印制電路板表面沾污表征技術(shù)*

徐建 陳永康 郝萍 周瑩 吳立敏 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到成品率不高，產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性差等問(wèn)題，成因雖為多方面，但影響器件成品率、可靠性、穩(wěn)定性等質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要原因通常是器件表面沾污。半導(dǎo)體等功能器件在生產(chǎn)過(guò)程中，材料表面可能會(huì)引入各種顆粒、金屬離子、有機(jī)物及殘留的磨料顆粒等沾污雜質(zhì)，對(duì)半導(dǎo)體器件的性能造成致命影響和導(dǎo)致缺陷，極大地降低產(chǎn)品合格率，并制約器件的進(jìn)一步發(fā)展。半導(dǎo)體器件表面沾污的精確分析，對(duì)查找失效原因，改進(jìn)制造工藝和提高產(chǎn)品良品率具有重要意義。

掃描電子顯微鏡和X射線能譜分析（SEM&EDS）組合作為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的顯微分析儀器，能同時(shí)快速地對(duì)試樣微區(qū)范圍內(nèi)的所含元素進(jìn)行定性、定量分析。SEM&EDS 在定性、定量分析時(shí)，通常是利用束徑1～10 μm的高能電子束，激發(fā)出試樣微米范圍內(nèi)的各種信息，進(jìn)行成分、形貌等分析。

X射線電子能譜（XPS）利用軟X射線激發(fā)樣品電子能量譜，主要用于分析樣品表面元素及其化學(xué)態(tài)，是表面分析中最有效、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。這主要因?yàn)閄PS表面靈敏度高，可同時(shí)提供元素定性、定量和化學(xué)態(tài)信息。隨著電子能譜儀器研發(fā)制造技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)應(yīng)分析技術(shù)的需求，近年來(lái)，高靈敏度單色化XPS、小面積XPS和成像XPS倍受關(guān)注。成像XPS 技術(shù)指顯示分析區(qū)域中材料表面的化學(xué)元素和化學(xué)狀態(tài)分布所生成的信息圖像，而微區(qū)XPS分析是縮小分析面積，從而使空間分辨力提高。如今，成像XPS 技術(shù)與微區(qū)XPS 分析技術(shù)在空間分辨力方面都得到了顯著提高，特別當(dāng)材料樣品表面成分存在不均勻分布情況時(shí)，利用成像XPS 技術(shù)能夠快速檢測(cè)樣品表面，最高空間分辨力達(dá)1 μm。根據(jù)材料樣品中不同化學(xué)信息在分布表征上的差異，通過(guò)對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行XPS 微區(qū)分析，最終獲得指定微區(qū)內(nèi)材料表面不同化學(xué)信息的分布譜圖。成像XPS技術(shù)不僅能夠?qū)瘜W(xué)元素進(jìn)行成像顯示，還能對(duì)相同元素在不同環(huán)境中的化學(xué)態(tài)分布進(jìn)行成像顯示。這些功能在微電子器件和薄膜器件的表面污染分布、金屬偏析及高聚化合物表面研究等方面，具有較好的應(yīng)用前景。

本文圍繞如何有效測(cè)量印制電路板表面沾污問(wèn)題，通過(guò)選用掃描電子顯微鏡聯(lián)合X射線能譜分析和XPS能譜分析結(jié)合平行成像技術(shù)兩種手段，對(duì)印制電路板表面沾污區(qū)域進(jìn)行了分析，并比較和解析兩種方法獲得的測(cè)量結(jié)果，結(jié)果表明，采用XPS能譜分析結(jié)合平行成像技術(shù)對(duì)分析印制電路板器件表面沾污更為有效。

樣品選用FEI公司Nova NanoSEM 450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、OXFORD公司的 51-XMX1154 X射線能譜儀和島津Kratos AXIS Ultra DLD 型X射線電子能譜儀進(jìn)行表面沾污分析。

1 SEM＆EDS測(cè)試

選取同一印制電路板樣品的銅絲區(qū)域采用SEM＆EDS進(jìn)行污染物分析，測(cè)試完成后取出樣品并進(jìn)行XPS能譜分析，測(cè)試中盡量保證樣品表面不引入其他污染物。測(cè)試結(jié)果見圖1和表1。由圖1可見，銅絲表面存在少許顆粒狀污染物，通過(guò)對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析可知，銅絲除了主成分Cu元素之外，還有C、O、Fe等元素存在。由表1中EDS分析結(jié)果可知，樣品表面主要污染元素為C和O，并且C元素的污染程度高，C和O污染元素原子百分含量之和已超過(guò)所有檢出元素的35%，表面污染較嚴(yán)重。

表1 印制電路板銅絲EDS分析結(jié)果

圖1 印制電路板上銅絲掃描電子顯微圖像以及EDS能譜分析

2 XPS能譜和平行成像分析

樣品引入的C和O元素沾污在工藝過(guò)程中非常常見，但這是否為造成器件失效的主要因素還需進(jìn)一步加以驗(yàn)證，選用XPS能譜分析結(jié)合平行成像技術(shù)對(duì)樣品再進(jìn)行深入分析。具體分析步驟為：（1）在樣品完成SEM＆EDS測(cè)試后，立刻進(jìn)行XPS能譜分析，中間不作停留，盡量減少再次引入污染源的可能。（2）選取SEM＆EDS分析中的測(cè)試位置進(jìn)行XPS能譜和元素平行成像分析；（3）在獲得XPS能譜和平行成像分析測(cè)試結(jié)果后，選用XPS能譜儀附帶的氬離子刻蝕槍清潔樣品表面，在5 keV功率下對(duì)樣品表面刻蝕30 s后再次進(jìn)行XPS能譜分析。測(cè)試結(jié)果見圖2、圖3和表2所示。

表2 印制電路板銅絲樣品經(jīng)氬離子槍刻蝕清潔前后的表面元素含量

圖2 印制電路板銅絲表面XPS能譜圖

圖3 印制電路板金屬銅絲表面元素平行成像（選區(qū)面積為 ：400 μm×400 μm）

圖2（a）為樣品經(jīng)氬離子槍刻蝕清潔前后的XPS全掃描譜圖。由此可見，未經(jīng)過(guò)刻蝕清潔的樣品表面含有C、N、O、F、Cu元素，由表2中XPS表面元素定量結(jié)果可知C、O和F元素污染特別嚴(yán)重，三種元素含量之和占所有檢出元素的95%左右。并且與SEM＆EDS結(jié)果相比，除了檢出污染元素C和O外，還檢出了污染元素F，且F元素原子百分含量較高，達(dá)到了9.45%。基于兩種技術(shù)測(cè)量結(jié)果的差異，F(xiàn)元素未能在SEM＆EDS測(cè)試中檢出，卻在XPS分析中檢出，且具有一定含量。分析造成這兩種測(cè)試結(jié)果差異的原因是污染層可能僅存在于樣品的最表面。為了驗(yàn)證這個(gè)設(shè)想，通過(guò)刻蝕清潔沾污樣品表面，在5 keV功率下對(duì)樣品表面刻蝕清潔30 s，預(yù)估樣品表面被減薄約2 nm左右的超薄層后，再次進(jìn)行XPS分析。由圖2（a）中經(jīng)氬離子槍刻蝕清潔前后的XPS全掃描譜圖可以發(fā)現(xiàn)，刻蝕前后各元素峰強(qiáng)度變化明顯，Cu 2p元素峰強(qiáng)度驟升，Cu元素含量由4.46%上升到53.17%，C 1s、O 1s和F 1s元素峰強(qiáng)度下降明顯，C元素含量由66.01%下降到37.69%，O元素含量由19.56%下降到3.36%，F(xiàn)元素含量由9.45%下降到3.63%。由此可知，C、O、F污染物元素主要存在于樣品表面，與設(shè)計(jì)刻蝕清潔實(shí)驗(yàn)之前的假設(shè)一致，也進(jìn)一步解釋了本文通過(guò)SEM＆EDS分析和XPS分析導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果差異較大的原因，在于EDS分析探測(cè)深度相對(duì)較深，通常在微米尺度范圍，而XPS能譜分析探測(cè)深度非常淺，通常不大于10 nm，僅有幾個(gè)納米厚度范圍。

圖2（b）（c）（d）給出了印制電路板銅絲表面污染C、O和F元素窄掃描譜圖，并分別作了譜峰擬合，用來(lái)分析確定污染元素的化學(xué)態(tài)。圖2（b）C 1s窄掃描譜圖擬合成4個(gè)C 1s譜峰，峰位分別為284.8 eV、286.1 eV、288.5 eV和290.8 eV，分別對(duì)應(yīng)有機(jī)物中碳-碳、碳-氧和碳-氟鍵的結(jié)合能，圖2（c）（d）中O 1s和F 1s窄掃描譜圖均擬合為1個(gè)譜峰，峰位分別為531.8 eV和688.2 eV，分別對(duì)應(yīng)碳-氧和碳-氟鍵的結(jié)合能，與C 1s擬合峰結(jié)果相互印證。表明銅絲表面污染物主要為含C、O、F元素的有機(jī)污染物。

通過(guò)XPS分析獲知印制電路板銅絲表面的污染源主要含C、O和F元素等有機(jī)污染物，選擇XPS元素平行成像對(duì)選定的印制電路板銅絲表面區(qū)域進(jìn)行分析，進(jìn)一步確定污染元素在樣品表面的分布情況（見圖 3）。成像范圍設(shè)置為 400 μm×400 μm。由C、O和F元素平行成像譜圖可知，三種污染元素在樣品表面分布區(qū)域趨于一致，這對(duì)XPS能譜分析結(jié)果污染源為C、O、F有機(jī)物給出了有力佐證。從三種元素像在樣品表面的分布情況分析可知，污染元素為不均勻分布。

利用XPS能譜聯(lián)合平行成像技術(shù)對(duì)印制電路板銅絲污染表面進(jìn)行了全面的分析，獲得了科學(xué)可信的測(cè)量結(jié)果，即含C、O和F元素的有機(jī)物污染應(yīng)是引起樣品失效的真正原因。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)選用SEM＆EDS分析和XPS能譜分析結(jié)合平行成像技術(shù)分析印制電路板表面污染區(qū)域，結(jié)果表明，兩種技術(shù)手段獲得的測(cè)量結(jié)果存在較大差異。通過(guò)進(jìn)一步解析，發(fā)現(xiàn)由于污染層厚度非常薄，采用XPS能譜分析結(jié)合平行成像技術(shù)對(duì)分析印制電路板器件表面沾污更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)半導(dǎo)體等功能器件尺寸越來(lái)越小時(shí)，采用SEM＆EDS技術(shù)可以清晰地分析器件樣品的缺陷。但是，在實(shí)際半導(dǎo)體等功能器件表面污染的失效分析中，污染層通常非常薄且分布不均勻，往往僅有幾個(gè)納米厚度，要做到準(zhǔn)確檢測(cè)表面沾污的組成與元素化合態(tài)，同時(shí)又希望不破壞樣品表面時(shí)，SEM＆EDS等儀器分析則大大受限。這時(shí)，XPS能譜分析因其在表面分析中探測(cè)深度通常不大于10 nm的優(yōu)勢(shì)，則能輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)表面沾污的有效解析。同時(shí)，配合XPS平行成像分析技術(shù)，可以很清楚地了解各污染元素在器件表面上的分布情況，對(duì)深入分析功能器件的失效機(jī)制給予很好的補(bǔ)充，也為實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品精確質(zhì)量控制和分析失效機(jī)制，進(jìn)而為不斷優(yōu)化產(chǎn)品工藝和技術(shù)提供有力的技術(shù)支撐。

當(dāng)然，XPS在開展半導(dǎo)體等功能器件表面污染分析時(shí)，由于儀器分析區(qū)域受限在微米尺度范圍等原因，對(duì)于亞微米甚至納米尺度的表面沾污分析測(cè)量，存在較大難度。如果樣品是導(dǎo)體或者半導(dǎo)體樣品，則選擇俄歇電子能譜（AES）技術(shù)進(jìn)行表面污染物分析更為合適。