引言
发光二极管（LEDs）占现今半导体器件生产的重大比重并受到大部分发光应用的青睐，包括室内照明，以及智能手机、高分辨率电视和头戴式增强现实设备之类的显示技术。LED和紧凑型节能灯相比，发光效率高出10%的同时寿命是后者的3倍。此外，LEDs器件更小、更快并可直接定址控制。
图1. 应用微型LED的显示设备。从左到右依次为LED电视、头戴式增强现实设备和智能手机。
微型LED和其它半导体器件的制造过程可包括数百个工序并持续数周。因此，在制造过程中对器件进行分析和测定以避免进一步加工已经有缺陷的器件，以及进行失效分析（FA）来优化生产工序以提高未来批次的产率是至关重要的。图二展示了一个微型LED晶圆的简化作业流程。
图2. 微型LED器件生产流程图。
尽管有提高微型LED器件产量的需求，用于生产工序间的无损缺陷鉴别检测技术是缺乏的，比如检测短路、操作缺陷、介电层故障或者半导体成分计量。然而，与扫描电镜（SEMs）配套的Monarc阴极荧光（CL）探测器有望通过提供6英寸晶圆级别至纳米级别发光表征来改变这一现状。Monarc检测器同时提供了和其它信号的最准确关联，让形貌、成分和晶体信息能被同步采集， 因此极大的提高了失效分析的能力。
方法
CL——样品被高能电子激发而发射的光——已经在化合物半导体工业的工艺开发和器件表征领域体现出了极大的价值，是分析介电材料的有价值工具。这种光谱分析能够用于常规光学或SEM分析不易进行的材料鉴定。CL配套于电子显微镜的一个主要优势是纳米尺寸的分析光斑能够被用于从整个晶圆的检测（和计量）到单个微型LED的纳米尺度表征。
图3. 配套扫描电镜的Monarc CL探测器
图4. 稀土掺杂陶瓷的CL谱图展示了电磁波频谱从紫外、可见光到近红外区域的发光。
应用于SEM中的X射线能谱技术（EDS）是分析科学中用于测定微观尺度元素成分的重要技术。将EDS技术应用于失效分析（FA）是非常理想的，因为它提供了从样品发射的X射线的能量分布，从而测定出元素的分布
结果和讨论
我们应用配备在场发射SEM上的Gatan Monarc CL和EDAX Octane Elite EDS系统分析了商业制造的基于GaN-InxGa1-xN多量子阱（MQW）的制备于4英寸蓝宝石基体上的Mini LED。每个长方形LED（图5）由堆叠的生长并选择性蚀刻的材料组成，至下而上包括一个薄的AlN缓冲层、约2微米的n-GaN、约2微米硅掺杂N+-GaN、200纳米MQW层，300纳米镁掺杂P-GaN、100纳米氧化铟锡（ITO）、300纳米SiO2涂层和金属接点。
图5.（左）部分完成的LED晶圆的低倍数图像。（中）一个LED的二次电子图像。（右）InGaN/GaN MQW LED的横截面图。
虽然SEM图像对于展现表面形貌是极佳的，但是它缺乏了关于LED材料分布和缺陷密实度的信息。CL成像被用于分析LED器件并揭示了用于失效分析评估操作损伤、加工缺陷和材料成分的一些缺陷。
操作缺陷
图6是从大面积区域(约16 mm2)采集的二次电子和未滤光CL图像。CL图像揭示出约1%的LED呈现出低亮度，这是一种在关联SEM图像中不明显的缺陷。受影响的器件呈现出和器件的行列排列形成的横竖条纹不相符的X型条纹，这可能是加工过程中误操作导致的。这些有缺陷的器件被用来研究以确定缺陷的来源以及这些器件是否任然可被继续加工。
图6. 微型LED阵列的（左）二次电子和（右）CL图像。CL图像揭示了一系列呈X形低强度的有缺陷LED。
一个有缺陷的LED（黄色框内）的CL谱图（超光谱图）被采集并如图7所示。这幅CL图像显示出一个主要影响MQW层发光的表面影响因素。这是在MQW之后，金属沉积之前引入的机械划痕。
图7.（左）二次电子图像和（中）CL光谱图展示了300至700 nm波长。着色的光谱图（右）突出了20 nm带宽的GaN（360 nm，绿色）和InxGa1-xN（430 nm，蓝色；和460 nm，红色）的发光。每种色带根据强度归一。
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这些缺陷可能已经损害了电气通道并将大大减少或阻止LED发光，因此应该在进一步的加工前被报废。CL让我们能够确定哪些器件受到了影响并生成一幅图像便于我们有选择性的将缺陷器件排除在进一步加工之外。 这一类的缺陷可能导致支持数十个器件的大面积晶圆区域丧失功能， 同时由于它们是源自人为操作的（比如晶圆运输过程中或者制造过程中在设备之间的交换），也是最容易被避免的。
电气缺陷
影响LED中的电气连接的缺陷可能会影响整个阵列，并导致封装的器件性能下降。最常见的电气缺陷包括开路和短路。
图8. 缺少金属连接衬垫的LED的二次电子（左）和未滤光的CL图像（右）。
图8是被观察到缺少金属连接衬垫的LED，这会导致器件可能在电气性能上表现为开路。由于缺少金属层的区域在CL图像上应该是明亮的，因此这些缺少衬垫的地方很容易被找到。因为没有覆层，这些区域的CL亮度是有覆层区域的2.5倍。
图9. 有电气短路缺陷的LED的二次电子（左）和CL图像（右）。
图9揭示了一个具有电气短路缺陷的LED，和周围区域的明亮对比度高达7：1。而对于二次电子图像，对比度仅为2：1 。这些类型的缺陷是致命的，因为它们会阻止LED正常工作并导致功率损耗。
通过观察CL图像，发现电气短路缺陷的过程被大大简化。CL图提供的增强对比度可以使设计出更强大的自动故障检测算法成为可能，从而提高器件良品率。
加工缺陷
图10. 缺陷LED的未滤光CL图像（左）和EDS元素分布图。
如图10所示，CL图还揭示了其它一些缺陷，包括靠近上下器件接触点的加工缺陷。在这种情况下，CL并未就缺陷的本质提供明确的解释。同步进行的EDS和CL面扫描能够确定缺陷的类型。图10所示的EDS面扫描图显示了红框所示缺陷中的局部硅氧缺乏和镓过量，这是由于在某个剥离工艺步骤中二氧化硅被无意去除导致的。其它区域（绿框）显示出过量的二氧化硅。
材料成分
图11.（左）CL光谱图展示了300至700 nm波长。（中）着色的光谱图突出了20 nm带宽的GaN（360 nm，绿色）和InxGa1-xN（430 nm，蓝色；和460 nm，红色）的发光。每种色带根据强度归一。（右）LED的MQW区域（红色）和GaN中心区域（蓝色，为了清晰提高了10倍）的CL谱图。
图11左的CL图像显示出非常强的发光强度，揭示了LED表面没有被不透明金属层覆盖的区域的一些变化。图11中的彩色光谱图像显示了LED MQW的铟成分分布的变化。这幅图包括三种从光谱图中提取，着色并叠加在一起的带通的图像。蓝色的强度代表了430 nm波长发的光，红色来自460 nm波长，绿色来自360 nm波长，带宽都是20 nm。该复合的带通图像显示了红色强度降低的区域，表明铟的局部浓度比平均值16%（In）低大约0.4%。这种差异并不足以需要报废该器件，将之排除在进一步加工之外。图11右显示，MQW（红色）和GaN区域（蓝色，x10）的谱图在450 nm附近有非常强的峰，这和InGaN以及GaN的发光有关。
总结
半导体器件的生产需要大量的时间和资源。为了确保生产资源不浪费在缺陷器件上，计量和检测是至关重要的。CL加上EDS的辅助是直接观察多种类型的缺陷的宝贵检测技术。此外，CL最有成像表面以下层状结构的能力，可以通过测量器件的密度来确定缺陷的影响，并支持基于增强对比度的更强大的缺陷检测算法的开发。EDS通过确定缺陷区域的元素成分，展现出了辨别缺陷类型的能力。
参考文献
[1] D. J. Stowe, J. D. Lee and M. Bertilson, "Octane Elite and Monarc Come Together to Capture EDS and CL Simultaneously," EDAX Insight, pp. 1-2, September 2020.