產品搜尋
會員登入/註冊
English
公司據點
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
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。
圖7. 失效電容器中有機介電材料的截面分析（Zulkifli, 2022）。
實例三：O-PTIR 用於量測深色光敏材料
辨識開路電路中異物的化學成分是微電子故障分析中最普遍、最長期存在的工業難題之一。不幸的是，這些元件中的層通常比微米級紅外線波長的繞射極限更窄，因此對傳統傅立葉變換紅外光譜顯微鏡的解析度提出了挑戰。拉曼顯微鏡可以作為一種有效的替代光譜技術來量測這些樣品，但樣品的深色通常會導致過度加熱和螢光，甚至導致樣品損壞。降低雷射功率以減少加熱會導致拉曼光譜的訊雜比過低，無法提供來自測試區域的足夠化學訊息，或量測時間過長。
由於拉曼散射大約每百萬個入射光子才會發生一次，因此高訊雜比的量測需要強烈的樣品照明；不幸的是，這可能會導致樣品燃燒或熔化。圖 8 呈現了一些在標準拉曼雷射功率下容易熔化的樣品範例，導致樣品破壞，如圖 8a 所示 [Anderson, 2022]。在圖 8b 中，即使在低毫瓦雷射功率下樣品未受損，由於照射深色材料時可能產生的強自發螢光基線，拉曼光譜的價值也很低。
使用雪崩光電二極體 (avalanche photodiode , APD) 偵測器擷取 O-PTIR 資料可以增強並克服深色和/或粗糙樣品固有的低反射率，同時提供高空間解析度。
圖 8a：微電子故障分析應用中常見的深色樣品
圖 8b：深色樣品因拉曼功率達毫瓦級（以獲得足夠訊雜比）而造成的損壞
圖 8c：樣品在毫瓦功率下變棕色時拉曼光譜品質不佳
圖 8d：收集到的高品質紅外光譜，並使用可商業取得的資料庫（如 KnowItAll®）進行比對，使用光電倍增管（APD）及微瓦級可見光功率獲得 >96% HQI
圖 9 顯示了 APD 在遠低於樣品雷射損傷閾值的低探測雷射照射水準下的高靈敏度。與標準偵測器相比，使用 APD 可以獲得更高的訊雜比 (SNR) 數據，從而顯著提高材料區分的清晰度和可靠性。此類樣品的粗糙形貌並不妨礙使用配備 APD 的 mIRage O-PTIR 取得高訊雜比紅外線吸收光譜。
圖9. 從Brand C電解電容器的橫截面在藍色標記位置獲得的光學影像和O-PTIR光譜；藍色光譜使用APD量測，紅色光譜使用標準光電二極管檢測器量測。
實例四：利用共定位螢光和 O-PTIR 快速識別感興趣區域
O-PTIR 技術已被證明能夠成功確定複雜樣品的化學成分，而傳統的紅外線顯微光譜技術由於空間解析度和靈敏度有限，無法實現這一目標。拉曼顯微鏡的非接觸式操作特性常常受到許多材料中固有的強自體螢光 (autofluorescence, AF) 和較差的光譜靈敏度的限制。在快節奏、高通量的測試環境中，快速且有效率的數據收集至關重要。 mIRage 儀器中的明場或光學影像系統能產生高品質的可見光影像，使用者可以從中輕鬆且快速地標註區域以進行後續的 O-PTIR 量測。然而，有時可見光影像的對比度不足，無法提醒或引導使用者了解已知或未知缺陷的位置。如先前範例所示，空間組成可能非常複雜；能在收集第一個 O-PTIR 光譜或影像前，即在感興趣區域（region of interest, ROI）中進行物種的定位和區分，將非常有幫助並節省時間。
螢光（Fluorescence, FL）影像可以透過使用不同可見光波長激發感興趣區域（ROI），並檢測其在較長波長重新發射的輻射來獲得。
螢光成像技術在材料科學領域已應用多年。特定分子的激發波長和發射波長與其固有的電子態直接相關，且不會影響 O-PTIR 數據的取得（Qin，2020；Chen，2022）。因此，在通過亞微米 O-PTIR 收集空間解析化學訊息之前，可以先使用寬場螢光圖像描繪感興趣區域（ROI），大大提高量測效率。圖10呈現了螢光成像技術的一個新應用：識別焊點周圍的暗區ROI，該暗區阻礙了焊點與鋁焊盤的良好結合。明場（brightfield, BF）影像允許使用者從底部填充材料中定位金屬表面，但無法辨別附近有機物中的化學成分變化（圖10a）。當同一感興趣區域 (ROI) 分別以 497、578 和 628 nm 的激發光照射時，可以快速記錄 ROI 上的相對螢光強度。
圖 10b 中疊加的螢光影像提供了 ROI 各區域之間的化學對比，從而立即確定了收集 O-PTIR 光譜的位置。僅靠BF影像（圖10a）無法辨識這些位置。我們可以清楚地看到填充物的化學性質與間隙附近的污染物有顯著不同。變化的強度非常明顯，顯示了取得O-PTIR光譜的目標位置。
FL 圖像的效用可以與 1732cm-1 的 O-PTIR 圖像相關聯（圖 10c）。1680cm-1 附近的廣泛吸收以及暖色標記與羧酸鹽一致；而吸收基線增高則源於無序碳（Lo, 2021）。在圖 10b 的紫色區域較遠處，灰色標記代表正常光譜，與富含矽的環氧樹脂底填物一致。焊點旁的紫色光譜位於 FL 圖像中體積底填物稍暗的區域內，這與 O-PTIR 圖像中碳的存在導致的較強紅外吸收良好對應。最後，最亮的 FL 區域來自聚醯亞胺焊料防濺層，這由高品質的 O-PTIR 光譜確認，與聚醯亞胺一致（藍色）。
螢光影像的實用性可以與 1732 cm⁻¹ 處的 O-PTIR 影像（圖 10c）相關聯。 1680 cm⁻¹ 附近的寬吸收帶以及暖色調標記與羧酸鹽一致；增強的吸收基線源自於無序碳（Lo，2021）。在圖 10b 的紫色區域更遠處，灰色標記代表正常的光譜，與富含二氧化矽的環氧樹脂底部填充物一致。焊點附近的紫色光譜位於
螢光影像上比主體底部填充物略暗的區域內，這與 O-PTIR 影像中由於碳的存在而導致的更強紅外線吸收吻合。最後，最亮的螢光區域來自聚醯亞胺焊料阻焊層，這一點已由那些與聚醯亞胺一致的高品質 O-PTIR 光譜（藍色）所確認。。
配備共定位 FL 的多模態 mIRage-LS O-PTIR 儀器可以處理深色和有色
污染物，且雷射損傷閾值遠低於可見光，通常小於 0.1 mW。利用超靈敏雪崩光電二極體（APD）偵測器，可輕鬆收集到高訊雜比的光譜。
圖10. 螢光導引的 O-PTIR 分析非潤濕錫焊接點橫切面，原因是鋁墊上存在有機物；插圖 A：明視場圖像 (A)；插圖 B：在 497 nm（藍色）、578 nm（綠色）和 628 nm（紅色）激發波長下疊加各單一螢光圖像後的圖像；插圖 C：在 1732 cm-1 拍攝的 O-PTIR 圖像；所有數據均使用 APD 偵測器取得。
結論
基於 mIRage 平台的 O-PTIR 是一種新型技術，它克服了傳統 FTIR 顯微鏡和光譜的諸多局限性，包括其亞微米級的 O-PTIR 空間化學解析度，從而使紅外光譜技術能夠更廣泛地應用於關鍵失效分析相關領域。 O-PTIR 還可在反射模式下工作，無散射偽影，幾乎無需樣品製備，因此與傳統紅外光譜相比，數據收集速度更快。
O-PTIR 與 APD 檢測的結合使用，克服了現有拉曼光譜技術的一個主要局限性，即無法處理有色和深色樣品，否則這些樣品通常會被燒焦或產生低訊雜比數據。使用 APD 偵測器擷取的 O-PTIR，偵測光束功率在微瓦級，能夠以亞微米解析度擷取光譜，而這在其他方法中是無法實現的。 O-PTIR 還可與拉曼光譜結合，在同一量測位置同時進行拉曼和紅外線成像及光譜分析，並達到所需的解析度。這種結合提供了互補和驗證性的結果，同時顯著縮短了資料擷取時間。在螢光分析中，當與同步紅外線和拉曼光譜搜尋相結合時，未知物的識別能力得到進一步提升，從而實現更精確的識別。
最後，借助 mIRage-LS，O-PTIR 可以與螢光顯微鏡聯用，從而更好地觀察特定污染物，以便利用 O-PTIR 進行進一步的化學分析。
文章來源：
https://www.photothermal.com/wp-content/uploads/2025/04/AN-106-Semi.pdf
