印制电路板表面沾污表征技术*

徐建 陈永康 郝萍 周莹 吴立敏 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

在半导体器件生产过程中，经常会遇到成品率不高，产品稳定性、可靠性差等问题，成因虽为多方面，但影响器件成品率、可靠性、稳定性等质量问题的一个重要原因通常是器件表面沾污。半导体等功能器件在生产过程中，材料表面可能会引入各种颗粒、金属离子、有机物及残留的磨料颗粒等沾污杂质，对半导体器件的性能造成致命影响和导致缺陷，极大地降低产品合格率，并制约器件的进一步发展。半导体器件表面沾污的精确分析，对查找失效原因，改进制造工艺和提高产品良品率具有重要意义。

扫描电子显微镜和X射线能谱分析（SEM&EDS）组合作为当前应用最为广泛的显微分析仪器，能同时快速地对试样微区范围内的所含元素进行定性、定量分析。SEM&EDS 在定性、定量分析时，通常是利用束径1～10 μm的高能电子束，激发出试样微米范围内的各种信息，进行成分、形貌等分析。

X射线电子能谱（XPS）利用软X射线激发样品电子能量谱，主要用于分析样品表面元素及其化学态，是表面分析中最有效、应用最广泛的技术之一。这主要因为XPS表面灵敏度高，可同时提供元素定性、定量和化学态信息。随着电子能谱仪器研发制造技术的发展以及对应分析技术的需求，近年来，高灵敏度单色化XPS、小面积XPS和成像XPS倍受关注。成像XPS 技术指显示分析区域中材料表面的化学元素和化学状态分布所生成的信息图像，而微区XPS分析是缩小分析面积，从而使空间分辨力提高。如今，成像XPS 技术与微区XPS 分析技术在空间分辨力方面都得到了显著提高，特别当材料样品表面成分存在不均匀分布情况时，利用成像XPS 技术能够快速检测样品表面，最高空间分辨力达1 μm。根据材料样品中不同化学信息在分布表征上的差异，通过对选定区域进行XPS 微区分析，最终获得指定微区内材料表面不同化学信息的分布谱图。成像XPS技术不仅能够对化学元素进行成像显示，还能对相同元素在不同环境中的化学态分布进行成像显示。这些功能在微电子器件和薄膜器件的表面污染分布、金属偏析及高聚化合物表面研究等方面，具有较好的应用前景。

本文围绕如何有效测量印制电路板表面沾污问题，通过选用扫描电子显微镜联合X射线能谱分析和XPS能谱分析结合平行成像技术两种手段，对印制电路板表面沾污区域进行了分析，并比较和解析两种方法获得的测量结果，结果表明，采用XPS能谱分析结合平行成像技术对分析印制电路板器件表面沾污更为有效。

样品选用FEI公司Nova NanoSEM 450场发射扫描电子显微镜、OXFORD公司的 51-XMX1154 X射线能谱仪和岛津Kratos AXIS Ultra DLD 型X射线电子能谱仪进行表面沾污分析。

1 SEM＆EDS测试

选取同一印制电路板样品的铜丝区域采用SEM＆EDS进行污染物分析，测试完成后取出样品并进行XPS能谱分析，测试中尽量保证样品表面不引入其他污染物。测试结果见图1和表1。由图1可见，铜丝表面存在少许颗粒状污染物，通过对选定区域进行EDS能谱分析可知，铜丝除了主成分Cu元素之外，还有C、O、Fe等元素存在。由表1中EDS分析结果可知，样品表面主要污染元素为C和O，并且C元素的污染程度高，C和O污染元素原子百分含量之和已超过所有检出元素的35%，表面污染较严重。

表1 印制电路板铜丝EDS分析结果

图1 印制电路板上铜丝扫描电子显微图像以及EDS能谱分析

2 XPS能谱和平行成像分析

样品引入的C和O元素沾污在工艺过程中非常常见，但这是否为造成器件失效的主要因素还需进一步加以验证，选用XPS能谱分析结合平行成像技术对样品再进行深入分析。具体分析步骤为：（1）在样品完成SEM＆EDS测试后，立刻进行XPS能谱分析，中间不作停留，尽量减少再次引入污染源的可能。（2）选取SEM＆EDS分析中的测试位置进行XPS能谱和元素平行成像分析；（3）在获得XPS能谱和平行成像分析测试结果后，选用XPS能谱仪附带的氩离子刻蚀枪清洁样品表面，在5 keV功率下对样品表面刻蚀30 s后再次进行XPS能谱分析。测试结果见图2、图3和表2所示。

表2 印制电路板铜丝样品经氩离子枪刻蚀清洁前后的表面元素含量

图2 印制电路板铜丝表面XPS能谱图

图3 印制电路板金属铜丝表面元素平行成像（选区面积为 ：400 μm×400 μm）

图2（a）为样品经氩离子枪刻蚀清洁前后的XPS全扫描谱图。由此可见，未经过刻蚀清洁的样品表面含有C、N、O、F、Cu元素，由表2中XPS表面元素定量结果可知C、O和F元素污染特别严重，三种元素含量之和占所有检出元素的95%左右。并且与SEM＆EDS结果相比，除了检出污染元素C和O外，还检出了污染元素F，且F元素原子百分含量较高，达到了9.45%。基于两种技术测量结果的差异，F元素未能在SEM＆EDS测试中检出，却在XPS分析中检出，且具有一定含量。分析造成这两种测试结果差异的原因是污染层可能仅存在于样品的最表面。为了验证这个设想，通过刻蚀清洁沾污样品表面，在5 keV功率下对样品表面刻蚀清洁30 s，预估样品表面被减薄约2 nm左右的超薄层后，再次进行XPS分析。由图2（a）中经氩离子枪刻蚀清洁前后的XPS全扫描谱图可以发现，刻蚀前后各元素峰强度变化明显，Cu 2p元素峰强度骤升，Cu元素含量由4.46%上升到53.17%，C 1s、O 1s和F 1s元素峰强度下降明显，C元素含量由66.01%下降到37.69%，O元素含量由19.56%下降到3.36%，F元素含量由9.45%下降到3.63%。由此可知，C、O、F污染物元素主要存在于样品表面，与设计刻蚀清洁实验之前的假设一致，也进一步解释了本文通过SEM＆EDS分析和XPS分析导致测试结果差异较大的原因，在于EDS分析探测深度相对较深，通常在微米尺度范围，而XPS能谱分析探测深度非常浅，通常不大于10 nm，仅有几个纳米厚度范围。

图2（b）（c）（d）给出了印制电路板铜丝表面污染C、O和F元素窄扫描谱图，并分别作了谱峰拟合，用来分析确定污染元素的化学态。图2（b）C 1s窄扫描谱图拟合成4个C 1s谱峰，峰位分别为284.8 eV、286.1 eV、288.5 eV和290.8 eV，分别对应有机物中碳-碳、碳-氧和碳-氟键的结合能，图2（c）（d）中O 1s和F 1s窄扫描谱图均拟合为1个谱峰，峰位分别为531.8 eV和688.2 eV，分别对应碳-氧和碳-氟键的结合能，与C 1s拟合峰结果相互印证。表明铜丝表面污染物主要为含C、O、F元素的有机污染物。

通过XPS分析获知印制电路板铜丝表面的污染源主要含C、O和F元素等有机污染物，选择XPS元素平行成像对选定的印制电路板铜丝表面区域进行分析，进一步确定污染元素在样品表面的分布情况（见图 3）。成像范围设置为 400 μm×400 μm。由C、O和F元素平行成像谱图可知，三种污染元素在样品表面分布区域趋于一致，这对XPS能谱分析结果污染源为C、O、F有机物给出了有力佐证。从三种元素像在样品表面的分布情况分析可知，污染元素为不均匀分布。

利用XPS能谱联合平行成像技术对印制电路板铜丝污染表面进行了全面的分析，获得了科学可信的测量结果，即含C、O和F元素的有机物污染应是引起样品失效的真正原因。

3 结语

通过选用SEM＆EDS分析和XPS能谱分析结合平行成像技术分析印制电路板表面污染区域，结果表明，两种技术手段获得的测量结果存在较大差异。通过进一步解析，发现由于污染层厚度非常薄，采用XPS能谱分析结合平行成像技术对分析印制电路板器件表面沾污更具技术优势。

当半导体等功能器件尺寸越来越小时，采用SEM＆EDS技术可以清晰地分析器件样品的缺陷。但是，在实际半导体等功能器件表面污染的失效分析中，污染层通常非常薄且分布不均匀，往往仅有几个纳米厚度，要做到准确检测表面沾污的组成与元素化合态，同时又希望不破坏样品表面时，SEM＆EDS等仪器分析则大大受限。这时，XPS能谱分析因其在表面分析中探测深度通常不大于10 nm的优势，则能轻松实现对表面沾污的有效解析。同时，配合XPS平行成像分析技术，可以很清楚地了解各污染元素在器件表面上的分布情况，对深入分析功能器件的失效机制给予很好的补充，也为实现对样品精确质量控制和分析失效机制，进而为不断优化产品工艺和技术提供有力的技术支撑。

当然，XPS在开展半导体等功能器件表面污染分析时，由于仪器分析区域受限在微米尺度范围等原因，对于亚微米甚至纳米尺度的表面沾污分析测量，存在较大难度。如果样品是导体或者半导体样品，则选择俄歇电子能谱（AES）技术进行表面污染物分析更为合适。