首頁 如何選擇適當表面分析儀器,抓出製程汙染缺陷

如何選擇適當表面分析儀器,抓出製程汙染缺陷

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如何選擇適當表面分析儀器,抓出製程汙染缺陷

by ruby

發佈日期:2018/8/29
發佈單位:iST宜特

IC有問題,想抓出缺陷,卻總是選錯分析方式與儀器?
近乎隱形的製程問題,奈米等級的表面汙染缺陷,該如何選擇到位的分析方式呢?

宜特在驗證分析領域二十多年的耕耘中,最常遇到的客戶問題就是,「現在面臨的失效現象,要用什麼工具找到汙染缺陷點?!

汙染缺陷點分為兩種,有形與無形,這對於IC半導體生產製造都是殺手,皆會導致後續產品的失效或故障。有形的汙染大都可藉由光學或電子顯微鏡放大到數十萬倍,即可逮到其蹤影;而這近乎隱形無形的汙染是從哪兒來的,又該如何去偵查搜尋呢?

本月宜特小學堂,將與各位分享「如何選擇適當表面分析儀器去探究這些有形/無形的汙染缺陷

何謂表面分析

在生產製造的研發初期,也許會產生極小、極薄的奈米等級異物,要探究其來自於哪一道製程所產生的;甚至是到最後封裝測試組裝才發現可能在製作RDL、UBM等製程有氧化或汙染造成電性的異常、阻值偏高(或開路)、短路或漏電等現象。這些異常的隱形缺陷,都必須藉由表面分析工具才能鑑定出來。

六大表面汙染分析的判斷準則,一次奉送給您:

  • (一) 量測汙染物形貌,取得影像後,是否要進一步作成分分析?首選AFM

    宜特發現,一般而言,在尋找製程汙染缺陷上,大部分客戶習慣直接使用掃描電子顯微鏡(SEM)量測汙染物形貌,取得影像,並且利用SEM加裝的X光能量分散光譜儀(EDS)取得後續的成分分析數據。但這個方法用在量測「樣品表面的污染缺陷」是對的嗎?

    答案是,有比SEM+EDS更好的選擇工具!

    原因在於,透過SEM進行表面分析,為了便於樣品導電,樣品需要鍍金,才能照出清楚的表面汙染物形貌(影像),然而鍍金後的樣品,卻不利於後續做表面汙染成分分析,只能測到表面鍍金的訊號,無法獲得真正表面汙染物的成分。

    因此,建議選擇原子力顯微鏡(AFM),其原理是靠原子之間的交互作用力(非電子),不僅可直接掃描汙染物表面訊號,取得清楚的3D立體形貌影像;而後續要用其他工具分析汙染物的成分組成,因樣品不需鍍金導電,也不致受到干擾。

    Si晶圓表面汙染物約0.1um尺寸的AFM 觀察2D & 3D影像

  • (二) 欲進行汙染物成分分析,需先判斷汙染物尺寸

    一般而言,在尋找製程汙染缺陷上,宜特發現,大部分客戶亦習慣直接使用SEM的EDS做快速的成分分析,然而EDS偵測訊號是來自樣品較「底部」的X光反射,較無法測到樣品「表面」汙染訊號。因此不建議用EDS進行表面為汙染分析。

    上述兩種儀器的濃度偵測極限約0.1 at. %。週期表內原子序3(Li)以上的元素均可分析。

    IC鋁墊上污染物含F成分的AES分析

  • (三) 是否需要了解汙染物的化學鍵結態,首選XPS/ ESCA

    若希望探究污染物的”化學鍵結”(Chemical State/Bonding),就可經由XPS/ ESCA,進一步針對定性的化學元素做細部解析,分析其成分的鍵結型態,以判斷化學性質的差異。不過首要條件限制為汙染物的尺寸大小需超過10um。

    鋁墊製程不同形貌殘留物XPS的化學態分析 (圖片引用: Y.Hua et al., IPFA 2014)

  • (四) 是否需要進行「有機物污染鑑定」

    • 厚度1um 以上,尺寸大於30um,選擇FTIR
      當定性分析發現化學元素主要為C, O, N這類的元素時,可進一步選用傅立葉紅外光譜儀(FTIR),進行「有機物」(Organic)的分析。搭配宜特內建龐大的光譜資料庫,可進行厚度1um
      以上,尺寸大於30um以上的異物分析。
    • 厚度1um 以上,尺寸小於30um,選擇Raman
      如果是尺寸小於30um而厚度大於1um尺寸的異物,可選用拉曼光譜儀(Raman)來鑑定。拉
      曼光譜的資料庫可配合客戶,將其生產製程上所用的物質全部建立後,再進行異物的分析鑑
      定。

    金屬支架上有機污染物的FTIR分析鑑定比對為PP聚丙烯

  • (五) 金屬支架上有機污染物的FTIR分析鑑定比對為PP聚丙烯

    • 寬度10um 以上,選擇XPS/ ESCA
      如果異物是無形的,且是數十奈米厚的汙染物,樣品待測區域寬度大於10um選用XPS/ ESCA
    • 寬度10um 以下,選擇AES
      樣品待測區域寬度小於10um選用AES來進行。
    • 若確認為有機汙染時,選擇SIMS
      有機汙染必須選用靜態式二次離子質譜儀 (Static SIMS)來進行。最常應用即為飛行時間差二次離子質譜儀(TOF-SIMS)。週期表內原子序1(H)以上元素均可分析。待測區域需大於100um。
  • (六) 是否做定量分析,選擇SIMS

    定量分析一般用已知濃度的標準樣品,來進行未知汙染樣品濃度含量之計算。動態式二次離子質譜儀(Dynamic SIMS)是利用離子高產率與極低的偵測極限特性,是Si或InP、GaAs這類材料內微量汙染元素的最佳定量分析儀器。其濃度偵測極限約ppma~ppba。待測樣品區域需大於100um,厚度需要大於100nm以上才適合SIMS定量的分析。

    表面無形汙染物Cl 元素的SIMS分析

本文與各位長久以來支持宜特的您,分享檢測驗證經驗,若您想要進一步了解如何根據汙染物的預估深度,尺寸以及希望觀察的濃度大小及分析流程圖,請回信給宜特,宜特將手刀奉上兩張由宜特精心製作的圖表,讓你秒懂如何選擇正確分析儀器,請洽+886-3-579-9909分機6613張先生(Johnson) Email: sa_tw@istgroup.commarketing_tw@istgroup.com

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