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共定位自體螢光導引之亞微米紅外線分析於複雜樣品幾何結構之應用
摘要
利用有機材料與污染物在難以接觸之樣品幾何結構中的自體螢光（auto-fluorescence, AF）特性，可實現快速定位與鑑別，而此能力為傳統傅立葉轉換紅外線光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR）或拉曼顯微光譜（Raman microspectroscopy）所無法達成。透過聚焦離子束（Focused Ion Beam, FIB）進行局部剖面製備之感興趣區域（Region of Interest, ROI），已證實可與非接觸式亞微米光學光熱紅外光譜（Optical Photothermal Infrared Spectroscopy, O-PTIR）分析相容。結合螢光導引技術之方法稱為螢光導引 O-PTIR（Fluorescence-Guided O-PTIR, FL-OPTIR）。本文提供新的技術見解，證明即使在過去被認為無法進行化學分析的樣品幾何條件下，仍可成功完成材料鑑定。
前言
為了滿足對更小但密度更高的一體化封裝如系統級封裝（System-in-Package, SiP）及2.5D/3D 架構中支援人工智慧運算之高頻寬記憶體（High Bandwidth Memory, HBM），微電子封裝策略變得越來越複雜。由於污染和異物相關的失效機制尺寸越來越小，對其進行表徵變得越來越具有挑戰性。這些系統需要採用先進的封裝技術，其微凸塊間距小於 40 µm，凸塊尺寸小於 20 µm，而具破壞性的污染點通常小於5 µm。傳統的分析方法，例如FT‑IR，空間解析度和靈敏度不足，使其無法無法有效進行失效分析（Failure Analysis, FA）。因此，O‑PTIR逐漸被採用以量測此類微小缺陷 。
近年來，用於 FA 的O‑PTIR儀器取得了顯著進展，使得識別微電子樣品中的未知物質成為可能。這是FT‑IR和拉曼光譜等傳統分析工具無法實現的。該技術已證明能夠有效識別各種樣本中的異物。具體而言，它已成功應用於：
- 化學機械拋光剖面樣品
- 硬質基板上的污染物
- 金屬膜下的異物
- 玻璃上的殘留物
- 剖切或撬離分層基板
- 焊點間的污染物
這些樣本製備簡單，且在採樣區域內易於取得。然而，並非所有情況下都能製備整個樣本的剖面。如果電氣故障點較小，則可以使用FIB進行小開口切割是一種極佳的替代方案。此方法允許以淺角度對感興趣區域 (region of interest, ROI)進行部分曝露，避免了完全剖面切割所需的時間和資源。與機械剖面切割相比，採用FIB切割有助於消除樣品製備過程中產生的污染和偽影，同時還能獲得比機械拋光更光滑的表面。由於O‑PTIR技術以非接觸反射模式運行，空間解析度高達532 nm，因此該方法對以往傳統FT‑IR無法探測的樣品具有極高的靈敏度。本文介紹了一種未知材料鑑定分析的突破性進展。文章探討如何將紅外光和偵測雷射光束聚焦到FIB剖面切割的樣品上，從而產生亞微米級紅外光譜。
與傳統觀點相反，自體螢光（AF）技術可透過應用螢光成像來改進O‑PTIR的鑑定過程。這種獨特的分析方法稱為螢光引導的O-PTIR（FL‑OPTIR）。它將波長依賴性螢光與複雜化合物中定性的化學差異建立關聯。具體來說，螢光發射波長是由化合物的電子結構決定的，它反映了化合物的化學鍵結或超分子結構。因此，可以比較在不同激發和發射波長下採集的螢光影像，從而獲得特定感興趣區域(ROI)的化學物質特異性顏色對比。這種對比有助於在進行O‑PTIR光譜分析之前突出顯示和指導分析要點。此外，金屬材質對螢光不敏感，在螢光影像中通常呈現暗色。這項特性有助於避免在檢測金屬時浪費時間進行無效的紅外線分析。
本文將介紹新型螢光導引OPTIR（FL‑OPTIR）技術在半導體封裝領域的擴展應用。此技術能夠快速定性地識別封裝材料內部的化學異質性，有助於深入了解空間受限結構中微凸塊不潤濕問題的成因，並能準確識別夾在大型微凸塊之間的微小顆粒（< 10µm）。
方法
O‑PTIR的基本工作原理是「泵浦‑偵測」雙光束（pump-probe dual-beam）系統。在這種先進的儀器技術中，脈衝式寬調諧紅外線（IR）光源與偵測雷射光束共線傳輸。兩束雷射透過卡塞格林顯微物鏡共聚焦，在探測雷射中實現了約500 nm的亞微米光斑尺寸。
當材料吸收紅外光時，它會根據其分子振動模式發生振動，從而產生光熱反應（photothermal response），使反射的探測雷射發生偏轉。記錄這些光熱效應的振幅，並根據每個波數下紅外線雷射的功率強度進行標準化。隨著紅外線雷射在其可調諧範圍內掃描，所產生的光熱振幅構成了O‑PTIR光譜。
此外，在紅外線雷射和偵測雷射發射的同時，可使用樣品載台沿XY平面掃描樣 品，產生亞微米級O‑PTIR化學影像。此非接觸式反射模式O‑PTIR儀器在整個中紅外線範圍內保持恆定的偵測光斑尺寸，從而產生紅外線吸收光譜。這些光譜可透過與市售或自訂資料庫進行比對，用於識別未知材料。這項功能可以高信賴度地識別單一成分以及分離複雜成分的混合物。
微電子樣品已依據物理失效分析（PFA）的標準樣品製備規範，透過 FIB 切割或機械剖面製備，於缺陷位置進行樣品製備。在進行 O-PTIR 分析之前，需要將 FIB 剖面的樣品準備成可達到 30° 出射角的開口切割尺寸。通常，O-PTIR 工具僅允許可見紅外光探針以 90° 出射角聚焦並與樣品互動。透過將具有 30° 出射角的 FIB 剖面樣品放置於預傾斜 60° 的樣品座上，FIB 切割樣品內的關注區域（ROI）將能達到 90° 出射角。因此，紅外光吸收將發生於 FIB 剖面樣品內。O-PTIR 可見綠光探針隨後可聚焦於特定感興趣位置，檢測目標未知材料的局部熱反應。反射回的可見綠光將返回至探測器，進而提取紅外信號與光譜（圖1）。
圖1. 在預傾斜 60° 樣品架上放置的FIB剖面樣品上，進行亞微米級 532 nm空間解析度的O-PTIR量測。
缺陷位置的異物在標準光學成像下可能非常明顯，也可能幾乎無法偵測。應用具有寬景深的螢光成像技術（如FL-OPTIR 技術（圖 2）），可以在10分鐘內檢測到這些異物。該方法利用了化學特異性顏色對比，無需進行 O-PTIR 化學成像。因此，該方法可將操作時間縮短 90%。此外，自體螢光成像無需額外標記，也無需預先了解污染物的化學性質。透過比較不同二向色濾光片組的相對螢光強度，可以獲得定性的化學特異性顏色對比，這是由於這些化合物的電子結構差異所致。透過辨識影像中顏色對比鮮明的螢光異物斑點，可以利用 O-PTIR 光譜準確地確定未知物質的成分。
圖 2. 共置自體螢光 O-PTIR 的微米級特徵示意圖。
案例研究
A. FL‑OPTIR 對非濕微凸塊剖面進行表徵
眾所周知，聚焦離子束（FIB）剖面樣品通常不適合用於識別表面下的未知有機材料，無論這些材料是單一化合物還是多種化合物。其主要限制在於傳統FT-IR光譜學的紅外（IR）光束無法穿透FIB切割創建的小開口。這種限制阻礙了紅外光與目標污染物之間的有效互動，導致紅外光譜出現雜訊。此外，在傳統FT-IR分析中的衰減全反射（ATR）方式需要ATR晶體與樣品之間的直接接觸和按壓，以量測反射IR光的光譜。因此，由於這些固有限制，FIB剖面樣品不適合用於FT-IR分析。
將自體螢光(FL)與亞微米級532nm空間解析度的O‑PTIR技術相結合，並在非接觸反射模式下運行，可顯著增強對FIB剖面樣品表面下材料的識別分析。將FIB剖面樣品以 30°的出射角放置在預傾斜 60°的樣品台上，並將其加載到mIRage顯微鏡載物台上（如圖1和圖2所示），即可獲得FIB切割樣品中目標區域的清晰的化學特異性顏色對比螢光圖像。此螢光影像可作為選擇O‑PTIR光譜分析點的參考。然後，將收集到的強紅外線訊號和精確光譜與紅外線資料庫中已知的行業材料進行比較，以確定故障裝置中的污染問題是由單一化合物還是混合化合物引起的。這種比對還有助於確定異物的來源，從而縮小造成污染的潛在污染源範圍。
圖3.非濕微凸塊的剖面分析 (a)O‑PTIR顯微鏡影像和(b)FL-OPTIR自體螢光(AF)影像。
圖3(a)為使用配備卡塞格林物鏡的O‑PTIR顯微鏡所獲得的剖面影像。該圖像顯示了未潤濕的微凸塊互連，並突出了微電子封裝裝置內部的電氣連接故障。在微凸塊和焊盤界面之間觀察到一塊深色的異物，導致互連分離。
如圖3(b)所示，在O‑PTIR顯微鏡的螢光(FL)照射下，可以清楚辨識出異物暗斑。此暗斑呈現七種不同的色彩對比影像。這些圖像表明，導致微凸塊無法與焊盤形成金屬鍵的異物由七種不同的材料組成，每種材料的化學來源和成分各不相同。
螢光成像技術為後續的O‑PTIR光譜分析提供了顯著優勢。化學特異性的顏色對比AF影像確保能夠準確檢測出異物中存在的所有物質，不會遺漏任何導致故障的重要物質。
圖4.非濕微凸起的自體螢光(AF)影像，以及異物上的 O‑PTIR分析點。
圖5.微凸塊和焊盤界面內異物的 O‑PTIR光譜。
圖4和圖5顯示，主要的異物是焊錫助焊劑，這阻礙了潤濕過程。此外，在微凸塊的底部表面觀察到一層填充材料。這一觀察表明，在微凸塊與焊盤之間存在過量的焊錫助焊劑，可能與基板焊盤的清潔過程有關。在污染物中出現刷毛纖維和合成橡膠等材料表明基板清潔過程可能存在問題。FL-OPTIR 提供的詳細分析有效地找出了微凸塊不潤濕問題的根本原因。這一精確的識別有助於快速解決問題。
B.FL‑OPTIR對30µm高微凸塊內部的10µm半月形缺陷進行表徵
在另一個樣品中，如圖6所示，在先進微電子封裝元的30 µm高的微凸塊內檢測到了尺寸小於10 µm的半月形缺陷。這種半月形缺陷可能導致微凸塊晶片堆疊層出現空洞、裂縫和分層，可能對封裝裝置的可靠性構成威脅。在三維光學影像下，此尺寸小於 10 µm的缺陷在微凸塊堆疊層中清晰可見。10 µm 的半月形缺陷表現為聚醯亞胺基底的凸起（圖6）。此外，使用卡塞格林物鏡的O‑PTIR顯微鏡影像也顯示了 30 µm高的微凸起內的半月形缺陷，顯示它是聚醯亞胺基底材料的一部分（圖7a）。
圖6.巨型微凸起內部半月形缺陷的3D光學影像。
利用FL‑OPTIR技術，將螢光精確聚焦 於位於30µm高微凸起內部的亞10µm微小缺陷上，圖7(b)中的自體螢光影像（AF）顯示，半月形缺陷與聚醯亞胺基底相比呈現出明顯的顏色對比。這項觀察結果表明，該缺陷的化學成分與聚醯亞胺基底不同。換言之，半月形缺陷很可能由不同的材料構成，並非聚醯亞胺基底的一部分。因此，光學影像可能無法準確反映缺陷的真實情況。錯誤識別根本原因並基於不正確的假設進行問題排除可能會導致嚴重的後果，包括浪費寶貴的資源和產生不必要的成本。
圖7.微凸起內部的半月形缺陷，（a）O‑PTIR 顯微鏡影像和（b）FL‑OPTIR 自體螢光（AF）影像。
如圖8和圖9所示，螢光引導的O‑PTIR光譜分析最終確定30 µm 微凸塊中的小於10 µm半月形缺陷是由晶圓背面研磨膠帶黏著劑材料組成的。此外，在缺陷處檢測到了殘留的清洗溶劑，在聚醯亞胺基板上檢測到了殘留的助焊劑。這些污染物可能是在微凸塊焊接過程中引入的。
圖8.半月形缺陷的自體螢光(AF)影像及O‑PTIR分析點。
圖9.半月形缺陷和相鄰基板的O‑PTIR光譜。
結論
一種新型亞微米級532nm空間解析度O‑PTIR 利用共定位自體螢光進行分析在現代半導體封裝元件失效分析中扮演重要角色。FL‑O‑PTIR具有更高的靈敏度，能夠針對特定感興趣區域提供化學物質特異性的顏色對比。它以非接觸反射模式運行，在空間受限的幾何形狀內可以發生強烈的紅外光吸收。這使得快速、精確且高度可靠成為可能。識別未知材料來源。無論是FIB剖面中的缺陷樣品，或是難以觸及的大型結構間存在的微小顆粒（小於10 µm），FL‑O‑PTIR都能有效辨識這些材料。這種創新技術無需嚴格的樣品製備即可處理任何類型和形狀的樣品。它有潛力解決最具挑戰性的故障情況，從而顯著提高半導體產業的產品良率並降低成本。
文章來源：
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11303531/metrics#metrics
