可靠性試驗常用的顯微分析技術

 1．光學顯微鏡分析技術

    光學顯微鏡是進行電子元器件，集成電路失效分析的主要工具之一。在失效分析中使用的顯微鏡主要有立體顯微鏡和金相顯微鏡。立體顯微鏡大放大倍數較低，從幾倍到上百倍都有，但景深大；金相顯微鏡的放大倍數較高，從幾十倍到一千多倍，但景深較小。立體顯微鏡的放大倍數是連續可調的，而金相顯微鏡可通過變化不同倍數物鏡來改變放大倍數，以適應觀察不同倍數的需要。立體顯微鏡和金相顯微鏡的結合使用，可以用來進行器件的外觀以及失效部位的表面形狀，分布，尺寸，組織，結構，缺陷和應力等觀察，如觀察分析芯片的過電應力下的各種燒毀與擊穿現象，引線內外鍵合情況，芯片裂紋，沾污，劃傷，氧化層缺陷及金屬層腐蝕情況等。如圖3-2所示為一光學顯微鏡和用它觀察的芯片裂紋情況(圖中箭頭所示)。 

2．紅外顯微鏡分析技術

    紅外顯微鏡的結構與金相顯微鏡的結構相似，但是紅外顯微鏡采用近紅外(波長在0.75-3μm)輻射源作光源，并用紅外變像管成像進行觀察的紅外顯微鏡分析技術。由鍺，硅等半導體材料及薄金屬層對近紅外光是透明的，所以紅外顯微鏡具有金相顯微鏡無法比擬的優點。利用紅外顯微鏡，不用剖切器件的芯片就能觀察芯片內部的缺陷和芯片的焊接情況。紅外顯微鏡特別適合于塑料封裝半導體的失效分析。    紅外顯微分析法是利用紅外顯微分析技術對微電子器件的微小面積進行高精度非接觸測溫方法。器件的工作情況以及失效會通過熱效應反應出來，例如器件的設計不當，材料缺陷，工藝差錯等都會造成器件內部的溫度不均勻，局部小區域溫度比平均溫度高的多，這種熱集中直接影響器件的安全使用和壽命。對于大規模集成電路，熱點可以小到幾十微米，甚至更小，所以測溫必須是微小面積。而且，為了不破壞器件的工作狀況和電學性能，測溫又必須是非接觸式的。找出這些熱點，并用非接觸式的方法高精度的測溫，對產品的合理設計，制造工藝的工程控制，失效分析可靠性檢驗等，都具有十分重要的意義。

    微電子器件微小目標本身的熱輻射由主反射鏡和次反射鏡收集，并聚集到紅外探測器上。紅外探測器把接收到的輻射能轉化為電信號，把探測器輸出的電信號加工處理，最后就能指示出該微小點的溫度。光學分為兩個通道，由分色片分開。分色片通過紅外光，而把可見光反射到目鏡系統，以便對器件的微小目標進行肉眼觀察。基準光源和光敏管構成基準信號產生器，使電路能采用相敏檢波，從而提高系統性能。利用紅外顯微鏡從塑封半導體器件的背面，透過硅襯底，觀察芯片表面。這樣就會觸及芯片的表面，也會存在熱應力和機械應力的問題，因而不會引入新的失效模式，克服解剖技術給失效分析帶來的困難。此外，從樣品背面也能觀察到鍵合點界面的情況，如觀察金鋁鍵合的界面或鍵合點下的氧化層及硅襯底中的缺陷。如圖3-3所示為一紅外分析儀器和小空洞的紅外成像圖片。 3．SEM和EDX

    掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)。其工作原理與電視相似，從電子槍發出的電子束，經聚光鏡和物鏡的作用，是束斑縮小并形成聚焦良好的電子束，在掃描線圈的磁場作用下，入射到試樣表面并在表面按一定的時間-空間順序作光柵式二維逐點掃描，入射電子與固體電子表面相互作用產生的二次電子等信號，由在試樣旁邊的監測器接收，所帶信息送入視頻放大器放大，然后加到顯像管的柵極上，以控制顯像管的亮度。由于顯像管的偏轉線圈和電鏡鏡筒中掃描電流是嚴格同步的，所以由檢測器對樣品表面逐點檢測的信息與顯像管管上的相應點的亮度是一一對應的，從而在熒光屏上產生放大了的試樣表面的圖像，供研究和照相用。如圖3-4所示為以SEM和其觀察到的引線鍵合金屬間化合物形態。

    電子探針X射線顯微分析技術，又稱電子探針。它主要運用特征X射線來進行成分分析。其特點是聚焦好。具有一定能量的電子束照射到樣品上，樣品中各 掃描電子顯微鏡以及IMC形態種組成因受激發而發射各自的特征X射線。通過特征X射線可以的確定元素的種類。測定這些X射線的頻率的高低與強度，就可以進行試樣成分的定量或定性描述。所以又稱X射線發射頻譜(XES)分析，其工作原理與SEM相近，僅利用電子束產生的不同信息，所以電子探針多以電鏡的附件方式出現，使SEM不僅可以進行表觀的形貌分析，還可以同時進行微區成分分析，提高其利用價值。按探測的能量譜和X射線波長衍射譜的兩種方法，X射線譜儀包括X射線能量色散譜(EDX或EDS)儀和X射線波長衍射譜(WDX或WDS)儀。EDX利用元素的原子結構不同，特征X射線的波長也不同，按其能量展開得到能譜圖。能譜儀具有分析速度快，可做定量計算，還可以選擇不同的方式進行分析，既可以選點，線及區域進行分析，還可以作不同元素的面分布圖，可在束流低，束斑小的條件下工作，空間分辨率好，但不及波譜圖，也不能分析比Na離子輕的元素。WDX是根據布拉格定律通過衍射晶體把從樣品上激發出來的某一波長的特征X射線檢測出來的。不僅能檢測輕元素，而且檢測靈敏度一般比EDX高出一個數量級。不足的是檢測速度比EDX慢，而且受分光器數目的的限制，很難同時檢測多個元素，幾乎是逐個分別進行的。  4．聲學掃描顯微分析技術

    超聲波可以在傳導波的金屬，陶瓷和塑料等均質材料中傳播。使用高頻聲波束可檢測材料表面和表面下的斷裂處，可檢測材料多層結構完整性等較宏觀的缺陷，超聲波檢測在重工業中早有運用。它是很有效的檢測缺陷，進行失效分析的有效工具之一。將超聲波檢測技術與先進的光，機，電技術相融合，發展聲學掃描顯微分析技術。

    聲學顯微鏡已成為無損檢測技術中發展最快的技術之一。這種新技術在檢測材料的性能，內部缺陷方面具有其他技術無法比擬的優點。它能觀察到光學顯微鏡無法透視的樣品內部區域，能提供X射線透視無法看到的高襯度區，特別能適應用于不適合使用破壞性物理分析的場合。

    有三種不同的聲學掃描顯微鏡：掃描激光聲學顯微鏡(Scanning Laser Acoustic Microscope，SLAM)，掃描聲學顯微鏡(Scanning Acoustic Microscope， SAM),C型掃描聲學顯微鏡(C-Mode Scanning Acoustic Microscope ，C-SAM)。SALM是一種透射式的聲學掃描顯微鏡，工作速度較快，能以每秒30幅的速度在高分辨率的熒光屏上顯示樣品的“實時”像，能觀察到樣品內的所有區域，主要用于管芯粘結，引線鍵合，材料多層結構完整性等檢測。C－SAM是一種反射式掃描聲學顯微鏡，能觀察到表面下幾毫米的區域。如圖3-5所示為一聲學掃描顯微鏡和其觀察到的分層想象