用於半導體元件失效分析的新型亞微米紅外顯微光譜技術

2026/01/12

前言

半導體技術的進步推動了日常生活中各個領域的增長，隨著尖端手機、電腦、汽車、資訊技術以及人工智慧( artificial intelligence, AI)的不斷發展，這些技術顯著提升了生活品質。

隨著半導體製程節點持續微縮、新材料與複雜結構不斷導入，元件可靠度與失效分析（Failure Analysis, FA）面臨前所未有的挑戰。先進封裝、低 k 介電層、有機介電材料、導電高分子與複合污染物的使用，使得單純的元素分析已不足以判定失效根本原因。

半導體失效分析同時進行亞微米紅外線與拉曼測試

文章重點摘要

O-PTIR 光譜技術在失效分析應用中提供了獨特的能力：

• 亞微米紅外線空間解析度，比傳統 FTIR/QCL 顯微技術高 30 倍。

• 非接觸、非破壞性、反射（遠場）模式量測，幾乎不需樣品的前處理準備。

• 高品質光譜（不受粒子形狀/尺寸及表面粗糙度影響），無色散/散射干擾，可直接在商業或自訂的 FTIR 透射或 ATR 資料庫中搜尋。

• 元件的 O-PTIR 和 Raman 同步量測，可提供互補和確認結果，更快取得數據並提高數據可靠性。

• O-PTIR 提供高解析度、深色及光敏感樣品的優越量測能力，目前這類樣品受限於現有的 Raman 和 FTIR 技術。

• 提供獨特的共定位螢光顯微能力，可快速識別有機污染物，加快取得數據的速度。

O-PTIR 克服傳統紅外線光譜法的許多基本限制

這些進步持續推動著工業界和學術界對半導體元件技術和製造的投入不斷增加。諸如日益狹窄的半導體線寬、新材料、製造流程和元件結構等技術改進，都對用於線上、離線和失效分析的新型量測與檢測技術提出了更高的要求。

mIRage‑LS亞微米紅外線光譜和成像系統

失效分析(Failure Analysis, FA) 流程和技術可幫助製造商確定半導體元件失效的原因。該分析涉及多種流程和量測設備，旨在找出根本原因，從而避免未來再次發生故障。失效分析量測技術在化學特異性、空間解析度、樣品製備要求、數據收集和分析時間、複雜程度、自動化能力和成本等方面各不相同。

例如，掃描式電子顯微鏡與能量散射 X 光光譜（SEM-EDX），可以提供極佳的空間解析度，但僅能提供元素化學資訊（圖1）。通常，僅憑元素資訊不足以對未知物進行高可信度的鑑定。有機分子資訊可以提供非常高的未知物鑑定可信度，而紅外線（IR）和拉曼顯微光譜等工具是螢光分析中常用且成熟的技術。系統的功能必須與量測應用的需求緊密匹配。

在化學影像方面，拉曼光譜和傅立葉紅外光譜（FT-IR）設備提供了廣泛、具有空間解析能力的化學特性分析功能，已應用於各種領域：異物分析、元件老化、原料雜質鑑定、配方錯誤；所有這些都可能導致半導體、化學和電子產品中的元件和組成早期失效。

然而，傳統的傅立葉轉換紅外顯微鏡（FT-IR）在失效分析(Failure Analysis, FA)的空間解析度和靈敏度方面存在限制，而拉曼顯微鏡對許多樣品通常靈敏度較低，這是由於自發螢光問題，並且可能導致雷射引起的樣品損傷，尤其是在較深色的材料中。一種名為光熱誘導效應紅外光譜（Optical Photothermal Infrared, O-PTIR）顯微鏡的新技術可以克服上述許多的限制性，同時保持拉曼光譜和紅外光譜的互補性。O-PTIR 還能與拉曼光譜和螢光顯微鏡無縫整合，以定位特定的有機污染物，從而幫助後續的紅外量測。圖1以圖形方式呈現了失效分析(FA)中一系列典型的分析技術，並繪製了其空間解析度和化學資訊含量。

本應用說明介紹了新穎的 O-PTIR 方法及其與拉曼和螢光技術在 mIRage 和 mIRage LS 平台上進行失效分析應用的整合。我們還將討論各種高參考價值的應用失效分析範例。

圖1. FA相關方法的空間解析度與相對化學特異性

同步亞微米 O-PTIR 與拉曼光譜

O-PTIR技術克服了傳統紅外線顯微鏡技術中紅外線繞射極限的限制。此技術利用中紅外線脈衝可調整的量子級聯雷射（quantum cascade laser , QCL）照射樣品，並透過第二束可見光雷射（532 nm）間接量測紅外線吸收。當QCL雷射器調整到能夠激發樣品中分子振動的波長時，就會發生吸收，產生光熱效應，例如樣品表面膨脹和折射率變化。聚焦到~0.5 µm光斑尺寸的可見光探測雷射透過散射光中的變化來量測這種光熱反應（圖2a）。

圖2a. 脈衝可調的紅外光源聚焦在樣品上使樣品加熱，產生光熱反應。在紅外光直徑範圍內的可見光雷射探測樣品在吸收紅外光後的光熱反應。

紅外線雷射可以在兩秒內掃描整個波長範圍，從而獲得紅外光譜。此外，可見光探測雷射也會從同一量測區域產生拉曼散射光，收集這些散射光後，即可在同一位置同時以亞微米空間解析度同時量測收集紅外光譜和拉曼光譜。此光束路徑的示意圖如下圖 2 (b) 所示。憑藉這種同步量測能力，使用者可以利用兩種技術的互補特性，並提供確認光譜訊息，從而實現更精確的量測。

圖2b. 同時產生紅外線與拉曼光的光束路徑示意圖。

圖 3 呈現了傳統紅外線顯微鏡系統在傳統紅外線波段內使用 0.5 或 0.7 NA 的兩個紅外線顯微鏡時的空間解析度變化，並與 O-PTIR 技術使用 0.78 NA 物鏡時的恆定空間解析度進行了對比 [Kansiz, 2020]。 O-PTIR 技術由於使用了 532 nm 的固定波長探測光束，因此在整個中紅外線波段內提供了與波數無關的空間解析度。

圖3. 傳統FT-IR、 QCL 紅外顯微鏡與 O-PTIR 紅外顯微鏡空間解析度比較。

共定位O-PTIR與螢光顯微鏡

圖4說明了結合 O-PTIR 亞微米紅外顯微鏡且與螢光顯微鏡共定位的系統佈局。在反向傳播模式中，脈衝紅外光束通過樣品的下方。螢光和可見光探測光束路徑則通過顯微鏡物鏡共定位。

圖4. O-PTIR 與螢光顯微鏡的顯微鏡示意圖。

同步紅外光及拉曼光譜搜尋與 2D HQI 判定

任何螢光分析的目標之一是對未知材料進行化學鑑定。為此，光譜獲得後的最後一步是與光譜資料庫進行比對。

傳統上，紅外光譜會分別與紅外光譜庫和拉曼光譜庫進行比對。使用者隨後會查看紅外光譜和拉曼光譜的「命中清單」。現在，隨著亞微米級紅外線+拉曼光譜同步量測技術的出現，不僅可以同時獲得紅外光譜和拉曼光譜，而且只需在數據收集軟體中點選一下，即可同時進行紅外光譜和拉曼光譜的光譜搜尋。此外，為了幫助評估結果，紅外光譜和拉曼光譜的命中清單以二維散點圖的形式呈現，其中一個軸繪製紅外光譜匹配品質 (Hit Quality Index, HQI)，另一個軸繪製拉曼光譜匹配品質 (HQI)。圖 4a 呈現了常見塑膠的紅外線+拉曼光譜同步搜尋結果範例。在這樣的二維散點圖中，最佳結果位於圖的右上角，該位置同時顯示出較高的紅外光譜和拉曼光譜匹配品質（HQI），從而既提供了驗證性訊息，又實現了互補。

這種獨特方法的優勢體現在兩個方面：

1. 提高工作效率和操作便利性：只需一鍵即可將光譜資料匯出並載入到 KnowItAll® 中，分析人員即可輕鬆搜尋資料並獲得結果；

2. 提高數據的準確性和可靠性：紅外光譜和拉曼光譜數據相互補充和驗證，例如，紅外光譜的搜尋結果可以驗證拉曼光譜的結果，反之亦然。

圖4a. 同時紅外線（IR）+拉曼（Raman）搜尋結果的範例，來源於一次同時 IR+Raman 量測。截圖來自 Wiley 的 KnowItAll® 光譜搜尋引擎，顯示紅外光譜（頂部光譜窗格），未知光譜為黑色，參考庫光譜為紅色。中間窗格繪製了拉曼光譜，同樣，未知光譜為黑色，參考庫拉曼光譜為紅色。下方窗格為二維散佈圖，顯示最佳結果為右上角的數據點（橘色點），其紅外 HQI 與拉曼 HQI 均為最高。

使用 O-PTIR 及綜合技術的具高參考價值失效分析應用

實例一：深色有機污染物與 underfill creep 的高解析化學鑑定

圖 5 呈現了 O-PTIR 如何克服現有紅外光譜技術的挑戰，例如，圖中突出顯示了兩個金屬橫截面之間的底部填充物 (underfill , UF) 中疑似creep的暗色區域 [Zulkifli, 2022]。利用 O-PTIR 技術，可以光譜分離和識別多種成分。

此處，頂部 3µm 的暗色污染物已被識別為環氧樹脂成分，這通常是底部填充材料中的有機黏合劑成分。

底部 3µm 的層似乎含有大量的碳和羧酸鹽；後者可能來自氧化纖維素物質 [Madorsky, 1958]。這些前所未有的細節為追蹤污染源、原料或製程錯誤提供了調查線索。相較之下，傳統的傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）顯微光譜無法從同一樣本提供有意義的資訊[Zulkifli, 2022]。

最後，該分析是透過標準化學機械拋光工藝對橫斷面表面進行的，與更複雜的樣品製備技術（例如需要耗費大量人力的聚焦離子束（focused ion beam, FIB）薄切片技術）相比，顯著節省了時間。

圖5. 疑似creep樣品的亞微米級O-PTIR光譜及成像分析。

實例二：利用同步 O-PTIR 和拉曼光譜進行電容器元件失效分析

具有深色有機金屬多層結構的電容器的拋光橫截面是典型的樣品範例，凸顯了同步 O-PTIR 和拉曼光譜分析的優勢。

圖 6 顯示了一個典型的電解電容器 (electrolytic capacitor, E-cap) 橫截面：一層 10 µm 很薄的介電材料夾在金屬外殼和中心電極之間。這種有機材料對紅外線光的吸收範圍廣且強度高，這與深色導電聚合物的特性一致，因此，在 FT-IR 量測中，只有極少的紅外光能夠反射回紅外線偵測器。這樣的實驗通常會導致 FT-IR 光譜品質差、雜訊大，且可辨識的光譜細節非常有限 [Zulkifli, 2022]。使用ATR附件量測紅外光譜存在著問題，因為難以在內部反射元件（internal reflection element, IRE）和堅硬的金屬材料之間實現良好的光學接觸，而且金屬材料還會損壞IRE。

O-PTIR 技術透過在非接觸反射量測中，從亞微米樣品點收集光譜來克服這些挑戰。其結果是類似穿透量測的紅外光譜，這源於可見光雷射探測的較小取樣區域以及光熱效應的局部感測。

在圖6中，強烈的O-PTIR基線證實了暗介電層具有寬而強的紅外線吸收特性。O-PTIR光譜顯示了空間分辨的光譜差異，這些差異是由於石墨碳的存在導致紅外線吸收譜線展寬。此介電層的化學成分與polyphenylene衍生物最為吻合[Furukawa, 2002]。亞微米級 O-PTIR 和同步拉曼光譜量測技術能夠同時在同一位置對極性和非極性物質進行明確的表徵。此處，1574 和 1355 cm⁻¹ 處的強拉曼位移與石墨的特徵峰一致 [Tunistra, 1970]，從而證實了相應 O-PTIR 光譜的觀察結果。相較之下，失效E-cap的橫截面與正常樣品具有顯著不同的化學特性。

圖6. 一般電容器中有機介電材料的橫截面分析。

圖 7 中觀察到明顯的基線偏移，但 O-PTIR 光譜帶形狀差異顯著，並且在許多標記位置出現了一個新的 1100 cm⁻¹ 訊號。此 1100 cm⁻¹ 譜帶很可能是由於聚乙二醇衍生物的存在，這是一種已知的可提高電解電容器性能的試劑 [Xiong, 2012]。該儀器的同步拉曼光譜功能產生了與 PEDOT:PSS [Chang, 2014] 一致的尖銳光譜特徵，PEDOT:PSS 很可能是主要成分。結合亞微米級 O-PTIR 和拉曼光譜的同步分析，可以有效地識別未知成分，而如果單獨進行分析，則很難甚至不可能識別這些成分。橫截面的粗糙形貌不會影響辨識過程。綜合分析結果表明，兩家供應商提供的有機介電層在化學成分上有差異，而且破裂的電容的成分可能是導致失效的原因之一。