显微红外光谱仪半导体行业表面异物分析——之辅料篇

2022-10-18 16:19

1.为什么要进行表面异物分析

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关注半导体行业朋友可能都看过一类视频就是介绍如何把沙子变成芯片的介绍,从其描述中我们不难发现半导体产品制程很长,从最初的原材料到客户端的成品涉及到上百个工序和上千家供应商。半导体产品的制备除了具备高精度、先进的生产制造设备外,还需要关注在制造过程中所用到的原、辅料及生产环境。对于原辅料,一方面要求其性能参数满足生产要求,另一方面还需要关注原、辅料在生产过程可能存在的交叉污染问题。在生产使用过程中,产品表面往往容易被污染、腐蚀、氧化,或者由于生产缺陷、疏忽等原因引入和形成异物,增加了产品不良率,对产品的使用性能带来极大影响。异物的生成原因比较多,例如原材料不纯、反应有副产物、工艺控制不规范或工艺配方不成熟等。图1 为用于抛光晶片包装用圆盒及内表面粘附线状异物。


图1 晶圆包装圆盒内表面由线状异物


2.表面异物分析方案

一旦半导体产品在质检过程中或下游客端发现产品有异物污染等问题,如何解决这类问题?关键一点就是要清楚异物是什么,才能追根朔源。对于一般半导体产品表面异物分析,主要是有如下两种方案:

方案一、如果待测异物是无机物,建议通过SEM-EDS或XRD或XRF及XPS等分析手段确定异物种类或物相等,图2分别为日立SEM-EDS、日本理学3KW XRD和波长色散型XRF产品实物图片;

图2 从左至右依次为日立SU8600 FE-SEM[1]日本理学 Smartlab XRD和ZSX Primus IV[2]


方案二、如果待测异物是有机物,建议通过显微红外、纳米红外或显微共聚焦拉曼等成像技术实现异物的原位分析。图3[3]分别为布鲁克显微红外,纳米红外和显微共聚焦拉曼产品实物图片。


图3 上起、左起依次布鲁克显微红外Lumos II,纳米红外Dimension Icon IR和显微共聚焦拉曼Senterra II


3.显微红外异物分析案例

本文结合半导体行业中遇到的异物分析案例介绍如何通过显微红外进行异物分析,具体如下:
某半导体晶圆厂商在交付给下游客户的晶圆表面出现污染区域。客户对同批次未使用晶圆拆包检查时发现圆盒内表面有异物,怀疑晶圆污染来自包装圆盒内的异物。用于包装晶圆的圆盒要求内表面光滑、无毛刺和无任何残留物。晶圆无破碎,可以排除污染物来自晶圆本体,推测污染物来自圆盒或包装过程的某个环节。如果需要进一步判定原因,则需要了解圆盒内的异物是什么?我们采用布鲁克Lumos II 显微红外光谱仪对该圆盒内异物进行测试和分析。

Lumos II测试条件
· 分辨率:4cm-1
· 扫描次数:32次
· 波数范围:4000-650cm-1
· 测试方法:Ge晶体ATR
· 检测器:液氮制冷MCT检测器


4为晶圆包装盒内部异物点红外分析界面


从图4左上角可见光照片上可以看到异物是呈薄膜状附着在圆盒内表面,尺寸约170x120um。利用Lumos II 同轴光路高精度ATR分别测量圆盒干净区域和污染区域,对应红外谱图见图4,其中蓝色谱图是圆盒本体,红色谱图是异物点。由于异物点为微米级别的薄膜,所以异物点的红外谱图是圆盒本体和异物点谱图的叠加,其中在3700-3100cm-1和1700-1600cm-1波数范围内有明显差异。利用布鲁克OPUS红外软件谱图差减功能可以得到异物点的红外谱图(红色),利用软件自带谱库进行检索,异物点与毛织物谱图(绿色)比较相近,见图5。可以排除异物来自于包装盒和晶圆本体。结合生产工序所涉及的辅料,推测该异物来自无尘棉,见图6。

图5 异物点差谱谱图

图6 无尘棉及对应谱图

在完成异物红外数据采集后,如何确定异物的成分对于异物分析十分重要,通常是用样品测量谱图与标准谱库数据进行比较,这样操作是比较方便,但实际效果不一定好。因为标准谱库谱图多来自于厂家或第三方公开产品数据,实际分析过程中有些原辅料非标准产品,谱库里不一定有对应谱图。所以我们建议客户在购买红外光谱仪之后,根据产线物料自建红外谱库。自建谱库和标准谱库相结合对待测异物进行定性分析,分析结果的准确性更有保证。布鲁克OPUS软件支持客户自建谱库和QC比较方法,还可以根据客户需求进行聚类分析和建模数据处理等,较大程度保留客户二次开发操作权限。


北京实验室有Lumos II样机,欢迎感兴趣的客户提供样品亲自上机操作体验

联系方式:刘经理,13581697130.


注:

[1] https://www.hitachi-hightech.com/cn/

[2] https://www.rigaku.com/
[3] https://www.bruker.com/