4h:
e*B&d6I
________________________________________
5Z t;A#l#Z;`/v矽的能階圖-間接（indirect）半導體,W5J/w0]"g8t9t9~（]
• 若連動量一起考慮則如右圖顯示Si為間接（能階）半導體;即其導帶最低處與價帶最高處並不在同一動量,所以其電子電洞結合會有一動量差
"G0A @+t#N2a%X+p.b• 因動量守恆（mementumconvervationlaw）所以Si走路徑"1"的機率會遠少GaAs（右圖,為直接能階）
o.j;x（Q8@*?
'J2Q+R!
{0}• 走"1"的路徑會分為兩分量"動量轉換與能量轉換;藉由聲子（phonon）轉換動量（故走"1"這條路會包含光子與聲子的轉換）
7N;q9u:
q'f2~2k$Zm• Si大多數的電子電洞結合都會走"2"-"3"這條路.此方式會經由中間階能階（或稱複合中心）當作中介轉換,使其轉換機率大增
!
r4}!
d4u"]#N!
P5o• 儘管如此,其順向偏壓所產生的光子足夠PEM偵測
5E"_3M!
S"b1i• 雷射半導體與LED均是使用直接能階
6w（^w%Z1V7r
1F t9a9X$o!
Y（h________________________________________1B:
F/S4^"d-M*\）`-g
順偏逆偏說明
7p,v1^3L$J
2C*A5E9G9\）E!
j
#^,~1g/I9Y"A+n8|順偏 逆偏
9@8Q.H8H+J5V6A• 上左顯示順偏時少數載子注入引發電子電洞結合2g2o"~;U）p%C
• Si特性光譜,波長約為1.1um的紅外光,（常溫1.1eVbandgap）.$H!
J$^"p7p#h（i）b-}
註:
可見光波長為為:
380到780nm
+\5R!
X/Q/p• 能量分佈範圍為以1.1um為中心成高斯（gaussprofile）分布（約900nm到1300nm） • 逆偏時增加能量障壁（pn-energybarrier）,空間電荷（SCR-spacechargeregion）的電場6m%O;V3^（[.e7P"N（m5T
• 通過此區的載子獲得加速及動能（O*o4w!
D5t）X:
^-k
• 於散射（scattering）過程放出能量,（某些情況包含電子-電洞結合）[8~&N;K:
l0z
原文（說明機制）:
Theyrelaxscatteringatlatticedisorderslikephonons,crystaldefectsandchargedcoulombcenters,accompaniedbylightemissionwithhighprobabilityandinafewcasesadditionallybyrecombination
1n-s p0z9S2m'Sk• 波長範圍從紅外光（IR）到可見光$G'L7q4k5o2r#U）S5Z5V,s!
T（c8^
________________________________________/b+u8i5P%s%i1Y
F-PE/R-PE頻譜分佈
-}5O!
e$W.K"O'D下圖為描繪F-PE與R-PE頻譜強度佈圖（從參考資料[1]描繪,有需要請參考原圖）7^4|;o;i5`（J（P
9?
J;g$r（F.u8O2c其他:
1w {1x0p+n!
R-g*f• 電阻性元件（'Ohmic'currents）並不會發出PEM可用的光,僅會引發其他部分發光時產生PEM可用訊號
8}）D#w9};}"z!
d（g7f• PEM無法測得溫度,因其偵測的波長範圍需要超過500k（黑體）
5@/d9b/\1Y'T9Y#|#^________________________________________
（c（}g2a3f+K8P7T5@（j設備介紹
;z%W*t.r%mb'x下圖為基本結構[1][2]
0a（z2l#`!
?
2H
;qM8j2j5z8Z
6{6Y7B9@'@#C2k"V0Y.P;[+Oj$C說明:
"L2{!
t.X3k'e$G3kY
• PEM就是將顯微鏡（OM）加上影像擷取系統,且能接收較大的波長範圍（500nm-1500nm）
$B9`（@3c,TX-@（}• 特性:
（m+o:
z5a,y*n$N+I• 一般系統架設在探針（probes/probecards）系統上,或局部開口的IC上（decap）+socket使用
3K:
w,z9`#@5W-g#?
• 此顯微鏡對所需接收的波長作最佳化8m#v$z#Q%^Z$l'h9[
• 接收器（detector）需能接收微弱（faint）的光線
-A2C+w$^;Q5i）d8R'v• 能將PEM影像與OM（顯微鏡）所看到的線路影像作疊圖（overlay）%?
"@.R6Z D%m
• 光學系統:
9_（f'v$HD!
U7O,_+a• PEM設備上決定其設備性能的關鍵 k*e5e7q'K!
p5\*T
• 一般OM影像（反射式顯微鏡）因有強光源可反射,所以成像容易.需關注的是微小光源（PE）傳送到Detector過程中顯微鏡的好壞
+A,O#q5R:
]/b7D:
x9RW7O• 高的數值孔徑（numericalaperture,NA）,長焦距鏡頭（highworkingdistance,WD）,易於操作,e1h3m.e6G/z.Z1K4X.X
• 光感測器（Detector）（a y*y/g5]7F
• 上圖所示為先將光轉為電（非常微量無法偵測）,然後利用倍增管將其放大然後打到螢光屏顯像
（K x5l-^ p1R• 目前設備為均用CCD取代,其特性下一段討論.（主要有cooledSi-CCD,MCT-CCD）
K*g,U（g*?
8W1D'[• 在FA（failureanalysis）要求的為在低倍率有高敏感度.
$^X.p'g（N'y8b&P• 第一次取影像需求為能取到整顆晶片（wholechip）,並且能夠概略得到亮點區域.一般需配0.8x的鏡頭以取得整顆IC（wholechip）
e6L*z,dj-i*G*P&^• 觀測期間可移除全部不需要的鏡片（Hightransmissionmode）
）x4i-g6O!
v*f2P• 提供全黑的環境,任何雜訊都將影響結果靈敏度
:
z6N（p$h;C）l.e!
P註:
1|5_5\:
~*S.j#P g1.數值孔徑（NA）是測量從一光點（lightspot）放出通量（flux）F的光束,通過一倍率為M的光學系統到一CCD的像數（pixel）
${:
B3x/G8\!
Zb F=f（NA/M）2. M:
magnification,NA:
numericalaperture,F:
lightflux下表為典型的物鏡（objectives）*T#h"U'^9g N-w-U6V+L
Magnification NA rel.Flux5T8o3e'S'`3^9i L（W+U
0.8 0.025 0,13
-^9G6m?
h7u）}-}8e/U0.8Macro 0.40 321（39）;`;y-y（X%u$Z6n8H C
5 0.14 1
2l$A0a+Y+z20 0.42 0,6
:
k,c,C9S#l0u-j'~100 0.50 0.03
]%Q$|+K-Y;H7G2.數值孔徑（NumericalAperture）N.A.是決定物鏡的分辨率、焦深、圖像亮度的基本數據，當物鏡焦點對好後，物鏡前透鏡最邊緣處的傾斜光線與顯微鏡光軸所交角成α，此即該物鏡的半孔徑角設標本數據空間的折射率為n，則N.A.＝n×sinα資料來源9B-M:
B.{,x"]/x.c9g
________________________________________6e2Y0\'Y.g#[;B9b;e
光感測（受）器（Detector）:
'A:
y/q#d;A2e!
l
• 偵測波長範圍:
1500nmto500nm
5S（]5G#Z5{/N（w• 含"頻閃觀測儀"（stroboscopicgatingoption）約在GHz的頻率,能輸出至TV影像的頻率'L6v/x4a%s8{6K5L7e
• 過去用:
Phtocathode,MicroChannelPlate,Vidicon
9O*{,@/Q8R.x1u6k#e5i• 目前:
都是做成CCD的形式（直接用CCD）,以下說明兩種目前最常用的CCD
2E$K）x*n9_3_2tcooledSi-CCDs HgCdTe（MCT）CCD
l*W6p2d（^%~• 偵測波長範圍:
500-1100nm.
M,V*g+{8]Z1i• 可用於偵測F-PE與R-PE/H:
Q0T0F5k:
w2B,h$E
• 靈敏（sensitivity）度不高）G7B6Y/{/P3r#v）f
• pixelfield:
1056x10560{;]*_8E）T9t:
R
• 取影像需幾秒時間,無法用於動態影像
）d%bH/v-_!
B,c.V.u（w-i:
G• 可靠省錢=>矽（Silicon）為基材的CCD,須有Peltiercooling • 另一型的CCD,利用不同材質（非使用Si）;{（n,y（Be#]（R
• 將偵測波長往紅外光推.（可到2.5um,可測到黑體輻射）一般為防止干擾利用濾波器將其接收範圍限制在1.4um以下0i3q^+f7W
• 對有興趣的波長範圍有更高的靈敏度
0x9@/E3G"I!
j:
f!
X"]• 可用於從晶背（backside）觀看PEM-e2V,I!
c+u8k:
E$_2t+W a
• 可用於較低壓的IC
"z'Q3I/W8G4W• pexelfield:
256x256（典型）/d*?
1D:
}2L!
K0C6L'~4s7d-u
• 需用液態氮冷卻以減少雜訊;k）e5l/N!
J/d
• 比Si-CCD貴很多|+}3F'v-e9Z+`
下圖顯示Si-CCD,MCT-CCD比較[1]:
/P）_;K.S9?
;y8]'O$i0}9M!
o6M"q.S）n8x%n'\'p4c#E
________________________________________
1] f9~8h+O'GU從晶背使用PEM（Backside）
+O"o;l6I6C*{;{2J%B8P!
s• 原因:
製程上金屬層增加,覆晶封裝（flip-chip）無法從正面（frontside）取得PEM影像
2A4U$U/V）E• 矽材質僅能穿透波長高於1100nm的光.因為能階的關係（bandgap）/K0C5Q;X2?
*Wu4@%d$d
• 所面面臨問題:
!
q4B+AG*h;c• CCD
#b9pu/O+A1v1e• Si-CCD不很適合使用,因為其最佳吸收波長剛好與底材的吸收波長相同（穿透率不佳）
F.I9o%U*?
• 若參雜不重（lightdoping）,Si-CCD的吸收光譜小部分重疊（見右圖P-與SiCCD所圍區域）,此區間已可取得很多有用的資訊
{ {$s9I9M"Q• 建議使用MCT-CCD v9r9X%k;T1^-k;W
• Si底材（substrate）/s"m%@$y"C,h
• si的diffractionindex為3.4會造成光線發散,使影像模糊（因為只有小部分在聚焦點上）
"Q6X0l/c1c;\1o,X• 有特殊物鏡可以補償,不過須工作在特定的底材厚度）~$s!
L3K-z:
B;V3C;\5P
• 表面拋光（polish）對影像的結果有很大影響+q3`-O+?
0D（G
• Si底材重參雜（Heavydoping）,H!
?
.T'C+}!
`0R5N*E
• 嚴重影響光線傳輸,即使波長操過1100nm,原因為能階變窄（bandgap-narrowing）被自由載子（freecarriers）吸收（右圖P+所示穿透率不到10%）
$Q6U-cX#K• 使用Si-CCD問題更為嚴重,需將底材磨到厚度小於50um
4v+j*q,l5e3H0o+c.B-a u9v• 使用MCT-CCD問題此問題不嚴重/x"K,E）h"p4R5y
• 右圖紅線說明不同參雜濃度的透光率特性光譜&Si-CCD ,s,g8L3[9O,o
's;K2k!
R!
e（P#?
9}4n:
e________________________________________
3V%z）p%T3V;f發射源分類（ClassificationofEmissionSource）%Z;e2O$K-P5Z0c'j,t
下表為發射機制的整理[1]:
:
k;Fm+]+x'k0M!
I3]F-PE SpaceChargeRegion（SCR）
:
H4~0c/j,H4R（空間電荷區域） ReverseBiasedJunction%k%h8|1i8a[9{%~#f
（PN接面逆向偏壓）
4L-]$|2Sw"f:
W+c SiliconLeakageCurrent
*Z {#`7w4m-B5K（b MOSTransistors/saturatedmode
:
I'\1~:
@ p;E（MOS操作於飽和區）
-g,M"Q+V;s0M%L ESDProtectionBreakdown（H+j7m#d1W-v'
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