太赫茲成像在太陽能電池和半導體工藝檢測中的應用

用光纖耦合集成元件替換自由空間光學器件，使模塊化的太赫茲時域成像系統在太陽能電池和半導體晶圓分析方面表現更為出色。

太赫茲成像系統經過過去十來年的發展業已成熟。推動其發展的一個重要驅動力是集成光學技術在通信領域的使用，實現了緊湊型、高性能時域光譜（TDS）系統。

在現代太赫茲TDS系統中，光纖耦合集成元件已經完全取代了分散式自由空間光學器件。這不僅意味著在空間需求方面具有優勢，也有利於將太赫茲測量性能集成到各種類型的科學和工業應用系統中。具體來說，晶圓分析系統就可以利用太赫茲微探針來實現高解析度近場成像。

據麥姆斯諮詢介紹，位於德國慕尼黑的Toptica Photonics公司TeraFlash系統是一種基於光纖結構的太赫茲TDS模塊，將光學和電子元件高度集成一體。整個系統包括一個飛秒級脈衝激光器、光學延遲元件以及數據採集和控制單元，全部集成在一個19英寸大小的機架安裝盒中。唯一的外部元件是兩個光纖耦合光導（PC）天線，用於產生和探測由TDS模塊光激發產生的太赫茲輻射。

商業整合

通過光纖/電纜連接外部太赫茲天線元件和TDS系統，得益於其較小的空間尺寸和免受射頻（RF）信號干擾能力，將把太赫茲檢測引入新的應用環境。

我們的太赫茲系統工作波長為1550nm，將Toptica的TDS模塊與PC近場探針結合在一起，可使光纖中的信號色散最小化，並將光學採樣脈衝的持續時間保持在100fs以下。所得到的太赫茲系統只需20ms就可記錄完整的太赫茲時域瞬態，這對於許多需要連續太赫茲測量的應用是一個很大的優勢，諸如在線質量檢測、無損檢測和基於光柵掃描的太赫茲（近場）成像。

與標準配置的自由空間傳輸測量相反（其中發射器天線產生的太赫茲輻射被準直發射並聚焦到遠場探測器天線上），我們基於光纖結構的太赫茲TDS系統將TeraFlash源模塊與Protemics TeraCube近場掃描系統整合在一起，其中後者包括一個用於太赫茲探測和成像的PC近場探針（Protemics TeraSpike TD-800-X-HR-WT）（見圖1）。

圖1 光學時域光譜單元（a）產生超快泵浦/探測信號，而近場掃描單元（b）包括太赫茲發射器和近場探測器元件，以及用於高解析度測繪的平移台；被測試的樣品或器件將載入到近場掃描單元中

計算機單元控制TDS模塊以及近場成像系統。在測量過程中，光柵掃描系統的運動控制單元將樣本的當前位置信息連續傳送給數據採集單元，將其與每個位置記錄的太赫茲數據結合。具有高採樣率的TDS模塊可以在連續運動下（無停止和中斷）進行表面掃描，實現完整的太赫茲瞬態探測。

PC近場探針由一個1μm厚的低溫生長而成砷化鎵（GaAs）懸臂組成，該懸臂具有一對錐形電極，在探針尖端形成PC開關。它可探測靠近樣品表面的太赫茲透射場。與近場電光晶體探針相比，它具有非破壞性和高靈敏度的特點。

散射型探針只能探測樣品垂直方向的z場矢量，而孔徑型探針只能探測水平方向的（x，y）場矢量。相比之下，我們的PC近場探測器可對x、y或z軸方向的場矢量分量選擇性敏感。

科學應用

當懸停在被測樣品表面幾微米處進行測試時，憑藉3~10μm的最大空間解析度， Protemics太赫茲成像儀在工業和科學領域有了新的應用可能。

例如，在科學領域，荷蘭基礎能源研究所（DIFFER）的研究人員發現，超材料的共振頻率在遠場測量的數值與近場的測量結果相差很大。在他們的研究中表明，在1μm近距離檢測的頻率值為0.62THz，而在遠場距離（約24cm）則變為0.85THz。

因此，對於這種結構的未來感測應用，直接訪問近場特性是非常重要的，近場特性決定了感測器與被檢測物之間相互作用的特性。又如，密集的共振結構間耦合作用——引起電磁感應透明效應——可以在相互作用的結構中被直接檢測。有實例結果表明，通過將周期性超材料的長程耦合狀態調諧到所涉及的超分子的各個共振頻率，可以將超材料中的電磁誘導透明率絕對值提高到>80%。

工業晶圓分析

除了科學應用之外，太赫茲成像系統在工業分析方面的應用也越來越多。例如，材料特性的非接觸檢測，通過應用分析模型描述，可以從傳輸的太赫茲信號中探究半導體晶圓和太陽能電池的薄層電阻值（Rsh）或其他載流子相關的特性。例如，Tinkham公式通常用於從半絕緣襯底上的薄導電層（

到目前為止，在整個晶圓區域，無法實現解析度在微米級以上的薄層電阻分布的非接觸測量。然而，這種能力在早期生產階段的直接檢查是必需的，因為通過早期的檢查能有效地優化太陽能電池上微結構的製造工藝，而不是在後續過程中對全加工過的電池單元系列進行繁瑣的測試。

在一個實例中，詳細說明了通過蝕刻膏去除氮化硅層（SiNx）以形成高效的電池單元接觸的過程。在該實例中，蝕刻膏被用來去除開口處的SiNx層。為了找到最佳的蝕刻終點，可通過太赫茲近場透射成像，根據漿料的固化溫度監測SiNx的開口。其目的是充分去除SiNx層，並使擴散層留在接觸層下方，基本上不受薄層電阻的影響。雖然視覺控制可以提供關於SiNx去除過程的完整性的信息，但是它不能提供關於擴散層的剩餘量信息。

然而，太赫茲透射成像可以清楚地揭示何時SiNx的開口已經完成，並且擴散層的蝕刻已經開始。甚至可以檢測到由於過度蝕刻引起的p+擴散層的輕微損傷（仍然是可接受的），因為受到解析度的限制（參見圖2），這是通過視覺控制或其他非接觸Rsh成像方法無法識別的。更重要的是，太赫茲掃描方法不受介質層表面形貌的影響，而只受其下方擴散層的影響。現在，使用Protemics模塊化太赫茲成像系統可以在非常早期的階段可靠地找到蝕刻工藝的最佳終點。

圖2 在三種不同固化溫度220°C、250°C和375°C下，用蝕刻膏去除局部SiNx（「開口」）後，光學顯微鏡圖像（a）和太赫茲圖像（b）以及在相應固化溫度下的蝕刻橫截面示意圖（c）

太赫茲成像與工業相關的另一個重要應用是毫米波和亞毫米波器件的近場特性表徵和質量控制，包括振蕩器、相控陣發射機和光子集成電路（PIC）。如圖3，通過監測已封裝的被測器件（DUT）內產生的太赫茲脈衝的強度，在非接觸和皮秒級解析度下，實現被測器件太赫茲發射器晶元的特性表徵獲取。

圖3展示了一個位於掃描近場微探針下方的被測器件（DUT）以及一張在的太赫茲發射器晶元（尺寸大小1.5mm x 4.0mm）表面上傳播的太赫茲脈衝的示例快照。晶元的邊緣以虛線突出顯示。太赫茲脈衝被精細地轉化為一個球面波，從晶元的中心起源向邊緣傳播；器件中失效或缺陷的位置將表現為散射中心。在該圖像中測量的橫向解析度/步長為20μm，尖端到器件的距離約為40μm。在20分鐘內總共記錄了2.5萬個太赫茲脈衝軌跡，以記錄超快近場發射的高解析度影像

近場測量數據揭示了太赫茲波沿DUT表面的散射和傳播，它可以實現器件失效位置的識別和定位，比如橫向解析度在幾微米的太赫茲脈衝的散射中心。

通過監測太赫茲波可以識別這些散射中心，而太赫茲波由晶元中心的飛秒激光脈衝產生，並以球面波向邊緣傳播，當傳播脈衝的一部分撞擊到晶元的邊緣時，波會被反射，形成清晰可辨的干涉圖案（見圖3）。注意整個過程發生在40ps以內，圖像的橫向解析度為20μm。

新一代太赫茲時域光譜模塊具有在各種系統環境中應用的最佳先決條件，例如在我們的近場成像系統中。結合特定用途的太赫茲器件（如微米級解析度探針）以及任務導向的數據分析，太赫茲成像感測器將成為太陽能電池和半導體晶圓元件在非接觸質量檢測和無損檢測方面越來越重要的工具。

延伸閱讀：

《感知「利」器｜太赫茲二維成像系統及成像方法》

《太赫茲及紅外光譜學市場-2017版》

艾睿光電成功推出國內首款VGA面陣高靈敏度非製冷太赫茲成像機芯

《3D成像和感測-2018版》

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