以螢光X射線微束技術進行UBM測量
Ryan Nelson, Thermo Electron Corp.
當晶片製造商依據國際半導體技術藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS)在縮小元件尺寸的同時，製造過程中的每一個部分都遭遇到材料上的挑戰。目前將信號從晶片向外傳輸時遇到的新挑戰是內連接線金屬與凸塊下金屬的接合問題，以及與晶片封裝導線架之間的接合問題。為了確保其高性能，金屬層的成分變的更複雜並且需要更嚴密的控制。除此之外，金屬疊層中每一層的厚度也由微米級降到奈米級。因此這些改變是為了更能符合經濟因素、材料性能以及環境管制的要求。
能量散佈式螢光X射線 (Energy dispersive X-ray fluorescence，EDXRF)是一個被廣為接受且非破壞性的量測技術，它可被用來測量金屬性多層材料的厚度與成分。近年來，EDXRF儀器發展的進步使得它具有更小點尺寸、高生產力、更佳的正確性以及精確性，因此對它的需求也明顯地增加了。藉由平行X射線達到小點尺寸以及能量強度，並配合高準度樣品定位技術，一種稱為微束XRF的新式EDXRF，可以使得今日內連接線與凸塊下金屬接合面上金屬膜的量測變為可行。
量測方法及儀器
在微束XRF中，由X射線管產生的能量束與被量測材料的內殼電子產生互相作用(圖一)。當內殼電子被激出時，會有外殼電子進來補位。這個內外殼間跳躍的能量差距以特徵螢光輻射的形式顯現。元素能射出的X射線能量的數目取決於原子數Z。具有較高原子數的元素具有較多的電子殼，因此會有較多不同的躍遷變化，這些可以用線序列來表示(圖二)。從N-、M-、L-殼向下躍遷到K-殼被定名為K-序列；從O-、N-、M-殼向下躍遷到L-殼被定名為L-序列；最後，從O-或N-殼躍遷下來的稱為M-序列。元素中從鈹到鉀(原子數4到19)只會激發K-序列；元素中從鈣到鋇(原子數20到56)會激發K-序列以及L-序列；元素從鑭到鈽(原子數57到94)會激發K-序列、L-序列及M-序列。
螢光微束X射線測量系統的基本設計包含了以X射線管產生主要X射線以激發樣品、平行光學模組將X射線的尺寸聚焦到20微米、高精準度樣品定位、X射線偵測、程序、分析電子學、以及用來決定尺寸從奈米到數十微米的單一疊層中各金屬層的厚度與成分的演算工具。
上述特徵組成中的任何一項對儀器的整體分析能力都具有影響性。比如說，其中一項關鍵點是X射線的平行化。與傳統針孔孔徑光學技術相比，聚合毛細管平行光學可達到千倍以上的X射線通量密度。這轉化成更高的偵測靈敏度以及更短的測量時間。
想對一個複雜的多層次系統的螢光序列進行可靠的偵測，例如在矽層上的金/鈀/鎳/銅 (Au/Pd/Ni/Cu)，需要的能量解析度只有以熱電致冷方式的固態偵測器，例如矽(鋰)或者矽飄移偵測器(SDD)，才能提供。
選擇的螢光序列對分析的靈敏度表現有所影響。比如，錫可以選擇K-或L-序列以分析數據。圖三顯示基於所選擇的序列所計算的靈敏度以及最高量測厚度範圍。相對強度變化的定義是：
其中 I (Sn)d表示厚度d的錫層的測量強度
I (Sn) 表示無限厚的錫層的測量強度
如果感興趣的厚度量測範圍是介於100奈米到4微米間，L-序列將提供比K-序列更好的偵測靈敏度。選擇K-序列對於錫層厚度超過4微米以上將具有優勢，因為它提供更寬廣的可量測厚度範圍。通常，L-與M-序列對非常薄的奈米等級的鍍膜而言具有更好的靈敏度。需要取捨的地方是這些序列對較厚的薄膜厚度並不是非常適用。
微束XRF之應用
凸塊下金屬化製程(Under-bump metallization，UBM)在晶片的金屬墊與用作覆晶內連接線到基板的銲錫凸塊之間構成一關鍵的介面。這種常用在搭配覆晶封裝的無鉛銲錫凸塊的UBM應用主要是金/釩化鎳/鈦/矽(Au/NiV/Ti/Si)。
圖四顯示一個樣品的光譜，以微束XRF系統*測試100奈米Au在450奈米NiV上，之下還有一層65奈米的Ti。V的濃度大約是9%。由於Ti的K-beta序列與V的K-alpha序列幾乎重疊，對於NiV層的分析，選擇了V的K-beta 序列。這個例子顯示具有高解析度的偵測器對分離樣品的資訊有多重要。
在30秒內重複十次測試，以下的相對標準差範圍可以被估計：Au介於1.5到3.0%，NiV介於0.5~1.0%，Ti介於1~2%。資料的可重複性可以藉由延長測試時間來獲得改善。當測試時間為60秒時，以上三個層次的準確度都獲得提升：Au<1%、NiV<0.5%、Ti介於1.0~1.3%。
除了量測層的厚度，NiV中V的成分也能被測出。在30秒的測量時間中，相對標準差小於5%。在60秒的測量時間中，這個值可以改善到小於2.5%。
用在微晶片封裝的預鍍導線架(pre-plated frames，PPF)具有比傳統鍍錫導線架多的優點。預鍍製程是為了避免在製造中使用鍍錫步驟，如此可降低半導體封裝的成本，同時它也成功地在無鉛銲錫製程中被驗證出來。PPF應用的典型層系統包含了一層光耀的Au上表層，接著是一層Pd層以及一層Ni層，厚度介於0.5~1.0微米。近來，Au上表層已被Au-Pd或是Au-Ag合金層所取代。
對於重複性以及可靠度的確認方面，我們也進行了量度計的重複性與可靠度(gage repeatability and reproducibility，GR&R)的測試，以分析操作者與儀器的變異。三位不同的操作者測量一個導線架樣品上十個不同的位置。這個步驟由各個操作員在三天內重複三次。結果對特定容忍值為0.3的相對GR&R值是7.01 %，這驗證了這個量測方法以及儀器在給定的容忍範圍下是準確的，並且是可重現的。
PPF製程**需要Au上表層的厚度以及成份分析資料。當L-序列被用來分析Ag及Pd時，必須用一種複雜的峰值逆疊積(deconvolution)演算法將資訊分離。圖五顯示從厚度標準為30.5奈米的AuAg、42奈米的Pd以及2225奈米的Ni層取得的光譜資料。Au的濃度確認為46wt%。
在30秒內進行五次量測，絕對標準差對Au而言是0.3奈米，對Pd而言是0.15奈米，對Ni而言是15奈米。Au濃度的不確定度在絕對值0.5wt%這個範圍。
結論
工業界對於更薄的鍍膜、更複雜的層系統以及更小的特徵尺寸的量測趨勢，正挑戰著傳統EDXRF技術。螢光X射線微束技術，結合了最新的偵測器技術，以及改良了計算能力與除錯演算法，使得它能夠符合工業界的需求。
基於測量任務的複雜性，儀器的組態已經調整成對應到每一種特別的應用，以達到最佳的特性。這包括了管線的種類、偵測器的種類、以及應用設置。藉由依照應用時所設定的組態，微束XRF將可以達到對準確性，以及可重覆性的要求，這對目前越來越凸顯的品質以及製程控制而言將是不可或缺的。SST-AP/Taiwan
附註
* MicroXR 微束XRF系統
** The Samsung Techwin pgrade ?PPF?
作者
Ryan Nelson，應用工程師，聯絡方法為Thermo Electron Corp. 5225 Verona Road, Madison, WI 5377-4495；電話：608/276-6100；電子郵件信箱：Ryan.nelson@thermo.com。請聯絡作者以取得完整的參考文獻清單。
圖一：源與樣品間互相作用：螢光X射線過程。
圖二：原子內電子躍遷對應到有分析價值的X射線光譜線。