三代半导体光学PL检测应用——核心成像器件推荐

引言

半导体技术的发展对人类社会的进步产生了深远影响。进入21世纪后，第三代半导体材料如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）因其独特的物理特性和优势，在多个领域展现出巨大的应用潜力，逐渐成为半导体市场的重要力量。

• 更宽的禁带宽度：GaN的禁带宽度约为3.4 eV，远高于硅（Si）和砷化镓（GaAs），使其能够在更高的温度和电压下工作。
• 高导热率：GaN的热导率虽然低于SiC，但仍然优于Si和GaAs，有利于热管理。
• 高击穿电场：GaN的击穿电场是Si的10倍以上，使其能够承受更高的电压。
• 强抗辐射能力：GaN器件在辐射环境下具有更好的稳定性。

氮化镓（GaN）的应用领域： 

• 高效率电源转换：GaN功率器件用于开关电源、适配器、电动汽车充电器等，可以实现更高效的电能转换。
• 射频通信：GaN射频器件在高频、高功率应用中表现出色，适用于5G基站、雷达系统、卫星通信等。
• 激光照明：GaN基LED用于照明和显示屏，具有更高的亮度和更长的寿命（朱曦，黎晓华，柳文军， 2024年）。

• 更宽的禁带宽度：SiC的禁带宽度约为4.5 eV，使其能够在更高的温度和电压下稳定工作。
• 高导热率：SiC的导热率是Si的3倍以上，有利于热管理，减少热损耗。
• 高击穿电场：SiC的击穿电场是Si的10倍以上，适合高压应用。
• 强抗辐射能力：SiC器件在辐射环境下同样表现出良好的稳定性。

碳化硅（SiC）的应用领域：

• 电力电子：SiC功率器件用于电动汽车、轨道交通、光伏逆变器、风电发电等领域，可以提高能效和可靠性。
• 高温环境：SiC器件能够在高达300°C以上的温度下工作，适用于航空、航天等高温环境。
• 智能电网：SiC器件在智能电网中用于输电和配电，可以减少能量损耗。

行业情况：

• 政策维度：结合十四五规划提倡经济内循环和讲第三代半导体的发展归结于科技前沿领域，来专门攻关。此外随着国际贸易局势变化，提高我国第三代半导体材料供应链的本土化，提升我国半导体产业发展的安全性；另一方面是使我国第三代半导体核心技术自主可控。
• 市场容量：根据2022年中国第三代半导体市场规模达111亿元，其中GaN市场占据62.58亿元，SiC占据43.45亿元（李继鹏，洪昌等，2024年7月）；
• 技术维度：2020年IEC国际标准已发布针对第三代半导体检测标准，随即中国国家标准也发布IEC 63068-3:2020，即功率器件用碳化硅同质外延片缺陷的无损检测识别判据--缺陷的光致发光检测方法；另外在检测方法中因材料特性其带隙较宽，所需激发光源为UV谱段，所获得信号光微弱，故需要灵敏度高的成像器件。

方案介绍：

• 原理：通过光致发光技术采集SiC同质外延片上缺陷的发光信号，并将其转化为数字图像。在这一步骤中，采用了一种激发光，其能量远超4H-SiC晶体的禁带宽度，以此照射样品。由此产生的光致发光信号被捕捉并形成特定区域的光致发光图像，这些图像展示了晶片中的缺陷。使用光学图像传感器，例如CCD传感器，对这些光致发光信号进行检测，并通过特定的光学滤光器筛选出特定波段的发光，以便针对不同类型的缺陷进行有效识别。随后，这些光致发光图像被转换为数字格式，并通过灰度处理进行图像分析。通过这一分析过程，图像信息被提炼成一组数值，专门用于描述检测到的缺陷特征。原始的数字图像经过处理，生成了灰度图像，进而可以转换成二进制图像（通过阈值处理）。这样，不仅可以测量缺陷的大小和形状，还能统计出晶片特定区域的缺陷分布和数量。

• 光致发光（PL）成像系统示意图：

PL示意图（IEC 63068-3:2020）

1——光源：气体放电灯，例如汞-氙气灯，以及特定激发波长的二极管激光器，均可作为电子激发的代表性光源。在使用气体放电灯发出的白光进行电子激发时，需要搭配适合该光源的光学滤光器，以便筛选出适合波段的光用于光致发光（PL）成像。所选的激发光波长应等于或超过4H-SiC的带隙能量。例如，汞-氙气灯发射的313纳米或365纳米光线，适合作为4H-SiC的电子激发光源；

2——激发光；

3——光致发光；

4——聚焦光学器件；

5——滤光器；

6——高灵敏度紫蓝谱段相机；

7——控制器/处理器；

8——晶片载台；

9——测试晶片或参考晶片；

10——暗箱或机架外壳。

检测系统由光源、聚焦光学元件、滤光片、高灵敏度相机、样品台、控制/处理单元以及暗室等部件构成。为了确保检测的准确性，每个组件都必须满足特定的性能标准。针对不同的硅片尺寸和缺陷种类，需要精心选择和调整光源、聚焦光学元件以及滤光片，以便清晰地显现出待分析的光致发光特性。因此，必须针对具体的应用需求，配备适当的光源、聚焦光学元件和滤光片的组合。

• 检测瑕疵列举（包括但不仅限于）：

基平面位错（BPD）、堆垛层错、延伸堆垛层错、复合堆垛层错、多型包裹体等（IEC 63068-3:2020，2020）。

Photon1K相机的现场实测及必要性

在用户端以Photon1K相机进行了针对三代半导体晶圆检测应用的系统级联调测试验证，与进口品牌的高灵敏度相机做了对比后获得认可结论。

• 用户需求：

该项目对光致发光检测工位下成像器件有需求。目前处于实验室测试阶段，成像所用产品为 EMCCD及其他进口高灵敏相机，难点在于成本高、可持续获得性较低，难以进行检测设备的产品化推广。故需进行国产化替代

对成像器件的原始需求为：

1. 达到EMCCD同等灵敏度指标，成像信噪比接近

2. 在保证器件灵敏度的同时，同时需要一定的检测通量效率（相机靶面+采图帧率）

当前使用EMCCD可满足成像信噪比需求，所需的曝光时间约为40-50ms，此时帧速为20~30fps。希望国产化产品灵敏度靶面及速度与EMCCD接近

系统配置：

• 系统照明光源采用新产业激光，325nm紫外连续激光器，功率≤300mW
• 成像光路部分采用三丰10x物镜+tubelens组成的光学系统
• 试样为6寸SiC晶圆，其上有缺陷，灰尘等
• 成像器件为Photon1K，像元9.7um，分辨率1024*1024，最大帧速36fps，位深20bit。

上图为Photon1K相机在50ms曝光时间（20fps）下所获得的图像，图中亮目标由灰尘的散射以及缺陷的发光构成，暗目标为其他缺陷或杂质构成，在当前图像中，可以清晰的将亮暗目标从本底及噪声中进行分离，满足了客户灵敏度及速度的需求。

• Photon1K核心匹配性枚举：

最后，通过本次测试验证说明了全国产的Photon1K相机较友商产品更具有可持续获得、本土化支持和性价比等优势。

高灵敏度&高动态&具备光子级别探测能力的Photon1K

 Photon1K相机是一款具有“光子分辨率探测能力”的创新型科学成像设备。这款相机不仅能检测到在以往成像过程中被噪声掩盖的微弱信号，而且在国产高灵敏度探测器领域达到了一个新的高度。与之前广泛使用的光子倍增管（PMT）和单光子雪崩二极管（SPAD）相比，这些设备仅能检测光子的存在与否，Photon1K则在达到光子级探测精度的同时，还具备了二维空间探测能力。这意味着它能够在二维成像中记录光子的数量，实现了图像层面的“光子计数”功能，其性能可与EMCCD相机相媲美。

参考文献：