前言
芯片是科技領(lǐng)域核心技術(shù)，是電子產(chǎn)品的“心臟”，是國(guó) 家“工業(yè)糧食”。在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革背景下，大力推動(dòng)高科技產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展對(duì)于搶占全球高科技領(lǐng)域制高點(diǎn)、增強(qiáng)國(guó) 家產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)和提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略作用更加凸顯。
而如何解決芯片/半導(dǎo)體器件有機(jī)異物污染問(wèn)題，成為眾多科研工作者的研究難題。雖然元素和無(wú)機(jī)分析存在高空間分辨率技術(shù)，如SEM-EDX，但在微米和亞微米尺度上識(shí)別有機(jī)污染物一直是巨大挑戰(zhàn)。在過(guò)去的幾十年里，傳統(tǒng)的傅里葉變換紅外光譜FTIR/ QCL顯微技術(shù)雖然得到了廣泛的應(yīng)用，但在關(guān)鍵問(wèn)題上存在一些局限性，例如相對(duì)較差的空間分辨率(5-20 μm)和對(duì)< 10 μm的樣品測(cè)試靈敏度較低、堅(jiān)硬的金屬界面可能會(huì)在接觸樣品表面時(shí)損壞ATR探針，以及污染可能在凹凸的區(qū)域，甚至在狹窄的縫隙內(nèi)，使得ATR接觸式測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。所以，如何在亞微米分辨率別和非接觸條件下，實(shí)現(xiàn)芯片/半導(dǎo)體器件的有機(jī)缺陷和污染物的識(shí)別和表征是非常重要以及創(chuàng)新的一種手段。此外，許多樣品的厚度小于100 nm，這在傳統(tǒng)的FTIR測(cè)量中也是不可能實(shí)現(xiàn)的。
儀器介紹
圖1. 設(shè)備及原理圖
基于光學(xué)-光熱技術(shù)(O-PTIR)的亞微米分辨率紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)mIRage可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)紅外+拉曼顯微鏡的同步測(cè)量，該技術(shù)具有非接觸、免樣品制備、亞微米分析等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于硬盤(pán)和顯示器等器件的成分分析。mIRage擴(kuò)展集成的同步拉曼顯微鏡，主要用于目標(biāo)物的應(yīng)變/應(yīng)力、摻雜濃度、DLC等測(cè)試。獲取的高質(zhì)量反射模式光譜可以通過(guò)亞微米紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)mIRage在商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行光譜比對(duì)檢索，zui終確定亞微米到微米的污染物成分。
mIRage光譜的顯著優(yōu)勢(shì)：
1. 亞微米紅外空間分辨率，比傳統(tǒng)FTIR/QCL顯微鏡提高30倍，達(dá)到500 nm；
2. 非接觸式測(cè)量，非破壞性，反射(遠(yuǎn)場(chǎng))模式測(cè)量，無(wú)須制備樣品；
3. 高質(zhì)量光譜(測(cè)試可兼容粒子形狀/尺寸和表面粗糙度)，沒(méi)有色散/散射偽影問(wèn)題；
4. 可直接在商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配搜索
的污染識(shí)別和控制對(duì)于把控制造過(guò)程以及高科技產(chǎn)品開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，隨著愈發(fā)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品尺寸的縮小，識(shí)別較小的污染物變得越來(lái)越重要和困難。mIRage的先進(jìn)光學(xué)光熱紅外(O-PTIR)技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了微電子器件微小缺陷的紅外化學(xué)分析方法。
mIRage的工作原理是用寬可調(diào)諧的脈沖紅外激光源激發(fā)樣品，在樣品中產(chǎn)生調(diào)制光熱效應(yīng)。通過(guò)光熱效應(yīng)提取并計(jì)算紅外吸收, 通過(guò)檢測(cè)反射探頭光束強(qiáng)度的變化作為紅外波數(shù)調(diào)諧的函數(shù)，從而提供紅外吸收光譜。這種短波長(zhǎng)脈沖探測(cè)光束(通常是532 nm)決定了紅外測(cè)試空間分辨率，而不是傳統(tǒng)FTIR/QCL顯微鏡中依賴的紅外波長(zhǎng)。由于其特的系統(tǒng)架構(gòu)，短波長(zhǎng)探測(cè)光束同樣也能作為一個(gè)拉曼激光源，集成拉曼光譜儀后，mIRage系統(tǒng)可提供同一地點(diǎn)，同一時(shí)間，同一空間分辨率的亞微米紅外+拉曼顯微鏡的檢測(cè)結(jié)果。
精彩案例分享
在本文中，我們將介紹通過(guò)亞微米紅外+拉曼同步測(cè)量技術(shù)對(duì)只有幾微米尺寸的缺陷進(jìn)行電子器件失效分析的研究，案例中的硬盤(pán)組件和顯示組件由希捷技術(shù)提供。
圖2為微電子器件免制樣，原位測(cè)量數(shù)據(jù)。該案例展示了互補(bǔ)的、驗(yàn)證性的mIRage紅外光譜和拉曼光譜的信息。盡管mIRage紅外光譜是在反射模式下采集的，但它完全可以與FTIR/ATR數(shù)據(jù)庫(kù)中的光譜相媲美。通過(guò)與KnowItAll(Wiley)紅外光譜和拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，確定這種特殊的污染物可能是一種聚醚(縮醛)材料。污染可能源于研發(fā)過(guò)程中的異物，包括聚合物、潤(rùn)滑劑等。在此次測(cè)試中，mIRage獲取的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜峰位重合度超過(guò)95%。
圖2. 左：可見(jiàn)圖像顯示6 μm缺損位置，右上：與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)未知物質(zhì)的紅外光譜；右下：與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)未知物質(zhì)的拉曼光譜
在許多情況下，傳統(tǒng)紅外儀器可能會(huì)收到一些物質(zhì)的影響無(wú)法直接接觸到污染物。圖3顯示了金屬薄膜下20 μm的黑色污染，從金屬薄膜的白色圓形分層中可以看到，這是由于有缺陷的薄膜晶體管顯示器突出造成的。傳統(tǒng)的ATR顯微鏡的使用將受到薄膜存在的限制，阻礙直接接觸污染粒子。此類樣品可以通過(guò)mIRage進(jìn)行光譜焦平面定位實(shí)現(xiàn)光譜檢查，無(wú)需額外的樣品制備或?qū)αＷ舆M(jìn)行物理提取。特別是在1706 cm?1波段有強(qiáng)寬紅外吸收帶的存在，表明污染粒子可能是硫化的苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)，已氧化形成羧酸。
圖3. 左上角：樣品和測(cè)量的示意圖；左下：光學(xué)圖像缺陷；右：缺陷區(qū)域不同位置的mIRage紅外光譜。顏色對(duì)應(yīng)于光學(xué)圖像上的標(biāo)記。
結(jié)論
綜上所述，我們引進(jìn)的革命性紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)mIRage在顯微紅外方面取得了重大進(jìn)展，如亞微米分辨率測(cè)量（~500 nm）、非接觸模式測(cè)量(非ATR)、非破壞性和免樣品制備、點(diǎn)線/面多模式分析、無(wú)任何色散/散射偽影以及提供數(shù)據(jù)庫(kù)檢索等。
希捷科技選擇mIRage系統(tǒng)是為了研究制造工藝和產(chǎn)品早期開(kāi)發(fā)的污染改善問(wèn)題。本文介紹的基本原理和實(shí)例表明mIRage在識(shí)別硬盤(pán)和相關(guān)精細(xì)電子行業(yè)的缺陷和污染方面有諸多優(yōu)勢(shì)。在紅外顯微光譜的重要發(fā)展領(lǐng)域中，mIRage技術(shù)具有顛覆性的潛力。而拉曼光譜儀的聯(lián)用進(jìn)一步拓展了它的能力，實(shí)現(xiàn)亞微米紅外+拉曼顯微鏡同步測(cè)量(同一時(shí)間、同一點(diǎn)、同一空間分辨率)，以提供互相印證的補(bǔ)充和確認(rèn)信息。亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)mIRage的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，涵蓋了聚合物、藥學(xué)、司法鑒定、半導(dǎo)體器件缺陷分析、生命科學(xué)、環(huán)境地質(zhì)、古生物等眾多傳統(tǒng)領(lǐng)域。
相關(guān)產(chǎn)品：
