本文轉載自宜特 小學堂〈如何利用表面分析工具，抓出半導體製程缺陷〉 ，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！
半導體製程中的汙染可能導致失效，但能分析半導體表面汙染物的儀器五花八門，關鍵時機該選用哪種工具，才能快、狠、準抓出製程缺陷？
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什麼是「表面分析」？ 在半導體製程的研發與生產過程中，難免會產生極小、極薄的奈米級異物或汙染，這些微小的缺陷可能會造成元件電性異常，導致阻值偏高、短路、漏電，甚至是封裝階段的脫層或植球失敗。雖然常見的微粒異物可透過光學或電子顯微鏡檢測，但某些汙染層如表面氧化或微蝕殘留，僅僅只有數奈米厚，與原本材料性質不同，這些肉眼或顯微鏡看不到的異物分析，就必須依賴高精度的表面分析工具來追根究柢，找出問題根源。
各種 表面分析工具， 分別 該在什麼時機點使用 ？ 觀察表面高低起伏形貌與尺寸量測- SEM 掃描式電子顯微鏡（SEM）。圖／宜特科技
在一般材料分析應用中較為人熟知的掃描式電子顯微鏡（SEM） ，主要是觀察表面的高低起伏形貌或尺寸量測，藉由電子掃描樣品表面擷取二次電子的訊號來成像，也可以搭配 X 光能量分散光譜（EDS）探測器鑑別表面的元素成分。然而 EDS 所蒐集的，是來自於表面以下數百奈米深度的特性 X 光訊號，反倒在最表面幾個原子層數奈米厚度的汙染，卻是很難被偵測到的。
氧化、腐蝕或污染之奈米薄膜鑑定- AES ／ XPS 歐傑電子能譜儀（AES）。圖／宜特科技
當 SEM-EDS 無法偵測到的表面汙染，就得仰賴奈米薄膜的檢測工具-歐傑電子能譜儀（AES） 或 X 光光電子能譜儀（XPS） ，這兩種分析儀最常被用來檢測如氧化、腐蝕或污染的鑑定，甚至能搭配氬離子濺蝕的縱深分析技術，即可進行氧化或腐蝕層厚度的分析。
下圖為典型 AES 分析 IC 鋁墊（Al pad）表面成分的定性分析結果。左圖的能譜分析顯示表面偵測到殘留的元素有 C、O、F 和Al；右圖則是縱深（Depth profile）分析的結果，可以觀察到各種元素的含量隨深度變化的分布情形，亦可提供預估氧化層或表層 F成分汙染的厚度，分別為 24nm 與 13nm。這類汙染可能來自鋁墊在開窗（Opening）製程中會使用 CF4 氣體進行乾蝕刻，或是存放時間過久導致的氧化腐蝕殘留，這是影響後續封裝打線接合品質的重要參考指標。
AES 分析 IC 鋁墊表面殘留成分與氧化層厚度的縱深分析。圖／宜特科技
此外，針對先進 3D 封裝製程，AES 的微電子束可用於分析 TSV導通孔，在蝕刻製程後側壁的殘留，及銅柱（copper pillar）製程中表面的氧化狀況，甚至能進行孔壁內部或直徑在數十微米以下的bump 進行極細微的表面殘留分析。
但由於激發源是使用電子束（Electron beam） ，在分析非導電材料時，可能會發生表面充電效應（Charging effect）現象，干擾歐傑電子訊號的擷取。AES 與 EDS 的量測深度不同，EDS 是可以在樣品表面鍍一層金屬來做導電，然而 AES 的樣品卻無法用同樣手法處理。因此，無法分析絕緣樣品是其最大的缺點。
非導電、大於十微米以上 的樣品 表面檢測- XPS X 光光電子能譜儀（XPS）。圖／宜特科技
對於表面尺寸大於 10 微米以上的樣品，可採用 X 光光電子能譜儀（XPS） 進行表面分析。XPS以 X 光作為激發源，分析範圍較大，適用於 30 微米以上的樣品，例如：IC 鋁墊、PCB 金墊、金手指、封裝用錫球及焊點等。
對於非導電的樣品 XPS 也是極佳的表面分析工具。例如，IC 鋁墊周圍的絕緣護層 SiNx、PCB 銅線路外的絕緣綠漆，以及 RDL／UBM 製程線路外的 PI 或 PBO 絕緣層等，都可以透過 XPS 進行分析。下圖顯示在 PI 層上觀察到蝕刻後殘留微量的 Ti 金屬，這可能導致 bump 漏電問題，因此而成為在 UBM 製程觀察的重要指標。
XPS 分析 UBM 製程 PI 表面的成分，除了主要的 C、O 外，還有 Ti、Si 等金屬殘留。圖／宜特科技
由於 XPS 是透過觀察電子束縛能（Binding energy）來進行分析的技術，利用高分辨化學位移（Chemical shift）來判斷化學鍵結的型態。下圖為鋁墊經蝕刻製程後，表面生成了橢圓形汙染物，透過能譜化學位移擬合（Curve Fitting）分析，結果顯示束縛能分別對應 78.7eV 的 [AlF6 ]3- 、76.3eV 的 AlF3 與 74.5eV 的微量 Al2 O3 ，證實這三種化學態共存於汙染物中。
除了這類蝕刻製程的生成物分析外，XPS 也可以用於陶瓷薄膜材料的製程研究，利用擬合分析技術進行化學態鍵結比例的分析，為後續製程調整與改良提供參考依據。
X 光電子能譜分析 IC 鋁墊上腐蝕殘留物的化學鍵結態有三種，分別為（AlF6 ）3- 、AlF3 與 Al2 O3 .。圖／Y.Hua et al., IPFA 2014 黃光/蝕刻製程等高分子有機化合物 的 定性分 析- SIMS 二次離子質譜分析儀（SIMS）。圖／宜特科技
另一種靈敏度更高的表面分析工具是「飛行時間式」二次離子質譜分析儀（TOF-SIMS） ，其主要採用「離子源」進行靜態（static）表面成份的定性分析。不同於一般磁偏式（Magnetic sector）SIMS 或 XPS 作動態（dynamic）縱深的定量分析，TOF-SIMS 是採用非連續性的脈衝式一次離子源，因此，轟擊樣品時產生的表面能與電荷量可大幅減少，再配合適當的電荷補償，非常適合用於絕緣有機材料 的分析。
若前述在 AES 或 XPS 定性分析的結果，顯示待測樣品含有 C、N、O 這類元素時，並且製程中可能涉及高分子有機材料。此時若需要具體了解是哪種有機化合物，就可以使用 TOF-SIMS 的質譜分析進行精確鑑定。例如： 在黃光、蝕刻製程或清洗後的缺陷汙染，通常伴隨著有機溶劑 或光阻等 殘留，就非常適合使用 TOF-SIMS 來進行分析 。
除了上述關於表面污染的定性成份分析技術外，其它像是數個奈米厚度的超薄膜，亦可借助的表面分析儀器如原子力顯微鏡（AFM） 、X 光繞射儀的 X 光反射（XRR）分析技術，進一步獲取樣品奈米表面形貌、粗糙度，或是厚度等的資訊，為製程開發與品質管理提供更完整的分析依據。（進一步閱讀：借力三大工具，精準量測樣品表面粗糙度 ）
樣品該如何選擇適合的表面分析工具？一張表解決痛點！ 當遇到形貌、外觀、顏色甚至電性都不同的各種樣品，該如何選擇正確的分析工具，或是先該從哪一個方式著手？由於每種儀器能夠承載的樣品空間並不固定，並且能夠分析的範圍也都相異。宜特表面分析實驗室準備以下圖表，讓您可以更清楚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 ，來進一步了解分析流程。
假設發現的異物汙染無法用顯微鏡確認大小或尺寸，僅確定是局部異常變色，可以先使用 XPS 分析；若 XPS 分析結果是 C、N、O這三個元素，極可能為有機汙染。若要進一步鑑定是哪種有機物，就可以用圖表最末端的 FTIR 或 TOF-SIMS 分析鑑定，以確認汙染來源與成分。
表面汙染分析儀器的選擇準則。圖／宜特科技 當您遇到難以判斷的狀況或是樣品尺寸不符的窘境，或是想要更清楚如何根據樣品尺寸、大小、汙染處選擇正確的分析儀器嗎？歡迎洽詢宜特官方Li [email protected]
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