表面分析是什麼？捕捉半導體製程缺陷必備！

勀傑科技整理

引言

根據字面上的意義來理解，「表面」就是物體跟外界相遇的部份。「分析物體的表面」，就是表面分析最粗略的解釋。

在材料科學、半導體產業、生物科學等領域，表面分析都扮演著關鍵的角色，除了透過表面分析了解物體表面的性質、形貌、組成以外，還能用以了解物體本身是否有缺陷、受污染等狀況。

在半導體產業，因為一切製程都是肉眼不可見的極精細作業，在製造過程中可能出現一些極小或極薄的奈米等級異物，或在封裝時才發現氧化或污染所成的電性異常，而這個時候，就必須使用到表面分析儀器來進行觀測與除錯，準確找出半導體製程缺陷。

本文將介紹表面分析的概念當中一個重要的分支 ─ 半導體缺陷分析。同時介紹一些常見的表面分析工具，包含SEM、XPS、AES、AFM 和 SIMS，以及這些工具在不同步驟中的應用。

如何透過表面分析，找出半導體缺陷分析！

第一步：透過SEM，優先觀察表面形貌與尺寸

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）

BSE、SE的FeO2顆粒圖像 — （(a)BSE、(b) SE的FeO2顆粒圖像 / 圖片來源：**勀傑科技**）

SEM是一種非常重要且廣泛應用的表面分析工具。它能夠觀察樣品表面的形貌和結構，同時進行尺寸量測。

SEM的運作原理是通過將電子束掃描在樣品表面上，當電子束與樣品表面相互作用時，產生的二次電子和背散射電子會被探測器擷取，形成一幅高解析度的影像。SEM也可搭配X射線能量散布分析儀（Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS）進行EDS元素分析。

結合SEM與EDS分析技術允許我們以非常高的放大倍率觀察樣品表面的微觀特徵，並且了解樣品的元素組成。

讓SEM表面分析觀察進行更順暢──樣品前製備處理
依據不同的觀察需求或情況，為了讓SEM表面分析影像更清晰，部分樣品會先進行前製備處理，再放到SEM下觀察。常見的樣品前製備情況及作法如下：

若是遇到不導電或導電性差的樣品，電子會累積在樣品表面產生電荷效應，造成SEM的觀測影像不清晰、扭曲。這時在樣品表面先鍍上一層薄薄的導電性材料，就能觀測到正常清晰的SEM影像。

濺鍍

不導電樣品鍍金前後影像對照

離子研磨拋光 (CP)

用 SEM 進行表面分析時，為了讓樣品呈現更原始清晰的樣貌，可選擇非接觸性的離子研磨機進行表面拋光，以避免受應力破壞；此外，離子研磨也可做為傳統機械研磨的後續加工。

第二步：依觀測需求，選擇更進一步的表面分析工具

深層元素成分分析

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）

適用情況：欲取得樣品尚未鍍金前的污染源元素組成

原子力顯微鏡（AFM）的原理是通過在探針和樣品之間建立靜電力的相互作用，來觀測表面的特徵。這種技術允許我們以原子或分子的尺度觀察樣品表面的微小特徵。而其之所以適用於未鍍金前的樣品污染源，是因為原子力顯微鏡（AFM）跟掃描電子顯微鏡（SEM）有一些不一樣：

1. 成像原理不同：SEM使用電子束與樣品交互作用，產生表面形貌的影像，而AFM則是利用探針與樣品之間的相互作用力，可以實現非常高的表面解析度，並能夠提供三維的形貌資訊。

2. 導電性問題：部分不導電樣品如要使用SEM觀測，會需要對樣品進行濺鍍，雖然濺鍍後可使SEM成像清晰，但卻可能影響樣品的表面特性，尤其是對於表面汙染物的分析。而AFM不需要這種導電性處理，因此可以更接近真實的樣品表面特性。

氧化、腐蝕或污染之奈米薄膜鑑定以及確定其化學鍵結態

X射線光電子能譜學（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）

適用情況：大於10微米以上的表面、導電與非導電樣品均可

SEM雖然可和EDS結合，提供直徑小至奈米尺寸的區域進行元素分析，但很難偵測到最表面的幾個原子層，或者僅僅數奈米厚度的汙染（氧化、腐蝕）。

這時候，就會需要使用到XPS！XPS通過檢測樣品受到X射線輻射時產生的光電子，從而得出關於材料表面的化學信息。這對於研究氧化或腐蝕層的形成機制以及厚度變化等方面非常有用。XPS還可搭配縱深分析技術，進行氧化或腐蝕層的厚度分析。

另外因為激發源為X光，可以分析的範圍區域較大，特別適合用於樣品大於10微米以上的表面。

歐傑電子能譜儀（Auger Electron Spectroscopy，AES）

適用情況：小於10微米以上的表面、導電樣品

AES主要用於深層元素成分分析。在AES中，電子束照射在樣品表面上，當原子受到電子束激發時，會產生能量較低的俄歇電子（又稱歐傑電子）。

這些俄歇電子的能量可以用來分析樣品表面的元素成分，特別適用於深層元素成分分析，尤其是小於10微米的汙染物。並且它可以搭配氬離子濺蝕的XPS縱深分析技術，分析氧化或腐蝕層的厚度。

然而，AES分析非導體材料時，可能會發生表面充電的現象，這會干擾歐傑訊號的擷取，進而影響分析的精確度。相比之下，在進行SEM觀察時，可以在樣品表面鍍一層金屬做導電處理，從而避免這種現象的發生，但這卻使得AES無法分析絕緣樣品，這可說是AES的最大缺點之一。

了解污染物的化學鍵結態

XPS (X射線光電子能譜學)

適用情況：欲了解樣品化學鍵結資訊

在第一步，我們使用SEM（掃描電子顯微鏡）來觀察樣品表面的形貌和結構，同時進行尺寸量測。這可以直觀的看見樣品表面上是否有缺陷或有不該殘留的污染物。但SEM並沒辦法告訴我們樣品的化學鏈結資訊。

這是因為SEM是用電子束來掃描物質表面，透過電子與樣品間的交互作用所產生的信號來顯示成像。而 XPS（X射線光電子能譜）使用X射線照射物質表面，然後觀察被激發出來的光電子。這些光電子的能量和數量可以提供有關表面元素和分子結構的資訊。透過分析光電子的能量分布，我們可以知道物質表面有哪些元素，以及元素之間的化學鍵結情況。

當樣品有腐蝕或氧化、變質等情況時，就必須使用XPS來找出樣品表面化學成分的異常（包括元素種類、化學鍵結態等）才能更全面的揪出缺陷的主因。

黃光/蝕刻製程等高分子有機化合物定性分析

二次離子質譜分析儀（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）

適用情況：絕緣有機材料分析

當需要分析有機化合物時，舉例：在半導體製程中，黃光、蝕刻製程或清洗後可能伴隨有機溶劑或光阻等殘留物），則可使用Secondary Ion Mass Spectrometry（SIMS，次級離子質譜法）來進行更近一步的分析。

SIMS 是一種表面分析技術，通過將離子束轟擊樣品表面，當離子束轟擊樣品表面時，它會將表面原子和分子的一小部分從表面擊飛，形成次級離子。這些次級離子具有特定的質量/電荷比，通過測量這些質量/電荷比，可以確定次級離子的來源元素或分子。這使得SIMS在有機化合物分析中非常有用。

跟SEM相比，前者僅通過電子束和材料的相互作用生成影像，所以無法識別化學結構或有機化合物的特定組成。而SIMS則能夠通過分析質譜圖譜中的質量/電荷比，確定有機化合物的存在並進行分析。對於複雜化合物的分析非常有優勢。

常見表面分析工具，一次看懂！

分析方式	特色	優點	缺點
SEM	觀察表面形貌和尺寸量測	– 提供高解析度的表面形貌和尺寸資訊- 可搭配EDS進行元素分析	– 搭配EDS，無法進行最表面元素分析- 不能提供化學鍵結資訊
XPS	深層成分、污染源、有機化合物分析，大於10微米以上的表面、導電與非導電樣品均可	– 分析深度較深，可進行表面化學組成和鍵結資訊- 適用於有機和無機材料-適用大於10微米的汙染物	– 分析區域有限，通常在幾微米內- 需要真空環境進行分析
AES	深層元素成分分析，適用於小於10微米以上的表面、導電樣品	– 具有極高的空間分辨率- 適用於金屬和半導體表面以及表面上的微量異物-適用小於10um汙染物	– 分析深度有限，僅限表面- 需要真空環境進行分析
AFM	觀察表面高低起伏形貌和尺寸量測，適合欲取得樣品尚未鍍金前的污染源元素組成時使用	– 提供高解析度的表面拓撲特徵觀察- 能在原子或分子尺度上進行表面分析	– 分析深度有限，僅限表面- 對於非導體材料進行分析時可能會有充電效應干擾
SIMS	分析表面成分和污染物，可以做比較深度的化學成分分析，以及絕緣有機材料分析	– 高靈敏度的分析技術，適用於絕緣材料和有機材料- 提供高分辨率的質譜分析資訊	– 分析深度有限，僅限表面- 需要真空環境進行分析