在半導體行業(yè)，摩爾定律的可擴展性挑戰(zhàn)正在推動該行業(yè)開發(fā) 2.5D/3D-IC 和先進的封裝技術以提高性能。微機電系統(tǒng) (MEMS) 設備目前正在為智能手機中的無數(shù)傳感器、智能揚聲器/設備的麥克風。硅光子學提供了處理超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中 5G、AI 和 IOT/IIOT 的大量數(shù)據(jù)需求所需的帶寬。第二近紅外 (NIR-II) 區(qū)域中的高級熒光可以改進體內(nèi)光學成像的深層組織穿透。

所有這些技術都受益于短波紅外 (SWIR) 顯微鏡的擴展功能。本文更詳細地探討了這些應用，以及 SWIR 顯微鏡（如 Optem FUSION 模塊化顯微鏡下圖）如何在 SWIR 成像中提供靈活的優(yōu)勢。

Xenics近紅外成像儀與數(shù)字顯微平臺開啟科技前沿應用。借著CMOS探測器升級的這股東風，Xenics順風而上，Xenics短波紅外相機在SWIR 成像中又有了新的進步，針對硅材料的一些領域，數(shù)字顯微成像有了更好的圖像呈現(xiàn)給用戶。

隨著我們的社會迅速接受遠程工作、教育、遠程醫(yī)療、視頻會議，以及許多其他方面的數(shù)字化，新數(shù)字時代和超連接社會即將到來。

Xenics短波紅外顯微鏡相機

常見顯微鏡在 400-700 nm 的可見波長范圍內(nèi)工作，通常包含一組觀察目鏡和一個攝像頭端口。隨著智能手機相機的普及，在各種條件下以及在極端尺寸、重量和功率限制下，對低成本高質量圖像的需求，促進了市場，極大地提高了互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 傳感器的性能。適用于顯微應用的高性能傳感器也從中受益，這使得向數(shù)字顯微系統(tǒng)的發(fā)展又邁出了一步。

    Excelitas 的 Optem FUSION 模塊化系統(tǒng)擁有各種現(xiàn)成的光學模塊，提供了一個靈活的數(shù)字顯微鏡平臺，可以滿足許多顯微成像應用的要求。多功能系統(tǒng)支持可見光、近紅外 (NIR) 和 SWIR 波長范圍，并且可以配置固定放大或變焦（7:1 或12.5:1）。該系統(tǒng)還提供了許多電動模塊，以滿足高吞吐量和自動化應用的要求。

在新的探測器材料，制造技術，以及應用需求的進一步發(fā)展下，對可見光以外波長的成像開辟了全新的可能，紅外成像傳感器供應商 Xenics Infrared Solutions最近發(fā)布了 Wildcat 640近紅外成像儀，這是一款緊湊型短波紅外熱像儀 (尺寸55 x 55 x 91.5 mm3)，配備 CameraLinkTM 或 USB3 接口，基于 InGaAs在短波紅外波長范圍（900 nm – 1700 nm）內(nèi)實現(xiàn)高性能成像。能夠運行到 220 Hz并且保證低噪音

圖3將成像擴展到 SWIR 波段提供了可見波段中不可用的附加信息

（高增益下只有 80 個電子）具有高動態(tài)范圍（高增益模式下為 63 dB，高動態(tài)范圍模式下為 68 dB），Wildcat 640 為SWIR 顯微鏡提供了非常靈活的解決方案。將 SWIR Wildcat 640 相機與 Optem FUSION 模塊化顯微鏡相結合，可實現(xiàn)以其他方式無法實現(xiàn)的全新應用和技術范圍（圖 3）。

產(chǎn)品應用：

短波紅外顯微鏡應用之一：半導體檢測

芯片的擴展，增加晶體管密度和計算性能面臨越來越困難的物理挑戰(zhàn)。重點正在轉移到其他領域，以實現(xiàn)更低的功耗和更高的速度，包括 2.5D/3D-IC 和先進的封裝技術。其中許多依賴于具有垂直互連的多個裸片或晶圓的復雜堆疊和鍵合（圖 4、圖 5）。

硅是大多數(shù)電子設備的基礎，在可見光波長下是不透明的，這限制了對其表面結構的堆疊和粘合層的檢查。然而，在大于硅的帶隙（1100 nm）的波長下，硅是透明的。使用 Optem FUSION SWIR 顯微鏡可以看到粘合層，以進行對齊、質量評估和缺陷檢查。此外，SWIR 顯微鏡可在切割前操作期間實現(xiàn)對準，然后對切割后的芯片進行芯片缺陷和裂紋檢測。

圖 4：通過半導體芯片的 SWIR 成像突出顯示，可見波長未見的掩埋特征

圖 5：采用 3D 堆疊和互連層的高帶寬內(nèi)存

短波紅外顯微鏡應用之一：微機電系統(tǒng)

MEMS 傳感器的高靈敏度、可靠性和成本效益正在為智能手機、汽車、高級顯示器和醫(yī)療設備的許多功能提供動力。

MEMS 器件制造依賴于硅層的微加工。工程結構的檢查和粘合后的檢查對于檢測氣泡和破裂的情況至關重要。

今天的工業(yè)打印頭（用于工業(yè)打印和 3D 制造）使用 MEMS 膜。檢查打印頭是否有污垢/碎屑/氣泡對于質量控制至關重要。SWIR數(shù)字顯微成像能夠通過硅檢查氣泡、空隙和缺陷，以改進質量控制（圖 6）。

圖 6：MEMS 硅打印頭。使用 SWIR 顯微鏡可以直接通過硅對氣泡和碎片進行成像

短波紅外顯微鏡應用之一： 硅光子學

由于社會市場的5G 和 IOT/IIOT 在內(nèi)的技術推動，設備互連被迅速采用，人們對數(shù)據(jù)的需求呈指數(shù)級增長。大量數(shù)據(jù)需要具有難以置信的帶寬的巨大數(shù)據(jù)中心， 使用 VSLI 技術將光學元件集成到硅晶片上，可實現(xiàn)高帶寬的硅光子收發(fā)器（目前為100 Gb/s，未來為 400 Gb/s 及更高），這是滿足數(shù)據(jù)中心帶寬需求的關鍵。

硅光子器件通過集成的硅（或 Si）波導傳播 SWIR 波長的光信號。由于不能在硅中生產(chǎn)激光器（Si 不是直接帶隙材料），因此需要將單獨的直接帶隙 III-V 激光管芯（例如 InP 或 GaN）倒裝芯片組裝并對準到硅光子芯片上。SWIR 顯微鏡提供了對這些光子集成電路進行高精度制造、對準、封裝和測試的方法。

短波紅外顯微鏡應用之一： 生物醫(yī)學熒光

了解人體內(nèi)活細胞和固定細胞的相互作用和功能對于醫(yī)學進步至關重要。熒光顯微鏡能夠對蛋白質和其他生物分子進行選擇性成像，為 DNA 測序、了解活細胞相互作用和遞送系統(tǒng)提供革命性的機會，僅舉幾例創(chuàng)新。

共焦和光片顯微鏡，利用 SWIR 波長更少的散射和沒有自發(fā)的熒光，可以更深入的滲透到人體組織中，提高圖像清晰度，并且見證以前無法證實理論