现在面临的失效现象，到底要用什么工具找到污染缺陷点？以及那些污染缺陷，一定得用表面分析工具才能找到吗？ 本篇要告诉大家如何选择适当表面分析工具，抓出制程缺陷。
在半导体生产的过程中，难免会遇到一些污染产生，常见的微粒异物很容易被光学或电子显微镜检测出，然而有一类异常污染却是无法被发现的，例如表面氧化或微蚀的残留污染，近数奈米几个原子层的厚度，相较于原本固体材料又是不同的性质，使用一般光学或电子显微镜观察根本无法鉴别，这样的污染层可能导致后续的镀膜脱层，封装的打线或植球脱球，甚至影响电性的阻值偏高、或电性不良等异常失效的现象。这些肉眼或显微镜看不到的异物分析，此时就不得不借由表面分析的仪器来寻找解答了。
本期宜特小学堂，将与各位分享“如何利用表面分析工具，抓出半导体制程缺陷”
何谓表面分析
在生产制造的研发初期，也许会产生极小、极薄的奈米等级异物，要探究其来自于哪一道制程所产生的；甚至是到最后封装测试组装才发现可能在制作 RDL、UBM 等制程有氧化或污染造成电性的异常、阻值偏高(或开路)、短路或漏电等现象。这些异常的隐形缺陷，都必须借由表面分析工具才能鉴定出来。
五大表面分析工具，该在什么时机点使用?
- 观察表面高低起伏形貌与尺寸量测- SEM
在一般材料分析应用中比较熟知的扫描式电子显微镜（SEM），主要目的是观察表面的高低起伏形貌或尺寸量测，借由电子扫描样品表面撷取二次电子的讯号来成像，也可搭配X光能量分散光谱(EDS)探测器鉴别表面的元素成分。
- 氧化、腐蚀或污染之奈米薄膜鉴定- AES/XPS
然而，由于此 SEM 所搜集的是来自于表面以下数百奈米深度的特性 X 光讯号，反倒是在最表面的几个原子层数奈米的厚度污染却是很难被侦测到的。
因此，就需靠最常用来检测奈米薄膜的工具-欧杰电子能谱（AES, Auger Electron Spectroscopy）与 X 光光电子能谱（XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy），这两种能谱分析仪最常被用来检测如氧化、腐蚀或污染的鉴定，甚至透过搭配氩离子溅蚀的纵深分析技术，即可进行氧化或腐蚀层的厚度分析。
如图一为典型 AES 分析 IC 铝垫（Al pad）表面定性分析的结果，左图能谱显示表面侦测到残留的元素有 C、O、F 和 Al；右图是纵深（Depth profile）分析的结果，可观察各个元素含量随着深度分布的情形，亦可提供估计氧化层或表层F成分污染的厚度，分别为 24nm 与 13nm，这是由于铝垫在开窗（Opening）制程使用干蚀刻 CF4 气体，或是存放时间过久所导致的氧化腐蚀残留，此为影响后续封装打线接合品质重要的参考指标。
▲图一：欧杰电子能谱分析 IC 铝垫表面残留成分与氧化层厚度的纵深分析
此外，针对先进 3D 封装制程的 TSV 导通孔，在蚀刻制程后侧壁的残留，或是铜柱（copper pillar）制程表面氧化的分析，均可借由 AES 的微电子束进行孔壁内或 bump 直径在数十微米以下的表面残留分析。
不过因为使用的激发源是电子，对于非导体材料进行分析的时候会发生表面充电（charging effect）的现象干扰欧杰讯号的撷取，不如一般在进行 SEM 的量测观察时，可在样品表面镀一层金属做导电，造成无法分析绝缘样品为其最大的缺点。
- 待测样品非导电、大于十微米以上的表面检测- XPS
对于样品大于十微米以上的表面另可采用 XPS 进行表面分析，其激发源为 X 光，能够分析的范围区域较大，通常在 30 微米以上，比如 IC 铝垫、PCB 的金垫、金手指、封装用锡球、焊点均可使用。
另外在非导电的样品表面，XPS 亦为极佳的分析工具，如 IC 铝垫周围的绝缘护层 SiNx、PCB 铜线路外的绝缘绿漆，或在 RDL/UBM 制程线路外的 PI 或 PBO 绝缘层等，图二即为在 PI 层上观察到蚀刻后微量的 Ti 金属残留，此会导致 bump 漏电的问题，因此而成为在 UBM 制程观察的重要指标。
▲图二：X 光电子能谱分析 UBM 制程 PI 表面的成分，除了主要的 C、O 外，还有 Ti、Si 等金属残留
由于 XPS 是观察电子束缚能（Binding energy）的一种分析技术，可借由高分辨化学位移（Chemical shift）分析，来判断化学键结的型态，如图三为铝垫蚀刻制程后表面生成椭圆形的污染物，经过能谱化学位移拟合（Curve Fitting）分析的结果，显示出束缚能分别为 78.7eV 的 [AlF6]3-、76.3eV 的 AlF3 与 74.5eV 的微量 Al2O3 这三种化学态共存的污染物。
诸如此类蚀刻制程的生成物分析外，关于一些陶瓷薄膜材料的制程研究，亦可利用此拟合分析技术，进行化学态键结比例的分析，以供后续制程调配改良的参考依据。
▲图三: X 光电子能谱分析 IC 铝垫上腐蚀残留物的化学键结态有三种，分别为 (AlF6)3-、AlF3 与 Al2O3. （图片引用: Y.Hua et al., IPFA 2014）
- 黄光/蚀刻制程等高分子有机化合物定性分析- SIMS
另外一种灵敏度更高的表面分析是“飞行时间式”二次离子质谱（TOF-SIMS）分析仪，主要是用“离子源”作静态（static）的表面成分分析，不同于一般磁偏式（Magnetic sector）SIMS 或 XPS 作动态（dynamic）纵深的定量分析应用，因其一次离子源是采用非连续性的脉冲式设计，使得在轰击样品表面作用的表面能与电荷量能够相对减少，另外再加以适当的电荷补偿后，非常适合绝缘有机材料的分析。
因此若当待测样品由前文中提及的 AES 或 XPS 定性分析之结果为 C、N、O 这类元素时，在制程中又可能涉及高分子有机材料，此时如果需要了解是哪一种有机化合物，即可以透过 TOF-SIMS 的质谱分析来进行鉴定。
比如在黄光、蚀刻制程或清洗后的缺陷污染，通常伴随着有机溶剂或光阻等残留，就非常适合使用 TOF-SIMS 来进行分析。
基于上述关于表面污染的定性成分分析技术外，其它像是数个奈米厚度的超薄膜，亦可借助的表面分析仪器如原子力显微镜（AFM）、X光绕射的X光全反射（XRR）分析技术，进一步获取样品奈米表面形貌、粗糙度，或是厚度等的资讯（进一步阅读: 借力三大工具，精准量测样品表面粗糙度 ）。
- 样品需要准备多大呢? 可以鉴别的异物或样品图形能接受多大的范围呢?
当遇到形貌、外观、颜色甚至电性等各式各样的异常现象，该如何选择正确的分析工具，或是先该从哪一个方式着手？由于每种仪器能够承载的样品空间并不固定，并且能够分析的范围也都相异。
宜特表面分析实验室准备以下图表（图四），让您可以更清楚了解如何根据污染物的预估深度，尺寸以及希望观察的浓度大小及分析流程图。
从图四，假设目前发现的异物污染无法用一般显微镜观察到，仅能确定一区有异常变色的状况，即可以先行使用 XPS 分析；若结果是 C、N、O 这三个元素，极可能为有机污染；进一步要分析是何种有机物，就可以走到最底下的 FTIR 或 TOF-SIMS 分析来做鉴定。
▲图四：表面污染分析仪器的选择准则
本文与各位长久以来支持宜特的您，分享检测验证经验，若上述选择都是很难判断的状况下，且样品尺寸也不符，或是想要更进一步了解如何根据样品尺寸、大小、污染处选择正确的分析仪器，请回信或洽询宜特，宜特将手刀奉上一张精心制作的图表，请洽 +886-3-579-9909 分机 1068 邱小姐│ Email: marketing_tw@istgroup.com
（图片来源：宜特科技）
