EMMI 原理.docx

1、EMMI 原理微光顯微鏡原理介紹Decap 之后通过EMission Microscope来Confirmleakage current. : K! D3 U M+ Z+ U微光顯微鏡原理介紹# K0 z: 7 ?1 O. pPoton Emission Microscopy (PEM)|4 o8 3 u; D3 z- n R. PEMission Microscope (EMMI)4 g+ b4 V* l( j8 4 ( _此篇重點:4 z% Z5 F y1 c$ PPEM 被證實為可用於確認出 IC 問題區域的方法 . F! ZX+ c% W3 F其基本原理是可偵測非常微小的光放射 ) y

2、! X/ GQ4 L其為簡單又便宜的方法可以指出Chip上有問題的區域 k1 p6 T4 m F u(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) : Y8 q1 |* y4 m L 對點的定位能力比LC好(liquid crystal, 此方法利用局部高溫找問題點) 5 S9 w+ y9 ! 2 C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 9 L4 i0 Z S$ m: F9 S# Y6 j內容:% Z; a( o9 d1 e b) u1 C基本原理 $ i6 2 Y3 e ) O6 s3 p: w) we半

3、導體的發光: 說明發光原理,什麼是F-PE,R-PE ( ( F, |: u sg T3 ikP-N階面二極體發光 n9 $ t) y* x0 F N+ E矽的能階圖:說明何謂間接(indirect)半導體 + R+ w* l# H$ D9 r7 P. p?順偏 逆偏說明:利用能階說明發光機制 8 ? r* o0 P3 v K2 p h: HF-PE / R-PE 頻譜分佈 n0 j+ u- m6 n( Q設備介紹 * O! n: Z, M; |設備架構 2 k* H! C/ b/ g I光感測(受)器(Detector) : b O8 u: A3 y1 % 從晶背問題探討 5 M O/ j

4、k+ G. 8 M發射源分類:電路上哪些情況會有由PEM測到亮點. / X- Z/ I8 r% D. I7 _ T; y6 s; Z發射機制的整理 ( V# * g6 6 U! N3 D: G0 A$ R判斷亮點是否為問題點 . 3 I5 ; Jg9 各種機制的頻譜分布 n7 n, e# d; p# ?2 M D3 9 x8 h. # X單項說明:逐一討論各種情形 - p0 c* S/ 3 Q0 U) l, . _總結 1 s5 : U4 p: 完成時間:2005-05-207 C) 2 b; u7 x oE-mail連絡作者: . w: O I : u 7 f_8 o. i, m2 V0 B

5、5 D6 X! v基本原理:, q3 . 8 K7 B* V, s* j$ c半導體的發光(electroluminescence in semiconductors) d; b4 d x: A; n6 V$ f. 4 C+ O4 z熱載子能量釋放(Relaxation accompanied with light emission)/ X, . N; J- r- ) v說明: ! ?% P3 z: s6 l一可移動載子(mobile charge carriers,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; E5 U4 M2 L

6、1 U3 O0 Y此為PEM測得的主要光來源 7 / di. F! Y$ 7 h* a此過程發生在同一能帶(intraband process).(即未跨過能階) 4 N$ _V% b3 c( b簡稱代號: F-PE (F: Field) / e A# n3 0 - j3 電子電洞結合(Radiative Band-Band Recombination):# N# h6 V. 9 Ts說明: 7 - K8 _# ?9 A! O! H導帶(conductance band)與價帶(valence band)的電子電洞結合 % V e6 n0 L( |) Tw$ g, Y不同能帶間轉換(inter

7、band process) ( j |. 0 G& k; _簡稱代號: R-PE(R: Reconmination) . H, xp 0 w$ P$ & U2 |% e右圖說明能帶的關係2 / W6 I5 f R(1)-(3) 稱為 interband transitions. ( % b6 d1 v4 N i2 v(4)-(7) 代表有摻雜物參與反應 * . t x) t# Y4 L( I/ 7 u# uu(8)-(9) 稱為 intraband transitions / q: z2 A# F j1 Nl8 ZSi Bandgap: 1.12 eV(常溫;此值隨溫度升高而下降) # m,

8、; ; t7 c3 l! d, K7 B u ) q0 r7 Y* T+ 4 K1 X9 _( tX g# A3 X1 d. V# a2 QP-N 接面二極體發光) o; o; s$ 7 h4 ?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) ) u3 d2 S2 x: R W逆偏時需操作在崩潰(avalanche)區或很大的漏電流(leakage current)(F-PE);當然也需有足夠電位給予載子動能/ _ j: |# & I) f4 L! r(註:此並不適合使用,因為測量過程可能會損害元件) 5 Y9 J! U k- 9 ?! S; U( |順向偏壓因

9、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);4 C1 V! Y7 Z6 L8 nSi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 6 G c* C* v A4 h: e* B& d6 I_5 Zt; A# l# Z; / v矽的能階圖-間接(indirect)半導體, W5 J/ w0 g8 t9 t9 ( 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 G0

10、A+ t# N2 a% X+ p. b因動量守恆(mementum convervation law)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 * ? J2 Q+ 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) 7 N; q9 u: q f2 2 k$ Z mSi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 ! d4 u # N! P5 o儘管如此,其順向偏壓所產生的光子足夠PEM偵測 5 E _3 M!

11、S b1 i雷射半導體與LED均是使用直接能階 6 w( w% Z1 V7 r1 Ft9 a9 X$ o! Y( h_1 B: F/ S4 d- M* ) - g順偏 逆偏說明7 p, v1 3 L$ J 2 C* A5 E9 G9 ) E! j# , 1 g/ I9 Y A+ n8 |順偏 逆偏9 8 Q. H8 H+ J5 V6 A上左顯示順偏時少數載子注入引發電子電洞結合 2 g2 o ; U) p% CSi特性光譜,波長約為 1.1 um 的紅外光,(常溫1.1eV band gap).$ H! J$ p7 p# h( i) b- 註:可見光波長為為:380 到 780 nm + 5

12、R! X/ Q/ p能量分佈範圍為以1.1um為中心成高斯(gauss profile)分布(約 900nm 到 1300nm) 逆偏時增加能量障壁(pn-energy barrier),空間電荷(SCR-space charge region)的電場 6 m% O; V3 ( . e7 P N( m5 T通過此區的載子獲得加速及動能 ( O* o4 w! D5 t) 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: l0 z原文(說明機制): They relax scattering at lattice disorders lik

13、e phonons, crystal defects and charged coulomb centers, accompanied by light emission with high probability and in a few cases additionally by recombination 1 n- sp0 z9 S2 m S k波長範圍從紅外光(IR)到可見光 $ G L7 q4 k5 o2 r# U) S5 Z5 V, s! T( c8 _/ b+ u8 i5 P% s% i1 YF-PE / R-PE 頻譜分佈- 5 O! e$ W. K O D下圖為描繪F-PE

14、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( P9 ?, J; g$ r( F. u8 O2 c其他:1 w1 x0 p+ 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( g7 fPEM無法測得溫度,因其偵測的波長範圍需要超過 500k(黑體) 5 / d9 b/ 1 Y T9 Y# |# _( c( g2 a3 f+ K8 P7 T5 ( j設備介紹; z% W* t. r% m b x下圖為基本結構120 a( z2 l

15、# ! ?2 H; q M8 j2 j5 z8 Z 6 6 Y7 B9 # C2 k V0 Y. P; + O j$ C說明: L2 ! t. X3 k e$ G3 k YPEM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 ( 3 c, T X- ( 特性: ( m+ o: z5 a, y* n$ N+ I一般系統架設在探針(probes/probe cards)系統上,或局部開口的IC上(decap)+socket使用 3 K: w, z9 # 5 W- g# ?此顯微鏡對所需接收的波長作最佳化 8 m# v$ z# Q% Z$ l

16、 h9 接收器(detector)需能接收微弱(faint)的光線 - A2 C+ w$ ; Q5 i) d8 R v能將PEM影像與OM(顯微鏡)所看到的線路影像作疊圖(overlay) % ? . R6 ZD% m光學系統: 9 _( f v$ H D! U7 O, _+ aPEM設備上決定其設備性能的關鍵 k* e5 e7 q 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# q5 R: / b7 D: x9 R W7 O高的數值孔徑(numerical aperture, N

17、A), 長焦距鏡頭(high working distance, WD),易於操作 , e1 h3 m. e6 G/ z. Z1 K4 X. X光感測器(Detector) ( ay* y/ g5 7 F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 ( Kx5 l- p1 R目前設備為均用CCD取代,其特性下一段討論.(主要有 cooled Si-CCD, MCT-CCD) , K* g, U( g* ?8 W1 D 在 FA (failure analysis)要求的為在低倍率有高敏感度. $ X. p g( N y8 b& P第一次取影像需求為能取到

18、整顆晶片(whole chip),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(whole chip) , e6 L* z, d j- i* G* P& 觀測期間可移除全部不需要的鏡片(High transmission mode) ) x4 i- g6 O! v* f2 P提供全黑的環境,任何雜訊都將影響結果靈敏度 : z6 N( p$ h; C) l. e! P註:1 |5 _5 : * S. j# Pg1.數值孔徑(NA) 是測量從一光點(light spot)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)$ : B3 x/ G8

19、! Z bF=f(NA/M)2. M: magnification, NA: numerical aperture, F:light flux 下表為典型的物鏡(objectives)* T# h U 9 gN- w- U6 V+ LMagnification NA rel. Flux5 T8 o3 e S 3 9 iL( W+ U0.8 0.025 0,13- 9 G6 m ?h7 u) - 8 e/ U0.8 Macro 0.40 321(39); ; y- y( X% u$ Z6 n8 HC5 0.14 12 l$ A0 a+ Y+ z20 0.42 0,6: k, c, C9 S# l

20、0 u- j 100 0.50 0.03% Q$ |+ K- Y; H7 G2.數值孔徑(Numerical Aperture)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，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.nsin 資料來源 9 B- M: B. , x / x. c9 g_6 e2 Y0 Y. g# ; B9 b; e光感測(受)器(Detector): A: y/ q# d; A2 e! l偵測波長範圍: 1500 nm to 500nm 5 S( 5 G# Z5 / N( w含頻閃觀測儀

21、(stroboscopic gating option)約在GHz的頻率,能輸出至 TV 影像的頻率 L6 v/ x4 a% s8 6 K5 L7 e過去用: Phtocathode, Micro Channel Plate, Vidicon 9 O* , / Q8 R. x1 u6 k# e5 i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 2 E$ K) x* n9 _3 _2 tcooled Si-CCDs HgCdTe(MCT) CCDl* W6 p2 d( % 偵測波長範圍: 500 - 1100 nm. , M, V* g+ 8 Z1 i可用於偵測

22、F-PE 與 R-PE / H: Q0 T0 F5 k: w2 B, h$ E靈敏(sensitivity)度不高 ) G7 B6 Y/ / P3 r# v) fpixel field: 1056 x 1056 0 ; * _8 E) T9 t: R取影像需幾秒時間,無法用於動態影像 ) d% b H/ v- _! B, c. V. u( w- i: G可靠 省錢 = 矽(Silicon)為基材的CCD, 須有Peltier cooling 另一型的CCD,利用不同材質(非使用Si) ; ( n, y( B e# ( R將偵測波長往紅外光推.(可到 2.5 um,可測到黑體輻射)一般為防止干擾

23、利用濾波器將其 接收範圍限制在1.4 um以下 0 i3 q + f7 W對有興趣的波長範圍有更高的靈敏度 0 x9 / E3 G I! j: f! X 可用於從晶背(backside)觀看PEM - e2 V, I! c+ u8 k: E$ _2 t+ Wa可用於較低壓的IC z Q3 I/ W8 G4 Wpexel field: 256x256(典型) / d* ?1 D: 2 L! K0 C6 L 4 s7 d- u需用液態氮冷卻以減少雜訊 ; k) e5 l/ N! J/ d比Si-CCD貴很多 |+ 3 F v- e9 Z+ 下圖顯示 Si-CCD, MCT-CCD比較1:/ P)

24、_; K. S9 ?; y8 O$ i0 9 M ! o6 M q. S) n8 x% n p4 c# E_1 f9 8 h+ O G U從晶背使用PEM(Backside)+ O o; l6 I6 C* ; 2 J% B8 P! s原因:製程上金屬層增加,覆晶封裝(flip-chip)無法從正面(front side)取得PEM影像 2 A4 U$ 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) / K0 C5 Q; X2 ?* W u4 % d$ d所面面臨問題:! q4 B+ A G* h; cCCD # b9 p u/ O+ A1 v1 eS

25、i-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. I9 o% U* ?若參雜不重(light doping),Si-CCD的吸收光譜小部分重疊(見右圖P-與Si CCD所圍區域), 此區間已可取得很多有用的資訊 , $ s9 I9 M Q建議使用MCT-CCD v9 r9 X% k; T1 - k; WSi 底材(substrate) / s m% $ y C, hsi的diffraction index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) Q6 X0 l/ c1 c; 1 o, X有特殊物鏡可以補償,不過須工作在特定的底材

26、厚度 ) $ s! L3 K- z: B; V3 C; 5 P表面拋光(polish)對影像的結果有很大影響 + q3 - O+ ?0 D( GSi 底材重參雜(Heavy doping) , H! ?. T C+ ! 0 R5 N* 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(free carriers)吸收(右圖P+所示穿透率不到10%) $ Q6 U- c X# K使用 Si-CCD問題更為嚴重, 需將底材磨到厚度小於 50 um 4 v+ j* q, l5 e3 H0 o+ c. B- au9 v使用MCT-CCD問題

27、此問題不嚴重 / x K, E) h p4 R5 y右圖紅線說明不同參雜濃度的透光率 特性光譜 & Si-CCD , s, g8 L3 9 O, o s; K2 k! R! e( P# ?9 4 n: e_3 V% z) p% T3 V; f發射源分類(Classification of Emission Source)% Z; e2 O$ K- P5 Z0 c j, t下表為發射機制的整理1: k; F m+ + x k0 M! I3 F-PE Space Charge Region(SCR): H4 0 c/ j, H4 R(空間電荷區域) Reverse Biased Junction% k% h8 |1 i8 a 9 % # f(PN 接面逆向偏壓)4 L- $ |2 S w f: W+ c Silicon Leakage Current* Z# 7 w4 m- B5 K( b MOS Transistors / saturated mode: I 1 : p; E(MOS操作於飽和區)- g, M Q+ V; s0 M% L ESD Protection Breakdown( H+ j7 m# d1 W- v