国仪量子 国产IGBT超大封装测试专用场发射扫描电镜 SEM5000

产地：

安徽

型号：

SEM5000Pro IGBT

SEM5000Pro是一款分辨率高、功能丰富的场发射扫描电子显微镜。

先进的镜筒设计，高压隧道技术（SuperTunnel）、低像差无漏磁物镜设计，实现了低电压高分辨率成像，同时磁性样品可适用。光学导航、完善的自动功能、精心设计的人机交互，优化的操作和使用流程，无论经验是否丰富，都可以快速上手，完成高分辨率拍摄任务。

IGBT是综合MOS管和双极型晶体管优势特征的一种半导体复合器件，作为功率半导体分离器件的代表，广泛应用于新能源汽车、消费电子、工业控制领域，所涉及领域几乎涵盖社会的各个方面，市场需求增长空间巨大。近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，但技术方面与国际大厂仍有较大差距，国际大厂中以英飞凌为代表，技术已发展到微沟槽性IGBT，并达到量产水平。

从1980年至今，IGBT经历了六代技术的发展演变，过程如图1所示，分别是第一代平面穿通型（P.PT），第二代改进的平面穿通型（P.PT），第三代平面非穿通型（P.NPT），第四代沟槽非穿通型（Trench.NPT），第五代平面栅软穿通型（P.SPT）和第六代沟槽栅电场-截止型（FS-Trench）。主要是围绕以下3种核心技术及与其同步的载流子浓度分布优化技术发展：（1）体结构（又称衬底）：PT（穿通）→NPT（非穿通）→ FS/SPT/LPT（软穿通）。（2）栅结构：平面栅→沟槽栅。（3）集电极区结构：透明集电极→内透明集电极结构。

IBGT芯片在结构上是由数万个元胞（Cell）重复组成，工艺上采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。每个元胞（Cell）结构如图2所示，可将其分为正面MOS结构、体结构和背面集电极区的结构三部分。

1 体结构的发展

IGBT 的体结构设计技术发展经历从穿通（PT）-非穿通（NTP）-软穿通（SPT）的历程。

（1）穿通结构（Punch Through，PT）特点。随着外延技术的发展，引入N型缓冲区形成穿通结构，降低了背部空穴注入效率，实现了批量应用，但限制了高压IGBT的发展，最高电压1 700V。

（2）非穿通结构（Non Punch Through ,NPT）特点。随着区熔薄晶圆技术发展，基于N型衬底的非穿通结构IGBT推动了电压等级的不断提升，并通过空穴注入效率控制技术使IGBT具有正温度系数，能够较快地实现并联应用、高短路能力，提高应用功率等级，并且不需要外延工艺从而降低成本。NPT技术缺点为器件漂移区较长，电场呈三角形分布，硅片较厚，静态和动态损耗较大。

（3）软穿通结构（Soft Punch Throughput,SPT）特点。NPT结构随着电压等级的不断提高，芯片衬底厚度也随之增加，导致通态压降增大，静态和动态损耗较大。为了优化通态压降与耐压的关系，局部穿通结构（又称为软穿通）应运而生，ABB称之为软穿通（Soft Punch Throng，SPT）；英飞凌称之为电场截止（Field Stop，FS）；三菱称之为弱穿通（Light Punch Through，LPT）等多种不同名称。在相同的耐压能力下，软穿通结构（SPT）比非穿通结构（NPT）的芯片厚度降低30%，芯片尺寸大幅度减小，动静态性能可扩至30%以上。同时仍保持非穿通结构（NPT）的正温度系数的特点。

近年来出现的各种增强型技术及超薄片技术都是基于软穿通的结构。

2 正面MOS结构的发展

IGBT的正面MOS结构包括栅极和发射区，其中栅的结构从平面栅（Planar）发展为沟槽栅（Trench）。（1）平面栅。平面栅有较好的栅氧化层质量，栅电容较小，不会在栅极下方造成电场集中而影响耐压，经过优化也可改善器件工作特性，如降低开关损耗等，在高压IGBT（3300V及以下电压等级）中被普遍采用。（2）沟槽栅。沟槽栅结构将多晶硅栅从横向变为纵向，有效提高元胞（Cell）密度，有利于降低功耗，同时载流子分布更理想，沟道电流大，被广泛应用于中、低（1700V及以下）电压等级的IGBT器件中。沟槽栅的缺点是相对于平面栅结构工艺较复杂、成品率与可靠性降低，栅电容比平面栅结构大，目前先进的增强型技术通过优化正面MOS结构，靠近发射极一端的电子注入效率，从而优化导通压降与关断损耗的折中关系。

技术发展具有阶段性，每种产品都存在多种技术共同使用的情况。IGBT产品从1980年代初期的非穿通平面栅结构（NPT Planar）发展到现在的主流的场沟道截止结构（Field Stop Trench），发展趋势无疑是朝着芯片更薄、更小，性能更优越的方向前进。通过在Infineon（IR）官网进行选型及对产品资料查找，查找到由IR公司制造的IGBT产品结构及每代产品的特点。经过对已生产的包含上述技术的IGBT产品进行详细工艺分析，以Infineon（IR）的历代产品为例得到一些数据。

经过对4款产品的基本分析，整理出以下信息。由于栅节距（Gate Pitch）在IGBT器件中可作为元胞节距（Cell Pitch），在表1中以元胞节距（CellPitch）进行统计。分析得出：（1）IR公司结合自有的生产工艺及国际通用IGBT技术定义产品代，并基本处于技术领先的位置。（2）在不同代产品中的相关技术保持工艺一致，如平面栅结构中的多晶硅厚度为1μm左右，沟槽栅结构中的沟槽深度为5.5μm左右。将以上Infineon(IR)第四代到第七代产品的实验数据与其发布的技术发展示意图结合，整理出如图3所示产品技术发展的参考示意图。

3 IGBT的分析方法

对于IGBT的分析，形成的分析方法主要包含4个步骤：（1）查找相应的理论支撑；（2）选取适合的样品；（3）使用平面及纵向分析进行实验；（4）实验数据与理论支撑比对分析。使用平面及纵向分析进行实验。对样品进行平面及纵向分析是集成电路中常用的实验方式，本文提到的分析方法中，选取适合产品及技术的实验方案是进行实验这个步骤的重要前提，只有实验方案正确，才能够获取真实的数据并与理论支持比对，得到合理的判断。

IGBT主要平面分析方法：使用反应离子刻蚀机去除IGBT产品中的钝化层或介质层，配合使用研磨机去除IGBT产品中的金属层，可以进行平面逐层分析。使用光学显微镜和扫描电子显微镜观测去除不同层次前后的产品。观测内容涉及芯片形貌特征、元胞尺寸测量等。

IGBT主要纵向分析方法：IGBT纵向分析主要包括基本纵向分析以及纵向染色分析，主要使用到研磨机进行样品制备。经过样品制备后，需要使用扫描电镜观测纵向形貌、层次结构、尺寸测量以及各层成分的分析。纵向染色分析需要使用光学显微镜配合扫描电子显微镜，观测染结的结构、形貌尺寸等。在项目过程中，一般会同时使用以上两种分析方法。

电子枪类型：高亮度肖特基场发射电子枪

分辨率：0.8 nm @ 15 kV；1.2 nm @ 1 kV

放大倍率：1 ~ 2,500,000 x

加速电压：20 V ~ 30 k

样品台：五轴全自动样品台

产品特点：

01 分辨率高，低加速电压下实现高分辨成像

02 电磁复合物镜，减小像差，显著提高低电压下的分辨率，而且可观察磁性样品

03 高压隧道技术(SuperTunnel) ，在隧道中的电子能保持高能量，减少了空间电荷效应，低电压分辨率得到保证

04 电子光路无交叉，有效的降低系统像差，提升分辨能力

05 水冷恒温物镜，保证物镜工作的稳定性、可靠性和可重复性

06 磁偏转六孔可调光阑，自动切换光阑孔，无需机械调节，实现高分辨率观察或大束流分析模式快速切换

产品参数

关键参数	分辨率	0.8 nm @ 15 kV 1.2 nm @ 1 kV
	加速电压	20 V ～ 30 kV
	放大倍率	1 ～ 2,500,000 x
	电子枪类型	高亮度肖特基场发射电子枪
样品室	真空系统	全自动控制，无油真空系统
	摄像头	双摄像头 （光学导航+样品仓内监控）
	行程	X: 110 mm，Y: 110 mm，Z: 50 mm T: -10°～ +70°, R: 360°
探测器和扩展	标配	镜筒内高角度电子探测器 侧向低角度电子探测器
	选配	平插式中角度背散射电子探测器 STEM自动伸缩式扫描透射探测器 样品交换仓 高速束闸和电子束曝光 EDS能谱仪 EBSD背散射衍射 EBIC电子束感生电流 CL阴极荧光 高低温原位拉伸台 纳米机械手 大图拼接
软件	语言	中文
	操作系统	Windows
	导航	光学导航、手势快捷导航
	自动功能	自动亮度对比度、自动聚焦、自动像散

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