晶片测试分析技术优化方案

1.概述

光学显微镜利用可见光在试片表面因局部散射或反射的差异，来形成不同的对比。可见光的波长高达5000Å，虽然分辨率不高，但是仪器购置成本低、操作简便、可以直接观察晶片，同时可以观察区域却是所有仪器中最大的，具有很高的分析效率。因此，在半导体晶片中，对于大范围的杂质分布或结构缺陷的观察，可以利用适当的化学溶液刻蚀杂质或缺陷所在的位置，造成凹痕，形成明暗对比。使用光学显微镜来观察堆垛层错、位错或界面析出物。

也可以用X光衍射技术进行单晶硅晶片结构的分析工作。由于X光兼具波与质量的双重性质，因此，X光也同时具备一切光波的特性，如X光可以反射，折射及绕射成1∶1的影像；X光可以被物质吸收：X光可以被极化；X光不受磁场或电场影响；X光也可以使底光感光，同时，X光也可以控制波长而调整强度。由于X光波长远较可见光或紫外线为短，利用布瑞格衍射原理可用来进行单晶硅晶片内部原子结构的分析工作。

扫描电子显微分析技术（scanning electron microscope，SEM）也可用于单晶硅晶形貌观察和相关的化学成分分析。

图9-17　扫描电子显微镜分析技术工作原理

SEM的运作原理如图9-17所示，由电子枪内的灯丝发射（emission）的热电子经由阳极（anode）电场加速，再经电磁透镜（condenser lens）使电子聚集成一微小电子束。再由物镜（objective lens）聚焦至试片上。电子束沿着试片上做直线扫描，而同时在阴极射线管（CRT）对应着一条水平扫描。CRT上的信号强弱则是利用探测器获得的电子束讯号，如二次电子（secondary electrons）、背反射电子（back scattered electrons）、穿透电子，X-ray、阴极发光（Cathode luminescence）及吸收电流等，将其放大后同步显示在显示屏上。利用扫描电子显微镜可以进行材料的形貌观察和相关的化学成分分析（EDS）。也可参照在下面的微分析技术及缺陷章节中相关的SEM/EDS的详细论述。

原子力显微分析技术（automic force microscope，AFM）是一种发展快速的显微技术，其中原子力显微镜因为对导体及绝缘体均有极出色的三维空间的显像能力，所以成为运用最广泛的扫描探针显微镜。当微电子元件的尺寸大小越趋微细浅薄，不论是在工艺生产之前或工艺过程中，了解晶片表面的物理化学微区特性，并且精确控制工艺条件，如污染物、氧化层的清洗处理，各种薄膜层表面平整度及线宽的掌握，对微电子产品品质的保证尤为重要。由于扫描探针显微镜有极佳的三维影像解析能力，而且可在大气环境中，直接进行影像观察，操作与维修较SEM简单，因此AFM已逐渐地被运用于晶片清洗方法开发、光罩重叠曝光定位、刻蚀形貌检测、平坦化粗糙度分析、晶片与镀膜表面貌及缺陷观察。

图9-18　原子力（AFM）显微镜的工作原理(www.xing528.com)

原子力显微镜是利用一探针感测来自试片表面的排斥力或吸引力。当探针自无限远处逐渐接近试片时，会感受到试片的吸引力，但是当探针继续接近试片表面时，探针与试片表面的排斥力逐渐增强。一般探针是与一支撑杆（cantilever）连接而成，探针所感受到的作用力会使支撑杆产生弯折，如图9-18所示。支撑杆弯折的程度直接反映出作用力的大小，而弯折的程度可利用低功率激光的反射角变化来决定。反射后的激光投射到一组感光二极管上，感光二极管上的激光斑变化造成二极管电流的改变，根据电流变化便可推算出支撑杆的偏折程度。原子力显微镜探针在x、y、z三维方向的微细移动是利用压电材料（piezoelectrics）做成的支架来完成。在AFM结构中，感光二极管、激光二极管及探针均固定在一金属座上，试片置于一管状压电材料扫描台上，利用管状压电材料x、y、z的移动完成试片的平面扫描与垂直距离的调整，探针与试片表面之间垂直距离的调整视两者间相互物理作用力的大小而定，有一反馈电路可控制着垂直距离以促使探针与试片表面的相互作用力保持固定。

AFM的最大功能是晶片表面粗糙度分析、获得表面形貌的三维图像，而微电子行业对产品的质量控制时普遍需要了解晶片这方面的信息。因此AFM目前广泛地应用于微电子元件立体形貌的观察、进行高宽比及粗糙度的测量。

AFM是半导体制造行业不可缺少的基本分析技术。其中微电子化学分析包括材料、晶片表面污染及化学品等三个项目。以目前国内半导体工业对硅晶片表面金属杂质的分析为例，一般常使用的方法有：气相分解配合原子吸收光谱法，感应耦合等离子质谱法（vapor phase decomposition atomic absorption spectrometry，VPDAAS；vapor phase decomposition inductively coupled plasma mass spectrometry，VPDICPMS），表面液滴扫描配合反射X射线荧光分析（wafer surface scanning by droplet total reflection X-ray fluorescence，WSSDTXRF）及全反射X射线荧光分析（TXRF）等。这些方法，除TXRF是一种可作直接测量的方法外，一般均需利用物理化学技术，先将晶片表面的污染物予以溶解，然后再利用高灵敏的仪器作测定。在样品的前处理过程中若处理不当造成污染，或分析物的遗漏，仪器测定过程中干扰效应没有予以消除，将造成分析结果的误差。

下面分别就几种仪器的分析原理、特性及干扰效应等问题分别作概要的说明。

2.感应耦合等离子质谱仪（inductively coupled plasma mass spectrometer，ICPMS）

该仪器的工作原理，是根据由感应耦合等离子所产生的高温作为样品的激发源。由感应线圈上的电流形成振荡磁场，而磁场的强度和方向会做周期性的改变，因而使磁场感应生成的电子流受到加速作用而增加动能，此动能在不断地与氩气碰撞中产生高热而进行传递，最后产生离子化现象（additional ionization），形成高热的等离子体。由于感应耦合等离子激发源的温度高达6000～8000 K，分析物在此惰性的氩气等离子中的停留时间又可达2 ms，因此可有效地将分析物原子化或离子化，并予以激发。这已成为目前最理想的一种激发源，样品中的待分析物在高温等离子体中被游离成离子，被导入四极柱式质谱仪中进行分析。该仪器对于水溶液的分析，其探测极限可低达ppt（pg/ml）的程度，广为半导体厂使用。ICPMS除了可以分析水溶液样品外，也可以经由样品导入介面的改变而分析固体样品，该分析方式是由激光聚焦后照射到样品表面，此激光束经由样品表面吸收后，继而转变为热能，样品表面经受热而气化挥发后，由载送气流的输送而导入仪器，最后被质谱仪侦测。该技术目前已有商业化的仪器，称为激光剥蚀感应耦合等离子质谱仪（laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometer，LA-ICP-MS）。由于其样品的导入效率高，具有较高灵敏度，可同时进行表面微量分析，目前已逐渐受到重视。

3.石墨炉原子吸收光谱仪（graphite furnace atomic absorption spectrometer，GFAAS）

虽然ICPMS是目前最灵敏的多元素同时分析仪器，但对于某些元素（包括Fe、Ca、K及Si）当以ICPMS进行分析时，由于会受到严重的质谱性干扰，故使得这些元素的分析结果往往会受到质疑。为解决上述元素以ICPMS分析的困难，一般使用具有同样灵敏度的GFAAS仪器来做测定。GFAAS的侦测原理是由瞬间在石墨管内通入高电流，所导致的温度上升会使样品中待测元素形成原子蒸气而挥发。同时由光源处所发出的待测元素谱线，会被原子蒸气所吸收，并由光电倍增管测量的讯号而进行定量。该分析技术的特点是可以将探测时会导致干扰的基质元素予以分离，减少样品之前处理步骤，但是该仪器只适合作单一元素的测定。然而它探测灵敏度极高，而且价格较便宜，目前在半导体工业所普遍使用。

4.全反射X射线荧光光谱仪（total reflection X-Ray fluorescence spectrometer，TXRC TXRF）

具有与ICPMS或GFAAS相近的探测灵敏度，且为一种非破坏性的分析仪器，故已逐渐为微电子工业采用作为微量元素的分析之用。其分析原理是利用X光管产生的X射线光源，先经由反射器以消除部分高能量的X射线后，再以低于临界（critical angle）的入射角度照射置于样品载体上的分析试样薄膜，样品中待分析元素经由入射X光照射后，会发出特定的X射线荧光，经由半导体探测器记录其能量及强度，即可以获得元素的种类及浓度。该方法的讯号强度较易受到基质元素的影响，但是在微电子行业中，由于晶片材料较为固定且单纯，上述干扰问题较易被克服，因此，该技术在半导体表面污染及试剂分析中广泛使用。