摘要：为了解决可见光显微成像技术无法实现硅基芯片内部结构观测的问题，根据1064nm的红外激光对硅材料具有一定穿透深度的特性，设计了一种硅基半导体芯片激光红外显微成像系统。该系统采用数值孔径为0.42的长工作距显微物镜，通过音圈电机振动多模石英光纤消除散斑噪音，由系统观察CD-RW盘片道间距，表明系统分辨率可达到1.6μｍ，接近理论值，实现了对芯片厚度为70μｍ的静态随机存储器内部结构显微成像的观测。
关键词：半导体芯片；激光红外显微成像；多模石英光纤；音圈电机
半导体芯片激光红外显微成像技术是通过对半导体芯片内部的显微成像，实现对芯片内部结构的观察以及对缺陷的检测．根据观察到的芯片内部结构特征，来为改进芯片设计提供参考，同时对芯片内部缺陷定位，可以提高其良品率和可靠性．
一、激光红外显微成像的系统结构
红外显微成像技术是将显微镜技术应用到红外成像系统中，利用红外线的穿透能力，来观测芯片内部结构。红外显微成像系统的分辨率由显微物镜的分辨率、CCD摄像头的分辨率和图像采集卡的分辨率决定；但主要决定于显微物镜的分辨率．由瑞利判据可知，物镜的分辨率由下式决定：d=0.61λNA，即与照明光源的波长成正比，与物镜的数值孔径成反比．本系统选用显微镜物镜的数值孔径NA为0。42保持不变，采用波长为1064nm的红外激光作为光源，其分辨率的理论值可达1.49μm。由于散斑噪音的存在，影响了成像的质量，所以我们利用光纤振动的方法对散斑进行消除．具体如下，将一个音圈电机固定在多模石英光纤上，让音圈电机振动带动光纤振动，对传输中红外激光的相干性起到破坏作用，进而达到消除散斑的目的．原理如图１。
图1 原理图
本系统的基本组成可大致分为：光学显微镜，CCD图像采集，微型计算机。
1.散斑噪音的消除。自1960年激光器问世后，人们就观察到了激光散
斑现象，即为高相干性的激光在粗糙的物体表面所形成的颗粒图样，又称散斑噪音。这种散斑的存在严重影响激光显微成像的质量，掩盖图像的信息，降低了图像的分辨率，成为激光显示、激光成像等应用的制约因素之一，因此对激光散斑噪音的消除问题具有重要的研究意义．如何减弱散斑噪音的影响一直是人们研究的问题，不少科研工作人员曾提出降低散斑对比度的方法，如利用不同波长的光源照明来降低激光相干性，从而减弱散斑，利用脉冲激光的叠加、移动散射体等方法来降低散斑．这些方法虽然减弱散斑的影响，但系统较为复杂。本系统采用8051单片机控制AD9850的输出频率，通过AD9850产生信号，由ULN2003大电流驱动阵列来驱动音圈电机振动，进而带动多模石英光纤振动，使激光的相位发生变化，从而破坏了激光的强相干性，起到消除散斑噪音的作用．对抛光玻璃表面的显微成像，由对比度公式 
（其中，I是散斑图样的强度）通过MATLAB软件计算其对比度为0.1676，采用振动光纤的方法对散斑进行消除后的抛光玻璃，计算其对比度为0.0383.该方法对散斑噪音的消除有很好的效果，使显微图像达到5％以下的散斑对比度，低于人眼对图像的分辨。
2.激光红外显微成像系统分辨率的检测。光学显微镜中的分辨率是指能清楚区分被检物体细微结构最小间隔的能力。图2是选用波长为1064nm的红外激光作为照明光源，通过显微物镜50倍放大，数值孔径为0.42，景深1.6μm，CCD摄像头像素为786×576的激光红外显微成像技术对CD-RW所成的像。由2.1节计算得知系统理论分辨率为１．４９μｍ，图2清晰地观察到道间距为1.6μm的CD-RW盘片的显微图像，表明系统分辨率接近理论值。
图2 50Ｘ显微物镜激光红外显微成CD-RW盘片的图像
二、激光红外显微成像的系统成ＳＲＡＭ的图像
采用波长为1064nm的红外激光作为光学显微镜的照明光源，笔者对成像过程中的散斑噪音的消除以及激光红外显微成像系统的分辨率进行研究和检测。利用红外显微成像技术具有图谱合一、微区化、可视化、高准确度和高灵敏度等优点，可以很好地观察芯片的内部结构组成及缺陷检测．用半导体芯片激光红外显微成像技术在20Ｘ的显微物镜对静态随机存储器表面（其缩写形式为SRAM，即表示StaticRAM）所成的像。是用该技术分别在20Ｘ和50Ｘ的显微物镜对SRAM不同灵敏区所成的像。采用激光红外显微成像技术，对SRAM表面进行成像，清晰地观察到其表面具有划痕及灰尘。然后上移样品，分别采用HY-20Ｘ型20倍NIR无穷远超长工作距物镜，工作距离30.8mm，焦距长10mm，数值孔径0.29，景深3.5μm和HY-50Ｘ型50倍NIR无穷远超长工作距物镜，以及工作距离20.5mm，焦距长4mm，数值孔径0.42，景深1.6μm的显微物镜，清晰地观察到SRAM器件内部不同灵敏区的图像，芯片内部结构信息，为改进芯片设计提供参考．同时可对芯片内部缺陷定位，能很好地提高芯片的良品率和可靠性，这样不仅会极大地促进集成电路设计生产能力，特别是信息网络的建设，提升国家信息化水平均有重要意义。
多年来，虽然半导体芯片缺陷定位检测的方法和技术已经取得了很大进步，但是随着半导体集成电路技术的发展，提高芯片的良品率和可靠性是研究者所重视的部分，因此半导体芯片失效分析技术显示出日益增加的重要性。本文使用波长为1064nm的红外激光作为显微系统的照明光源，利用音圈电机振动多模石英光纤，破坏激光的相干性，达到消除散斑噪音的目的，使用红外显微成像技术对半导体硅芯片内部进行显微成像，实现对硅芯片内部结构的观察及缺陷检测定位．能够提升现有芯片设计和生产的能力，推动我国的半导体产业发展，具有实际工程应用前景和巨大的市场潜力。
参考文献
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[2]张晓燕．红外凝视传感器定量仿真及模型验证[J].光子学报，2015，40(4):596-601.
论文作者:黄晶
论文发表刊物:《知识-力量》2019年10月41期
论文发表时间:2019/9/11
标签：激光论文; 物镜论文; 芯片论文; 分辨率论文; 半导体论文; 系统论文; 噪音论文; 《知识-力量》2019年10月41期论文;