利用阴极发光技术对LED加工过程进行检测、计量和失效分析

目前制造的大量半导体器件包括发光二极管（LED），该二极管（LED）是大多数照明应用的优选，包括房间灯和诸如高清晰度电视，增强现实耳机和智能手机的展示技术。

与紧凑型荧光灯相比，led的使用寿命长约3倍，效率高10%。此外，这些设备效率高、可直接寻址且体积小。

图1所示。包括LED电视(左)、增强现实头盔显示器(中)、智能手机(右)等使用μLED的显示器。图片来源:EDAX

制造μLED和不同半导体器件的过程可包括数百个阶段，并且可以具有几周的持续时间。

在制造阶段确定和分析器件的可行性是至关重要的，以避免有缺陷器件的附加处理。失效分析(FA)对提高未来批次的吞吐量和提高加工阶段也至关重要。图2给出了安装在晶片上的μ led的简化工作流程。

图2。给出了微型led器件生产的流程图。图片来源:EDAX

虽然有提高μLED器件成品率的需求，但用于识别缺陷的无损技术并不常见，特别是那些可以在生产阶段之间用于确定处理缺陷、电气短路、半导体成分计量或介质层故障的技术。

释放加坦Monarc^®阴极发光(CL)检测器对于扫描电子显微镜（SEMS），目的是通过将发光的表征从6“晶片水平向纳米级提供发光来解决这些挑战。

Monarc探测器还提供了与不同信号最精确的关联。该功能可以一次性获取成分、晶体和地形数据，大大提高了故障分析能力。

方法

CL是由高能电子激发的样品产生的光，已被证明对化合物半导体工业的器件表征和工艺开发非常有益，是分析介质材料的有效工具。欧洲杯足球竞彩

该光谱分析使得能够识别出的材料，其不容易以传统的SEM或光学分析为特征欧洲杯足球竞彩¹．在电子显微镜中进行CL的一个主要好处是，纳米大小的分析点可以用于对特定微led的纳米级表征的全晶片检测(和计量)。

图3。Monarc CL检测器附着在扫描电子显微镜上。图片来源:EDAX

在分析科学中，SEM能量色散欧洲杯线上买球光谱(EDS)是用微观空间分辨率识别元素组成的主要方法。

利用EDS技术在失败分析（FA）中是有效的，因为它提供了从样品产生的X射线的能量分布的分析，可以识别元素分布。

图4。从掺杂稀土的陶瓷上捕捉到的CL光谱，揭示了电磁光谱的紫外、可见和近红外部分的辐射。图片来源:EDAX

结果与讨论

在这项调查中，商业生产的GaN-In_xGA._{1 - x}采用EDAX辛烷值能谱仪和Gatan Monarc CL系统分析了在4英寸蓝宝石衬底上制作的N多量子井(MQW)微型led，这两种系统都固定在FE-SEM上。

如图5所示，每个矩形LED由生长的一叠材料制成，并选择性地串联蚀刻。欧洲杯足球竞彩从底边，其中包括薄的AlN缓冲层，〜2μm的N-GaN，〜2μm的Si-掺杂N + - 毫米，Mg-掺杂P-GaN，100nm的300nm氧化铟锡（ITO），涂有〜300nm的SiO₂和金属接触。

图5。(左)部分完成的LED晶圆的低放大率视图。(中)单个LED的二次电子图像。(右)InGaN/GaN MQW LED的截面示意图。图片来源:EDAX

虽然SEM图像有助于表面形貌的呈现，但对于LED材料缺陷和分布的一致性缺乏数据。使用CL成像对LED器件进行分析，并揭示用于FA的多种缺陷，以评估材料成分、搬运引起的损伤和制造缺陷。

Handling-Induced缺陷

未经过滤的CL和二次电子图像在一个大的区域(~ 16mm)获得²)(图6)。CL图像显示，大约1%的led产生低亮度，这一缺陷在等效的SEM图像中并不明显。

受影响的器件为“X”型，与排型和器件列无关，可能是在制造过程中操作不当造成的。对这些有缺陷的器件进行分析，以确定缺陷的来源和器件是否可以使用。

图6。(左)次级电子(右)微型led阵列CL图像。CL图像显示了一系列有缺陷的led，形状为“x”，强度降低。图片来源:EDAX

如图7所示，我们为其中一个受损的led(黄色框)收集了CL光谱图像(高光谱图)。CL图显示了主要影响MQW层发射的表面影响，即在MQW之后但在金属沉积之前产生的机械划痕。

图7。（左）二次电子图像，（中心）CL谱图像显示波长300-700nm，（右）彩色频谱图像突出显示来自GaN的排放（360nm，绿色颜色），以及_xGA._{1 - x}N (430nm，蓝色显色;460 nm，红色显色)，20 nm带宽。每个色带按强度归一化。图片来源:EDAX

这些缺陷可能会阻碍电路，这将极大地绕过或减少LED光的发射，并且应从额外的处理中排除。

CL使用户能够确定哪些设备存在缺陷，并生成一个图，该图可用于选择性地拒绝附加处理中存在缺陷的设备。

像这样的缺陷可能会导致晶圆片区域的重要区域被排除，这些区域支持数十种设备，而且往往是最可避免的，因为它们出现在人类的交互中，例如在处理过程中仪器之间的交换或晶圆传输。

电气缺陷

影响电气连接的缺陷发光二极管可能会影响整个阵列，并导致封装设备性能下降。最常见的电气缺陷是短路和开路。

图8。(左)二次电子和(右)缺少金属触点的led未过滤CL图像。图片来源:EDAX

发现LED具有缺少的金属接触垫，并且如图8所示，这导致一种可以用作开路电路的装置。

在CL图像中，金属层所在的明亮区域可以很容易地识别出缺失的触点。由于没有包层，CL亮度比有包层的区域高2.5倍。

图9。（左）二次电子图像和（右）相应的电气短偏差LED的CL图像。图片来源:EDAX

如图9所示，一个有电气短路缺陷的LED被识别出来。这些类型的缺陷是至关重要的，因为它们可能导致功耗损失，并绕过led的功能。

接触材料产生的阴影与周围区域的明暗对比高达7:1，而二次电子图像的明暗对比只有2:1。

CL图像的观察极大地简化了电短路缺陷的发现。CL映射提供的增强对比度允许创建更健壮的自动故障检测算法，从而增加设备的产量。

制造缺陷

图10。(左)未过滤的CL图像和缺陷LED的EDS材料组成结果。镓（红色），硅（黄色）和氧气（绿色）的EDS材料映射。图片来源:EDAX

如图10所示，CL映射另外揭示了许多其他缺陷，例如靠近上部装置触点的制造缺陷。在此示例中，CL对缺陷的性质没有提供明确的解释。CL成像和EDS映射同时进行建立缺陷类型。

如图10所示，EDS图揭示了氧和硅的局部缺陷以及缺陷中镓的过量，由SiO产生的红框表示₂在发射过程中意外被排除在外。过量的硅₂由其他区域显示(绿框)。

材料组成

图11。(左)显示波长为300 ~ 700 nm的CL光谱图像，(中)突出GaN (360 nm，绿色显色)和In的彩色光谱图像_xGA._{1 - x}N (430nm，蓝色显色;460 nm，红色显色)，20 nm带宽。每个色带按强度归一化。(右)来自(红色)MQW区域和(蓝色)中心GaN区域的LED CL光谱(清晰度增加了10倍)。图片来源:EDAX

在图11的左侧，CL图像描绘了非常高的发光强度，表明整个LED表面上的一些变化，其未被不透明的金属层隐藏。

图11中心为采集的光谱图像，并上色显示了LED MQW中铟分数分布的差异。图11(中间)是三张从光谱图像中获取的带通图像，经过着色并叠加在一起。

430 nm的发射由蓝色强度表示，而红色源自460nm，绿色为360nm，每个带有20nm的带宽。

该复合带通图像揭示了红色强度降低的区域，表明局部铟浓度较低约0.4％小于16.2％（in）平均值。该方差不足以让设备排除在额外的处理中。

从光谱图像中获取的光谱，蓝色(x10)来自GaN区域，红色来自MQW，如图11(右)所示，显示出接近450 nm的非常高的强度，对应于InGaN和GaN在365 nm处的发射。

摘要和结论

半导体器件的制造需要大量的资源和时间。因此，检验和计量对于确保资源分配不花费在有缺陷的设备上是至关重要的。

CL补充EDS提供了直接观察各种缺陷类型的基本检查方法，这些缺陷类型可能导致设备性能的显著下降。

CL还具有对表面下的层成像的能力，帮助开发基于增强对比度的更健壮的缺陷识别算法，并允许通过测量设备强度来确定缺陷影响。

EDS通过确定缺陷区域的元素组成来提供脱脂类型的能力。

参考文献

1. D. J. Stowe, J. D. Lee和M. Bertilson，“Octane Elite and Monarc Come Together to Capture EDS and CL Simultaneously”，EDAX Insight，第1-2页，2020年9月。

这些信息已经从EDAX提供的材料中获得、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问EDAX。