可靠性試驗(yàn)常用的顯微分析技術(shù)

 1．光學(xué)顯微鏡分析技術(shù)

    光學(xué)顯微鏡是進(jìn)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(shù)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(shù)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(shù)是連續(xù)可調(diào)的，而金相顯微鏡可通過變化不同倍數(shù)物鏡來改變放大倍數(shù)，以適應(yīng)觀察不同倍數(shù)的需要。立體顯微鏡和金相顯微鏡的結(jié)合使用，可以用來進(jìn)行器件的外觀以及失效部位的表面形狀，分布，尺寸，組織，結(jié)構(gòu)，缺陷和應(yīng)力等觀察，如觀察分析芯片的過電應(yīng)力下的各種燒毀與擊穿現(xiàn)象，引線內(nèi)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(xué)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(shù)

    紅外顯微鏡的結(jié)構(gòu)與金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)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(jìn)行觀察的紅外顯微鏡分析技術(shù)。由鍺，硅等半導(dǎo)體材料及薄金屬層對(duì)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(yōu)點(diǎn)。利用紅外顯微鏡，不用剖切器件的芯片就能觀察芯片內(nèi)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(dǎo)體的失效分析。    紅外顯微分析法是利用紅外顯微分析技術(shù)對(duì)微電子器件的微小面積進(jìn)行高精度非接觸測(cè)溫方法。器件的工作情況以及失效會(huì)通過熱效應(yīng)反應(yīng)出來，例如器件的設(shè)計(jì)不當(dāng)，材料缺陷，工藝差錯(cuò)等都會(huì)造成器件內(nèi)部的溫度不均勻，局部小區(qū)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(duì)于大規(guī)模集成電路，熱點(diǎn)可以小到幾十微米，甚至更小，所以測(cè)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(xué)性能，測(cè)溫又必須是非接觸式的。找出這些熱點(diǎn)，并用非接觸式的方法高精度的測(cè)溫，對(duì)產(chǎn)品的合理設(shè)計(jì)，制造工藝的工程控制，失效分析可靠性檢驗(yàn)等，都具有十分重要的意義。

    微電子器件微小目標(biāo)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(cè)器上。紅外探測(cè)器把接收到的輻射能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，把探測(cè)器輸出的電信號(hào)加工處理，最后就能指示出該微小點(diǎn)的溫度。光學(xué)分為兩個(gè)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(tǒng)，以便對(duì)器件的微小目標(biāo)進(jìn)行肉眼觀察?；鶞?zhǔn)光源和光敏管構(gòu)成基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生器，使電路能采用相敏檢波，從而提高系統(tǒng)性能。利用紅外顯微鏡從塑封半導(dǎo)體器件的背面，透過硅襯底，觀察芯片表面。這樣就會(huì)觸及芯片的表面，也會(huì)存在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的問題，因而不會(huì)引入新的失效模式，克服解剖技術(shù)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(diǎn)界面的情況，如觀察金鋁鍵合的界面或鍵合點(diǎn)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(fā)出的電子束，經(jīng)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(chǎng)作用下，入射到試樣表面并在表面按一定的時(shí)間-空間順序作光柵式二維逐點(diǎn)掃描，入射電子與固體電子表面相互作用產(chǎn)生的二次電子等信號(hào)，由在試樣旁邊的監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)線圈和電鏡鏡筒中掃描電流是嚴(yán)格同步的，所以由檢測(cè)器對(duì)樣品表面逐點(diǎn)檢測(cè)的信息與顯像管管上的相應(yīng)點(diǎn)的亮度是一一對(duì)應(yīng)的，從而在熒光屏上產(chǎn)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(tài)。

    電子探針X射線顯微分析技術(shù)，又稱電子探針。它主要運(yùn)用特征X射線來進(jìn)行成分分析。其特點(diǎn)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(tài)種組成因受激發(fā)而發(fā)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(cè)定這些X射線的頻率的高低與強(qiáng)度，就可以進(jìn)行試樣成分的定量或定性描述。所以又稱X射線發(fā)射頻譜(XES)分析，其工作原理與SEM相近，僅利用電子束產(chǎn)生的不同信息，所以電子探針多以電鏡的附件方式出現(xiàn)，使SEM不僅可以進(jìn)行表觀的形貌分析，還可以同時(shí)進(jìn)行微區(qū)成分分析，提高其利用價(jià)值。按探測(cè)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(jié)構(gòu)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(jì)算，還可以選擇不同的方式進(jìn)行分析，既可以選點(diǎn)，線及區(qū)域進(jìn)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(jù)布拉格定律通過衍射晶體把從樣品上激發(fā)出來的某一波長的特征X射線檢測(cè)出來的。不僅能檢測(cè)輕元素，而且檢測(cè)靈敏度一般比EDX高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。不足的是檢測(cè)速度比EDX慢，而且受分光器數(shù)目的的限制，很難同時(shí)檢測(cè)多個(gè)元素，幾乎是逐個(gè)分別進(jìn)行的。  4．聲學(xué)掃描顯微分析技術(shù)

    超聲波可以在傳導(dǎo)波的金屬，陶瓷和塑料等均質(zhì)材料中傳播。使用高頻聲波束可檢測(cè)材料表面和表面下的斷裂處，可檢測(cè)材料多層結(jié)構(gòu)完整性等較宏觀的缺陷，超聲波檢測(cè)在重工業(yè)中早有運(yùn)用。它是很有效的檢測(cè)缺陷，進(jìn)行失效分析的有效工具之一。將超聲波檢測(cè)技術(shù)與先進(jìn)的光，機(jī)，電技術(shù)相融合，發(fā)展聲學(xué)掃描顯微分析技術(shù)。

    聲學(xué)顯微鏡已成為無損檢測(cè)技術(shù)中發(fā)展最快的技術(shù)之一。這種新技術(shù)在檢測(cè)材料的性能，內(nèi)部缺陷方面具有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能觀察到光學(xué)顯微鏡無法透視的樣品內(nèi)部區(qū)域，能提供X射線透視無法看到的高襯度區(qū)，特別能適應(yīng)用于不適合使用破壞性物理分析的場(chǎng)合。

    有三種不同的聲學(xué)掃描顯微鏡：掃描激光聲學(xué)顯微鏡(Scanning Laser Acoustic Microscope，SLAM)，掃描聲學(xué)顯微鏡(Scanning Acoustic Microscope， SAM),C型掃描聲學(xué)顯微鏡(C-Mode Scanning Acoustic Microscope ，C-SAM)。SALM是一種透射式的聲學(xué)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(shí)時(shí)”像，能觀察到樣品內(nèi)的所有區(qū)域，主要用于管芯粘結(jié)，引線鍵合，材料多層結(jié)構(gòu)完整性等檢測(cè)。C－SAM是一種反射式掃描聲學(xué)顯微鏡，能觀察到表面下幾毫米的區(qū)域。如圖3-5所示為一聲學(xué)掃描顯微鏡和其觀察到的分層想象