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材料分析技术在集成电路制程中的应用 谢咏芬、何快容 HYPERLINK 1/micro/chap11/ch11-1.html 11-1 简介 在现今的微电子材料研究中，各式各样的分析仪器通常被用来协助技术开发 (Technology Developement)、制程监控 (Process Monitoring)、故障分析 (Failure Analysis)、和进行产品功能异常侦错 (Products Debug) 等研究 (请见 HYPERLINK 1/micro/chap11/fig/fig11-1-1.jpg 图11-1-1)；本章将简要叙述各种分析仪器的工作原理、分辨率、和侦测极限，并以典型的实例来说明这些分析技术在半导体组件制造中的应用。 图11-1-1 ??????? 有关微电子材料的分析技术可以概分为结构分析(物性)与成份分析(化性)两大类，常见的仪器计有光学显微镜 (Optical Microscope, OM)，扫描式电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM)，X光能谱分析仪 (X-ray Spectrometry)，穿透式电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)，聚焦式离子束显微镜 (Focused Ion beam, FIB)，X光绕射分析仪 (X-ray Diffractometer, XRD)，扫描式欧杰电子显微镜 (Scanning Auger Microscope, SAM)，二次离子质谱仪 (Secondary ion Mass Spectrometry, SIMS)，展阻量测分析仪 (Spreading Resistance Profiling, SRP)，拉塞福背向散射质谱仪 (Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS)，和全反射式 X-光萤光分析仪 (Total Reflection X-ray Fluorescence, TXRF)等十几种之多，请见 HYPERLINK 1/micro/chap11/fig/fig11-1-2.jpg 图11-1-2。 目前在IC工业中，无论是生产线或一般的分析实验室中，几乎随处可见到光学显微镜，然而对各类的 IC 组件结构观察或日常的制程监控，最普遍的分析工具仍是扫描式电子显微镜；近几年来，由于组件尺寸微小化 (Device Miniaturization) 的趋势已步入深次微米 (Deep Sub-Micron) 的世代，许多材料微细结构的观察都需要高分辨率 (Resolution)的影像品质，穿透式电子显微镜的重要度自然日益提高；但是在进行组件故障或制程异常分析时，往往需要定点观察或切割局部横截面结构，以便确认异常发生的时机或探讨故障的真因，因此聚焦式离子束显微镜 (Focused Ion Beam, FIB) 应运而生，这项分析技术近五年来蓬勃发展，提供了定点切割技术 (Precisional Cutting)、自动导航定位系统 (Auto Navigation System)、和立即蒸镀和蚀刻 (In-Situ Deposition and Etching) 等功能，大大的满足了各类定点观察的需求，同时也带来了其它像线路修补 (Circuit Repair)、布局验证 (Layout Verification) 等多样化的功能，使得各类分析的进行减少了试片制备的困扰，同时对定点分析的能力可提升到 0.1 um 以下的水准。 图11-1-2 ?? ? 在成份分析方面，附加在扫描式电子显微镜上的 X光能谱分析仪，当然是最简便的化学元素分析仪器，其使用率一直也是所有元素分析仪器当中最高的；然而因为有限的侦测浓度和可侦测的元素范围，对微量的成份或表面污染，需借重二次离子质谱仪或全反射式 X光萤光分析仪，而对纵深方向 (Depth Profiling) 的元素分布，则需利用拉塞福背向散射质谱仪、扫描式欧杰电子显微镜或二次离子质谱仪才能完成；此外，若是要对结晶材料 (Crystalline Materials) 的晶体结构或原子排列方向作深入的分析，则可以利用X光绕射分析仪或穿透式电子显微镜的电子绕射图样 (Electron Diffraction Pattern)作进一步的研究。 ??? 对于各种分析仪器的基本原理，简要来说，一般显微镜的系统，多是利用光学镜片或电磁场来偏折或聚焦带能量的粒子束（例如：可见光、电子、离子、X光），借着粒子束与物质的作用，激发出各类二次粒子（例如：可见光、二次电子、背向散射电子、穿透式电子、绕射电子、二次离子、特性 X光、绕射 X光、欧杰电子、光电子、背向散射离子、萤光等），侦测