微波半導體器件可靠性的電子顯微分析_圖文

1、電子科技大學碩士學位論文微波半導體器件可靠性的電子顯微分析姓名：呂德春申請學位級別：碩士專業(yè)：材料學指導教師：包生祥20090501摘要摘要隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，電子整機系統(tǒng)的工作頻率越來越高，微波半導體器件在各領域的應用日益廣泛，而在使用過程中出現(xiàn)的質量問題和可靠性問題也日益增多，有些已造成了生產(chǎn)方和使用方的巨大經(jīng)濟損失，直接影響了整機系統(tǒng)的可靠性。在這種趨勢下，如何進一步改善和提高微波半導體器件的可靠性水平已經(jīng)成為一個不容忽視的問題，并得到越來越普遍的重視。本論文采用掃描電子顯微鏡和電子探針能譜儀為主要的研究手段，研究了微波半導體器件的失效分析方法，對微波半導體器件的金鋁鍵合進行了可靠性

2、試驗，對肖特基二極管的工藝流程進行監(jiān)控，對失效的微波半導體器件進行了分析，綜合運用電子顯微分析方法，找出了失效原因并提出改進措施，取得了如下的成果。（）分析樣品的制備：樣品的制備應根據(jù)試驗目的的不同而方法各異，導電性不好的樣品，如果觀察的重點是元素的組成應選擇噴碳；如果觀測的重點是二次電子形貌像則應噴金，同時噴鍍的時間根據(jù)樣品表面的平整度和放大倍數(shù)不同而各異。開封檢測時應根據(jù)樣品的特性選擇不同的腐蝕液。（）掃描電子顯微鏡二次電子圖像質量的提高：針對不同的樣品，采用各自適當?shù)募铀匐妷海粚τ诟弑队^察，宜選擇較小的束斑尺寸而低倍觀察則恰好相反；可以通過導電法、降低電壓法和快速觀測法來減少荷電效應，由

3、多個影響因素的聯(lián)合調(diào)節(jié)才可獲得最清晰的二次電子像。（）電子探針能譜定量分析結果的改進：對樣品分析時要選擇合適的加速電壓，分析微區(qū)和收集時間，同時避免點分析引入碳污染；能譜分析時都需要校準，根據(jù)樣品的不同選擇不同的校準樣品，使得感興趣區(qū)域能夠覆蓋所有的譜峰；運用可視化峰剝離技術能較快識別出重疊譜峰，得到準確的定量分析結果。（）微波半導體器件金鋁鍵合可靠性的研究：通過樣品的制備、剪切力測試、切片分析和電子顯微分析證實了金屬間化合物的消長及空洞的形成機制；剪切力強度的退化和形成空洞的程度有密切的關系；空洞的產(chǎn)生，會造成鍵合點的退化，使空洞加劇，形成裂痕，導致，與分離而失效；高溫存儲釋放出鹵族元素離子

4、形成不穩(wěn)定鋁的鹵化物，在與共晶層間的內(nèi)表面形成空洞，導致焊點脆弱或開路，塑封料的元素構成也是導致器件失效的原因之一。（）微波半導體器件失效樣品的案例分析：從理論和工藝兩個方面對器件失效摘要的主要因素進行了探討，總結歸納了微波半導體器件的主要失效原因以及產(chǎn)生這些失效原因的機理，在此基礎上，針對反映出的問題提出了切實可行的改進措施。關鍵詞：器件，可靠性，失效分析，掃描電鏡，電子探針能譜儀，：（），（）曲，（），（），曲，（），：，獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究

5、成果，也不包含為獲得電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。虢顯島匙日期彳釓肌日關于論文使用授權的說明本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權電子科技大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定）簽名：導師簽名：第一章緒論選題背景與研究目的第一章緒論世紀人類進入了電子信息時代，由于科學技術的迅速

6、發(fā)展，無論是軍事裝備，還是民用系統(tǒng)的電子用品，性能日益先進，結構日益復雜，使用環(huán)境也更多變。不管是軍用還是民用的電子產(chǎn)品均要求高可靠性或超高可靠性，進而對每個裝置中所使用的微波半導體器件的可靠性都提出了更高的要求【卜】。隨著微波工程的迅速發(fā)展，微波半導體器件在現(xiàn)代電子裝備中所起的作用日益重要，已成為科技發(fā)展的關鍵和核心，其可靠性水平對整機系統(tǒng)的重要性是不言而喻的。在這種發(fā)展趨勢下，如何進一步改善和提高微波半導體器件的可靠性水平已成為一個不容忽視的問題，并得到越來越普遍的重視。電子顯微分析是微波半導體器件可靠性不可缺少的分析技術【】。為了提高微波半導體器件的質量與可靠性，電子顯微分析技術不斷推陳

7、出新，經(jīng)過幾十年的奮斗采取了諸多有效的方式方法，使得微波半導體器件可靠性得到穩(wěn)步提高。但是，我們也應該看到，我國軍用微波半導體器件的質量和可靠性與國際水平相比還比較落后。部分器件產(chǎn)品的質量隱患仍然存在，一些過去常見的失效模式還時有發(fā)生，管理問題和低層次問題比較突出，少數(shù)產(chǎn)品暴露出來的質量問題觸目驚心。微波半導體器件的質量和可靠性已經(jīng)成為武器裝備建設的“瓶頸和“卡脖子問題，值得我們深刻反思【。例。目前，電子顯微分析己作為微波半導體器件可靠性工程的一個關鍵技術環(huán)節(jié)，通過顯微分析，查找原因，采取補救和預防措施，再反饋于生產(chǎn)，使失敗轉化為成功【卜】。電子顯微分析既是電子裝備安全可靠運行的保證，也是提高

8、產(chǎn)品質量的重要途徑。其分析結果不但為微波半導體器件設計改進、材料選擇、工藝優(yōu)化、質量與可靠性控制以及使用條件等提供依據(jù)，而且通過這些作用必將促進新產(chǎn)品、新材料和新工藝的發(fā)展。微波半導體器件及應用工作在微波波段（頻率為）的器件，稱為微波器件【】。微電子科技大學碩士學位論文波器件按其功能可分為微波振蕩器、功率放大器、混頻器、檢波器、微波天線、微波傳輸線等；微波器件按其工作原理和所用材料、工藝不同，又可分為微波電真空器件、微波半導體器件、微波集成電路和微波功率模塊。微波半導體器件包括微波晶體管和微波二極管，具有體積小、重量輕、可靠性好、耗電省等優(yōu)點【】。隨著微波工程的迅速發(fā)展，微波半導體器件正得到越

9、來越廣泛的應用。目前微波半導體器件主要用于如下一些科學技術領域【：（）在無線電偵察、干擾與反干擾等電子對抗技術中。（）雷達是一種廣泛使用的電子裝備，種類很多，需要采用從米波到毫米波的各種微波半導體器件，作為雷達設備的本振、混頻、檢波、高放和輸出發(fā)射級。（）導航與制導系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機中亦采用各種微波半導體器件（）微波通信是近代通信技術發(fā)展的重要成就，其中有中繼通信，超視距電離層、同溫層和對流層散射通信，遠距離波導傳輸通信及衛(wèi)星通信等各種通信方法。在各種微波通信設備中，都大量采用各種微波半導體器件。（）電視廣播，包括地面電視廣播和衛(wèi)星電視廣播，在地面接收站或接收機中，也要采用各種低功率、低噪聲

10、的微波半導體器件。（）空間技術中環(huán)繞地球飛行的人造衛(wèi)星及各種飛行器的電子系統(tǒng)，為了完成通信、氣象、偵察、測地、科學考察等，必需具備傳輸電視信號、送測數(shù)據(jù)、接收指令、導航、預警及傳輸有關設備狀態(tài)的信息等功能，需要配備多套電子設備，應用各種微波半導體器件。（）其它科學研究方面的應用：近年來國內(nèi)外正在研究將微波應用于空間太陽能發(fā)電站和定向動力傳輸。微波遙感技術也已廣泛應用于地質資源勘測、海洋學、氣象學和天文學等學科領域，還有微波等離子推進、微波輻射武器、微波促進化學反應等等。在這些應用中，都將需要各種各樣的微波半導體器件。可靠性技術與失效分析可靠性，是質量控制的一個分支，但是把可靠性提升到一個專門技

11、術來看待，是產(chǎn)品不斷追求完美的一個必要階段。年（）發(fā)表的報告中把可靠性定義為“在規(guī)定的時間和給定的條件下，無故障完成規(guī)定功能的概率。我國軍標把可靠性定義為“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。進入世紀年代后，可靠性的概念有了新的發(fā)展，年美國國國防部指令國防采辦管理政第一章緒論策和程序把可靠性定義為“系統(tǒng)及其組成部分在無故障、無退化或不要求保障系統(tǒng)的情況下執(zhí)行其功能的能力州】。從可靠性技術的發(fā)展及其發(fā)揮的作用來看，可靠性的重要性不可忽略。從美國軍方來講，可靠性是實現(xiàn)其經(jīng)濟承受性和戰(zhàn)備完好性目標的關鍵。當今可靠性在軟件、微電子，微機械及人機接口等方面都發(fā)揮著至關重要的作用?，F(xiàn)在可

12、靠性技術所涉及的面越來越廣，由原來的電子產(chǎn)品可靠性技術發(fā)展到今天的電子設備、機械設備、光電設備、軟件系統(tǒng)、人機工程等可靠性技術。在分析計算上也由宏觀統(tǒng)計估算到了今天的微觀分析計算。不論哪方面的可靠性，無論是在廣度和深度上都有了很大的發(fā)展，另外由最初單獨的可靠性工程發(fā)展到了可靠性、維修性和保障性的綜合局面?？煽啃匝芯康膬纱髢?nèi)容是可靠性測試（包括破壞性實驗）和失效分析。兩者之間是相互影響、相互制約的。不過為了使事前簡化，可以把這兩大內(nèi)容分割開來看。把失效分析和可靠性測試當成是可靠性研究的兩個境界（嚴格講來，這種分法不是非常恰當）。以可靠性測試（包括破壞性實驗）為主要內(nèi)容的模式，是從源頭上保證可靠性

13、的一種方法。這種模式是一個系統(tǒng)工程，要求的實驗設備非常豐富，投入的人力和時間也多，還有對信息的收集和統(tǒng)計（“只有在統(tǒng)計受控的條件下生產(chǎn)的元器件才會具有高可靠性”）投資非常大。目前我們實驗室和合作單位還不能完全滿足這個條件。以失效分析為主要內(nèi)容的模式，相對來說是比較被動的模式，是等問題發(fā)生后才去分析問題。當然，失效分析結果出來之后，可以反過來影響測試、開發(fā)、工藝、流程和篩選標準等。這種模式又可以根據(jù)自身情況，把失效分析做到不同的境界。這種模式，即使是簡單的境界，也能實現(xiàn)低投入高回報。本實驗室對微波半導體器件的分析以失效分析為主，可靠性分析為輔，下面將著重介紹失效分析。（）失效分析的目的和意義失效

14、分析是一門交叉、邊緣、綜合的新興學科，它與多種學科和技術有關【】。微波半導體器件失效分析的目的是借助各種測試分析技術和分析程序確認微波半導體器件的失效現(xiàn)象，分辨其失效模式和失效機理，確定其最終的失效原因，提出改進設計和制造工藝的建議，防止失效的重復出現(xiàn)，提高元器件可靠性。失效分析是產(chǎn)品可靠性工程的一個重要組成部分。失效分析被廣泛應用于確定研制生產(chǎn)過程中產(chǎn)生問題的原因，鑒別測試過程中與可靠性相關的失效，確認使用過程電子科技大學碩士學位論文中的現(xiàn)場失效機理。在微波半導體器件的研制階段，失效分析可糾正設計和研制中的錯誤，縮短研制周期；在微波半導體器件的生產(chǎn)、測試和使用階段，失效分析可找出微波半導體器

15、件的失效原因和引起微波半導體器件失效的責任方。根據(jù)失效分析結果，生產(chǎn)廠改進設計和生產(chǎn)工藝，使用方改進電路板設計，改進器件或整機的測試、試驗條件及程序，甚至以此為根據(jù)更換不合格的供貨商。因而，失效分析對加快微波半導體器件的研制速度，提高器件和整機的成品率和可靠性有重要意義。失效分析對器件的生產(chǎn)和使用都有重要意義。器件的失效可能發(fā)生在其壽命周期的各個階段，發(fā)生在產(chǎn)品研制階段、生產(chǎn)階段到使用階段的各個環(huán)節(jié)，通過分析工藝廢次品、早期失效、試驗失效以及現(xiàn)場失效的失效產(chǎn)品，明確失效模式、分析失效機理，最終找出失效原因。因此器件的使用方在器件的選擇、整機計劃方面，器件生產(chǎn)方在產(chǎn)品的可靠性方案設計過程，都必須

16、參考失效分析的結果。通過失效分析，可鑒別失效模式，弄清失效機理，提出改進措施，并反饋到使用生產(chǎn)中，將提高器件和設備的可靠性。國內(nèi)軍用微波半導體器件在“七?！笨煽啃怨ぷ鞯幕A上，通過貫徹國軍標，質量與可靠性明顯提高，失效分析在其中發(fā)揮了積極作用。重視在原材料使用、產(chǎn)品研制、下場驗收、二次篩選和裝入整機等環(huán)節(jié)中，對失效樣品進行失效分析等工作，促進了器件質量與可靠性提高，解決裝備研制中的可靠性問題。歸納起來，失效分析的作用是：通過失效分析得到改進設計、工藝和應用的理論和思想。通過了解引起失效的物理現(xiàn)象得到預測可靠性模型公式。為可靠性試驗條件提供理論依據(jù)和實際分析手段。在處理工程遇到的器件問題時，為是

17、否要整批不用提供決策依據(jù)。通過實施失效分析的糾正措施可以提高成品率和可靠性，減少系統(tǒng)試驗和運行工作時的故障，得到明顯的經(jīng)濟效益。（）主要失效機理及其定義失效機理是指引起微波半導體器件失效的實質原因，即引起微波半導體器件失效的物理或化學過程，通常是指由于設計上的弱點或制造工藝中形成的潛在缺陷，在某種應力作用下發(fā)生的失效及其機理【。為了通過物理化學的方法分析失效發(fā)生的現(xiàn)象，理解和解釋失效機理，需要提供模型或分析問題的思維方法，這就是失效物理模型。半導體器件的失效物理模型大致分為反應論模型、應力強度模型、界限模型、耐久模型、累積模型等。第一章緒論對微波半導體元器件來說，失效機理通常有兩種失效物理模型

18、：反應論模型和應力強度模型。失效機理是微波半導體器件失效的物理或化學本質，從研究原始缺陷或進入失效點的物理過程，進一步確定導致失效的質量缺陷、表面缺陷及體缺陷、結構缺陷，確定電學、金屬學、化學及電磁學等方面的機理。微波半導體器件種類繁多，導致失效的機理也很多，不同失效機理對應的失效模式不一樣，甚至相同的失效機理在不同微波半導體器件中導致的失效模式都不一樣，因此需要在失效分析時認真對待，嚴格區(qū)分。主要的失效機理包括機械損傷、結尖峰、鋁金屬化再結構、金屬化電遷移、表面離子玷污、金屬的腐蝕、金鋁化合物失效、柯肯德爾效應、二次擊穿、銀遷移、過電應力、閂鎖效應、靜電損傷、介質層擊穿、熱載流子效應、爆米花

19、效應和軟誤差等。（）失效機理和失效模式的相關性導致失效的原因很多：元器件本身的缺陷，電路設計形式不當，使用不當及其它因素等。對于失效的微波半導體器件指出其拒收原因，失效現(xiàn)象和形式，不需要驗證和深入說明其物理原因，這就是失效模式。對失效機理（失效發(fā)生的過程，因果關系）和失效模式（失效狀態(tài)的區(qū)別）要分別考慮。失效模式是區(qū)別失效結果狀態(tài)的。知道了失效模式并不等于弄清了失效的因果關系。從語言上來說，對作為失效模式的疲勞、磨損和作為失效機理的疲勞、磨損的過程可能不加以區(qū)別地使用。如果說失效是磨損，會給人以似乎全部機理己弄清楚的感覺。失效模式不過是對出現(xiàn)的失效或異常的狀態(tài)進行分類，存在著盡管失效模式相同而

20、機理不同的情況，也有從一個機理產(chǎn)生幾個失效模式的情況。我們在做失效分析時考慮問題要全面，小心謹慎。失效分析不僅僅只“挑刺”。處理問題還必須以企業(yè)的實際情況相適應，考慮全局利益。比如不可能拿軍用標準來要求工業(yè)用和民用的元器件。不可能不考慮成本因素而無限要求質量。所以發(fā)現(xiàn)問題時，可靠性研究必須提出篩選方案，保證能把有隱患的不良品提前暴露出來，又不會由于不恰當?shù)臏y試應力增加隱患。而對于某些情況是否可以放行，必須提供數(shù)據(jù)或理論，以免誤放不良品，或者過于謹慎而造成浪費。電子科技大學碩士學位論文本論文的工作本論文的工作主要由以下幾個部分：（）掃描電子顯微鏡和電子探針能譜儀在微波半導體器件可靠性分析中的應用

21、，即怎樣制備失效分析樣品，怎樣獲得高質量的掃描電鏡圖片和準確的定量分析結果；（）微波半導體器件金鋁鍵合的柯肯德爾空洞效應研究；（）微波失效半導體器件的電子顯微分析，分析了失效機理與失效原因，提出了解決問題的方案。第二章可靠性研究中的微觀分析技術第二章可靠性研究中的微觀分析技術微觀分析技術微觀分析技術是微波半導體器件可靠性分析必不可少的研究手段。針對微波半導體器件失效分析的需要，建立了微波半導體器件失效微觀分析技術平臺。該平臺由電子顯微分析、光學顯微分析、射線透射技術、射線光電子能譜、射線熒光和超聲顯微分析技術等構成，接下來將對微觀分析技術作簡單的介紹。（）光學顯微分析技術光學顯微鏡是進行微波半

22、導體器件失效分析的重要工具之一，一般使用的主要有立體顯微鏡和金相顯微鏡。立體顯微鏡放大倍數(shù)比較低而且連續(xù)可調(diào)，優(yōu)點是景深大。金相顯微鏡通過變換不同倍數(shù)的物鏡來改變放大倍數(shù)，放大倍數(shù)大，從幾十到一千倍，但是景深小。二者的結合使用可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、缺陷等的觀察，如分析芯片在過電應力下的各種燒毀與擊穿現(xiàn)象、引線內(nèi)外鍵合情況、芯片裂縫、劃傷、污染、腐蝕等。（）紅外顯微分析紅外顯微鏡是采用近紅外光（波長一）做光源，并用紅外顯象管成像技術。由于鍺、硅等半導體材料以及薄金屬對近紅外光是透明的，所以不用剖開芯片就可以觀察芯片內(nèi)部的情況，是一種非常有用的觀察工具

23、。（）聲學顯微分析由于超聲波在不同介質中透射和反射的情況不同，利用這一特點制造的超聲波檢測設備可以用來探測材料表面和表面以下的斷裂處，所以它常被用于檢測芯片內(nèi)部的斷裂以及結構的不均勻。因為很多情況下需要在不破壞芯片的前提下觀察芯片內(nèi)部缺陷，而這種技術滿足要求，所以發(fā)展的非常迅速。常見的聲學顯微鏡可以分為三種，分別是掃描激光聲學顯微鏡（洲）、掃描聲學顯微鏡（）、型掃描聲學顯微鏡（）。（）射線透視分析射線透視儀檢測設備在電子產(chǎn)品的失效分析、質量檢測和在線監(jiān)測方面應用的非常廣泛。目前射線投射儀已達到亞微米量級的空間分辨率，圖像的放大電子科技大學碩士學位論文倍數(shù)可達到數(shù)量級，被檢測的物體尺寸達到數(shù)百毫

24、米，能實現(xiàn)被測物體的水平旋轉和。的方向調(diào)整。射線透視儀一般用于檢測微波半導體器件的內(nèi)部結構、內(nèi)引線開路或短路、粘接缺陷、焊點缺陷、封裝裂紋、空洞、橋連及器件漏裝等缺陷。（）射線熒光分析技術若以射線作為激發(fā)源來照射樣品，樣品會發(fā)射特征射線（如圖），稱為射線熒光（強）。樣品發(fā)射的射線熒光由多種元素的各種波長的譜線組成，為了將不同波長的譜線分開，可利用射線在晶體中的衍射現(xiàn)象。根據(jù)布喇格公式。式中，稱為衍射級次，為分光晶體的面間距。即不同波長九的射線，經(jīng)晶體衍射后在空間上以不同的角順序排列，從而達到分光的目的，稱為波長色散射線熒光光譜儀（強）。入射射線圖射線源激發(fā)產(chǎn)生射線熒光和射線光電子的示意圖在實際

25、的射線熒光光譜儀中，為了保持探測方向為入射線的反射方向，需將晶體和探測器同時轉動。晶體轉動角，則探測器轉動角，因而實際上工作中均用角代替譜線的波長作為圖譜的橫坐標。除了可采用分光晶體按波長展譜外，還可以用半導體探測器按射線光子的能量順序展譜，稱為能量色散射線熒光光譜儀（），兩種類型儀器的光路圖如圖。常規(guī)射線熒光分析技術可用于分析封裝外殼、焊接材料的主成分和雜質，鍍層、涂覆層的元素組成和厚度。如果采用光導管，利用射線在管壁上的全反射原理將入射射線聚焦成微米尺度的光束，則可以進行微區(qū)元素組成及其分布的顯微分析，故稱為顯微鏡。第二章可靠性研究中的微觀分析技術樣品測囂波長色散體系統(tǒng)）能量色散系統(tǒng)功【】

26、陷圖射線熒光波長色散和能量色散譜儀的光路示意圖（）射線光電子能譜分析射線光電子能譜（）是一種對試樣表面進行非破壞性的物理分析方法，分析靈敏度為擊，能分析除氫以外的所有元素。由于軟射線激發(fā)源在樣品中的穿透能力弱，所產(chǎn)生的光電子的平均自由程小，因而檢測的信號只對樣品表面靈敏，是較好的表面分析手段，分析深度為。根據(jù)圖譜的化學位移，可以鑒別樣品中元素存在的化學狀態(tài)。在微波半導體器件失效分析中用來研究表面污染、氧化等引起的失效。（）其它微觀分析技術微分析技術是運用電子束、離子束、激光束以及射線對電子器件的微觀形貌、材料、化學成分等進行分析的近代技術。電子技術所用材料越來越復雜，元件結構越來越精細，一般的

27、分析方法已經(jīng)不能滿足需要，所以微分析技術迅速得到發(fā)展。常用的有掃描電鏡（）、射線能量色散譜（）、俄歇電子能譜（）、成像技術等。本小結已經(jīng)介紹了現(xiàn)階段常用的微波半導體器件失效分析儀器設備，由于本實驗室以掃描電子顯微鏡和電子探針能譜儀為主要檢測手段，因此下面將重點介紹這兩種儀器。掃描電子顯微鏡和能譜儀在微波半導體器件失效分析中常用的電子顯微分析技術是掃描電子顯微鏡（）和電子探針能譜儀（）。信號可以是二次電子和背散射電子，其中二次電子是最主要的成像信號。掃描電鏡具有景深大，放大倍率高，粗糙表面圖像清晰和立體感強等優(yōu)點，是研究試樣表面形貌特征的有力工具。在上配備能譜分析裝置，即可使掃描電鏡同時具備形貌

28、觀察和成分分析的功能。能譜對原子電子科技大學碩士學位論文序數(shù)大于，含量在以上的元素能夠提供比較準確的定量分析結果。本研究采用一型和型，如圖。圈掃描電子顯微鏡及儀器圈工作及成像原理掃描電鏡的基本工作過程如圖。掃描電鏡主要由電子槍、電磁透鏡、物鏡、掃描線圈、信號收集及顯示裝置等組成。其工作原理為【】：由電子槍發(fā)射電子，以交叉斑作為電子源，經(jīng)二級透鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定柬流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。試樣在電子束作用下，激發(fā)出各種信號，信號強度取決于試樣表面狀況。這些信號被探測器收集并經(jīng)視頻放大后輸入顯像管柵極，調(diào)制與入射電

29、子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的電子圖像。電子在樣品表面掃描，與樣品發(fā)生各種不同的相互作用，產(chǎn)生不同信號，獲得相應的顯微像的意義也不一樣。圖像是入射電子柬照射樣品表面時，激發(fā)的二次電子信號圖象。對于光滑的表面來說，當入射電子的能量大于時，樣品表面二次電子發(fā)射率（產(chǎn)額）與樣品傾角的余弦存在反比關系口：去（）其中，是樣品表面法線與入射電子束軸線間的夾角。越大，入射電子束產(chǎn)第二章可靠性研究中的微觀分析技術生的二次電子數(shù)越多。因此，圖像上異常亮的部分，對應的樣品表面越陡峭，一般為樣品表面尖棱、小粒子、坑穴邊緣等部位。主機最大膏量不圖掃描電子顯微鏡的工作原理掃描電鏡最基本最有代表意義，也

30、是用得最多的是它的二次電子（）襯度像。二次電子是樣品中原子的核外電子在入射電子的激發(fā)下離開該原子而形成的，它的能量比較小（一般小于），因而在樣品中的平均自由程也小，只有在近表面（約納米量級），二次電子才能逸出表面被接收器接收并用于成像。電子束與樣品相互作用涉及的范圍成“梨”形，如圖。在近表面區(qū)域，人射電子與樣品的相互人射電子鎣器黑菱上次電子發(fā)射深度山散射掭廢，、掣射劍敵躬、，圖電子束與樣品的相互作用電子科技大學碩士學位論文作用才剛剛開始，束斑直徑還來不及擴展，與原人射電子束直徑比，變化還不大，相互作用發(fā)射二次電子的范圍小，有利于得到比較高的分辨率。目前，掃描電鏡的分辨率已經(jīng)達到納米。具有樣品制

31、備簡單，可以直接觀察大塊的樣品，倍萬倍的放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)，景深大、分辨率高等特點，尤其適合粗糙表面的觀察研究。這些特點決定了在微波半導體器件電子顯微分析中是不可取代的重要手段。電子探針能譜儀的介紹（）電子探針能譜的結構電子探針能譜技術是電子光學技術與光光譜分析技術交匯的產(chǎn)物，是這兩門學科發(fā)展到一定階段的必然結果。電子光學技術提供了在微體積內(nèi)激發(fā)光的手段，而光光譜分析技術則提供了從得到光信息完成成分分析所需要的基本知識。電子探針能譜主要是由電子光學（電鏡）檢測系統(tǒng)所組成的。電子光學系統(tǒng)是電子探針形成系統(tǒng)，并用于提供樣品的圖像。檢測系統(tǒng)由射線、多道脈沖分析器、計算機和顯示記錄等組成【】，如圖。圖電

32、子探針能譜分析系統(tǒng)的工作原理圖檢測系統(tǒng)的作用：從樣品激發(fā)出來的特征射線通過檢測器接收，并通過前置放大器轉換為電信號，再經(jīng)過主放大器把電信號放大成符合能量分析系統(tǒng)要求的電壓脈沖，最后輸送到多道分析器中進行分類和數(shù)據(jù)儲存。有關儲存數(shù)據(jù)的運算和分析程序是由計算機來控制的，以便整個分析工作能在人的指令下自動完成。其中固體探測器常用的是擴散鏗原子的半導體硅，又稱為鏗漂移硅探測器，或記為（）探測器。它的主要功能是：當有一個能量為的光子進入探測器，會輸出一個幅度與晟成正比的電脈沖。其次是前置放大器和主放大器，它將探測到的信號脈沖進一步放大，并將脈沖整型為高斯脈沖。所有放大器放大后信號仍保持信號脈沖幅度與晟成

33、正比。最后是多道分析器，它的作用是將放大后的電脈沖按幅度大小轉換成不同數(shù)值，稱為“模數(shù)轉換”。這樣，不同數(shù)值對應不同幅度電第二章可靠性研究中的微觀分析技術脈沖，不同幅度電脈沖又對應不同能量射線。（）電子探針能譜的基本原理（年）發(fā)現(xiàn)【引，各種元素發(fā)射的光譜波長是個不變量，不隨元素的化合狀態(tài)而變，是產(chǎn)生輻射元素的一種識別標志，特征譜因此而得名。并且觀察到線勛（未分開勛，與）的波長與產(chǎn)生這條譜線的元素的原子序數(shù)之間有一定的規(guī)律性與也一樣），即特征譜的頻率的二次方根與原子序數(shù)成線性關系，這條直線在軸上有一個小小的正截距，后來這個規(guī)律被稱為定律，它是電子探針能譜定性分析的理論基礎。萬（一）（）利用一定激

34、發(fā)源來激發(fā)樣品的射線，通過射線光譜儀對樣品發(fā)射的射線光譜的譜線波長或能量進行分析，就可以獲得樣品元素組成的信息。這種分析方法通稱為射線光譜分析。進行射線微區(qū)分析的光譜儀有兩種基本形式。一種是按波長色散方式測試射線光譜，通常是用晶體對射線衍射的原理，將樣品發(fā)射的不同波長射線按波長色散到不同方向。通過探測器探測不同方向的散射射線，從而得到射線譜，這種設備稱為波長色散譜儀。另一種形式是按射線能量色散方式測試射線光譜。它是通過探測樣品發(fā)射射線的能量及光子的計數(shù)得到按能量色散的射線光譜，稱為射線能譜儀。射線能譜儀己是目前射線微區(qū)分析最常用的一種分析方式。（）電子探針分析技術的特點電子探針能譜分析，簡單地

35、講，就是用聚焦得很細的電子束照射檢測的樣品表面，用射線光譜儀測量其所產(chǎn)生的特征射線的強度，從而對該微小區(qū)域所含元素進行定性或定量分析。其優(yōu)點?。悍治鰠^(qū)域小。電子探針能譜常用的加速電壓范圍是，被加速到這個能值的電子，對試樣的穿透嘗試約為的數(shù)量級。橫向散布距離亦大致與此相當，這就決定了被分析區(qū)體積的大約是在幾個立方微米左右的范圍。無損。用電子探針能譜分析，對試樣的物理、化學狀態(tài)均無損傷。因此，用它分析貴重、稀有試樣，以及用它于生產(chǎn)過程中提供中間檢驗數(shù)據(jù)或供檢驗后要求復驗的試樣的分析最為適宜。微米體積內(nèi)準確度高。電子探針能譜分析在微區(qū)內(nèi)作化學分析的能力是無與倫比的，在作了基體修正以后，在大多數(shù)的情況

36、下它都能以優(yōu)于士的相對誤差電子科技大學碩士學位論文在幾個立方微米的體積內(nèi)對周期表里的絕大部分元素作定量分析。分析方法單一?？赏瑫r分析多個元素，便于自動化操作，周期表中從到的元素都能用射線能譜分析，而且一般都能用統(tǒng)一的分析程序來進行，因此便于分析操作的自動化，以及簡化分析手續(xù)和加快分析進度?？芍饌€地測定單個小顆粒的成分。利用掃描電鏡可以找出需要測定的單個顆粒，這對夾雜物分析，礦物鑒定、器件失效分析十分有用。但對于微波半導體器件的可靠性分析，電子探針仍然存在許多技術上的困難，這主要是因為現(xiàn)階段技術發(fā)展尚不完善所致，這些缺點有：低原子序數(shù)原子（輕元素）的射線強度太小，在樣品傳播過程中吸收嚴夏重疊譜峰

37、的識別困難，尤其是在不知道樣品組分的情況下。由于能譜軟件計算的歸一化，樣品的定量分析困難，尤其是輕元素。第三章可靠性的電子顯微技術研究第三章可靠性的電子顯微技術研究試樣制備方法在微波半導體器件可靠性的分析過程中，要想獲得準確的失效分析結果，就必須有一套完備的試樣制備方法，以避免因制樣問題引入新的失效，干擾判斷，影響最終的分析結果。無損分析技術，它只能解決有限的分析問題，對大部分可靠性分析問題，必須采用解剖分析技術，實現(xiàn)芯片表面和內(nèi)部的可觀察性和可探測性?？煽啃苑治鲇羞x擇地進行剝層分析的過程，稱為樣品的制備過程。以可靠性分析為目的的樣品制各技術必要步驟包括：打開封裝，去鈍化層，對于多層結構芯片來

38、說，還需要去層間介質，但必須保留金屬化層正下方的介質和硅材料。和分析樣品的制備原則為：顯露出所欲分析的位置；表面導電性良好，避免出現(xiàn)荷電現(xiàn)象（非導體表面可以通過鍍金或鍍碳來增加導電性，同時要求樣品無磁性；樣品具有一定耐熱性，在電子束作用下不致產(chǎn)生熔融蒸發(fā)現(xiàn)象；樣品中不能含液態(tài)和易揮發(fā)物質，樣品表面不得有松動的粉末或碎屑，以避免在真空中污染儀器。（）噴鍍技術掃描電鏡的高能電子束是通過樣品表面導電層到金屬樣品臺而流向大地的，對于非導電樣品或導電性差的樣品，在電子束作用下會產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束和樣品發(fā)射的二次電子運動軌跡，使圖像質量下降。因此，必須對不導電樣品或導電性差的樣品進行導電處理，即

39、在樣品的表面鍍一層膜，使其成為導電體。所謂的鍍膜，即在高真空的條件下，給樣品噴鍍一層導電離子薄膜，此膜與樣品表面有著完全相同的起伏變化，不改變樣品表面形成的二次電子的產(chǎn)生方向。本實驗室的噴鍍儀器是，主要采用鍍金或鍍碳膜來改變樣品的導電性能，鍍金較鍍碳容易，適用于影像觀察。碳膜較適于光微區(qū)分析，主要是因為碳的原子序數(shù)低，可以減少光吸收；鍍金將會對能譜分析結果產(chǎn)生影響，這是由于鍍層對樣品的特征譜線存在吸收，分析結果出現(xiàn)誤差：能量高吸收少的譜線結果會偏高，能量低吸收大的譜線結果會偏低，當鍍層元素的射線吸收限位于樣品中某個元素的低能端時，偏低就會非常顯著。同時根據(jù)樣品的放大倍數(shù)和表面平整度的不同噴鍍的

40、時間也需掌握好，當放大倍數(shù)超過萬倍時噴鍍的時電子科技大學碩士學位論文間不能超過秒鐘，否則鍍膜將覆蓋樣品的原有形貌像，影響分析結果，得出錯誤的結論。切片技術切片技術即樣品的剖面分析，檢查樣品內(nèi)部的缺陷，如金屬間化合物的厚度，金屬的擴散等，需要將樣品進行金相切片分折然后利用或進行觀察。切片一般可分為四個階段：封裝試件的開封或部分拆卸，試件待分析部位的澆注，磨削或切斷澆注好的待分析部位，磨拋露出樣品表面。（）腐蝕技術化學腐蝕去鈍化層化學腐蝕的優(yōu)點是試驗條件簡單，缺點是缺乏材料選擇性和腐蝕方向性。采用該方法，去鈍化層的同時也會腐蝕內(nèi)引線和金屬化層未鈍化的部分，如內(nèi)引線鍵合點。去鈍化層的配方為：，去；鈍

41、化層的配方為），腐蝕液溫度為。等離子腐蝕去鈍化層等離子腐蝕具有一定的材料選擇性，如采用反應氣體為，等離子腐蝕可以去除芯片的多種鈍化層，但不會對鋁等金屬產(chǎn)生嚴重的腐蝕作用。但等離子是各向同性，即同一種材料沿多個方向進行均勻腐蝕，腐蝕后金屬化層與介質層問的接觸面積減小，金屬化層會向上升高，脫離介質層，容易造成樣品新的失效模式。如圖為肖特基二極管失效后表面無異常，腐蝕后發(fā)現(xiàn)基體上的擊穿孔洞。圖樣品腐蝕前后的形貌（腐蝕前，腐蝕后的基體）第三章可靠性的電子顯微技術研究掃描電鏡圖片質量的影響因素中，一幅高質量的圖像應滿足三個條件：一是分辨率好，顯微結構清晰可辨；二是襯度適中，圖像中無論是黑區(qū)還是白區(qū)的細節(jié)

42、都能看清楚；三是信噪比好，沒有明顯的雪花狀噪聲。要得到理想的掃描電鏡圖像，必須對影響其圖像質量的相關因素加以控制。下面對掃描電鏡成像過程中其加速電壓、發(fā)射電流、束斑尺寸以及荷電效應等影響因素加以分析。加速電壓在控制圖像質量的調(diào)節(jié)過程中，首先要考慮的是加速電壓的選擇問題，因為加速電壓越大，電子束越容易聚焦得更細，柬流也越大。因此采用高的加速電壓，對提高圖像的分辨率和信噪比是有利的。但是，如果觀察的對象是高低不平的表面或深孔，為了減小入射電子束的貫穿深度和散射體積，從而改善在不平表面上所獲得圖像的清晰度，采用較低的加速電壓是比較適宜的，對于容易發(fā)生充電的非導體試樣也宜采用低的加速電壓。目前本實驗室

43、所用掃描電鏡的加速電壓可在范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，通常情況下，我們觀察的圖像如放大倍數(shù)大于萬倍，且要求有較高的分辨率時，采用加速電壓；如果是普通導電性好的試樣和經(jīng)過鍍金或噴碳處理過的試樣，采用加速電壓；而對于結構非常疏松的試樣以及原子序數(shù)較小的輕元素化合物試樣，則采用加速電壓即可。樣品表面凹凸變化大的邊緣區(qū)域，二次電子散射區(qū)域與樣品表面接近的面積增大，結果使邊緣區(qū)域二次電子發(fā)射異常增加，在圖像中這些區(qū)域特別亮，造成不自然地反差，稱為“邊緣效應”。這可以通過降低加速電壓，使邊緣效應相對減輕。一般來說，加速電壓越高，電子束波長越短，可得到愈小的聚焦電子束，而提高分辨率，然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺

44、點：無法看到樣品表面的微細結構；會出現(xiàn)不尋常的邊緣效應；電荷累積的可能性增高；樣品損傷的可能性增高。因此針對不同的樣品，采用各自適當?shù)募铀匐妷?，才可獲得最清晰的影像。束流和束斑在實驗時，為觀察超微結構，有時大幅度地提高放大倍率，以為可以獲得高電子科技大學碩士學位論文分辨率圖像，但反復調(diào)焦圖像仍然模糊不清，這種操作忽略了電子束直徑這個儀器的重要指標。提高分辨率，減小電子束直徑是關鍵。隨著電子束直徑的減小，束流按次方的關系顯著下降【，圖像的襯度和信噪比變差。為改善信噪比，掃描一幅圖像至少要用秒的時間，有些熱敏樣品可能漂移或損傷，獲得分辨率好的高倍圖像有一定的難度。因此根據(jù)經(jīng)驗總結得出：束斑尺寸越小

45、，分辨率越高，但如果束斑尺寸太小，則圖像中電噪聲太大，圖像聚焦和消像散非常困難，對于高倍觀察，宜選擇較小的束斑尺寸比如小于。束斑尺寸越大，圖像的信噪比越好，但是會出現(xiàn)掃描線重合，圖像無法聚焦的現(xiàn)象，另外可能使試樣表面上一些重要信息被忽略。對于低倍觀察，可以選擇較大束斑尺寸如。值得注意的是雖然信噪比與束流強度成正比，但是束斑過大容易造成電鏡光欄污染變形，燈絲壽命降低甚至燒毀。一般來說，理想的束斑尺寸是指相鄰的掃描線接觸得非常好，圖像能聚焦得很清楚。掃描電鏡的發(fā)射電流對圖像的信噪比和分辨率也有著決定性的影響。高的發(fā)射電流對提高圖像的分辨率是有利的，但對信噪比不利，如果采用低的發(fā)射電流則剛好相反。為

46、了兼顧分辨率和信噪比這種相互矛盾的關系，選擇適中的發(fā)射電流強度是十分重要的。一般方法是：先選擇中等水平的發(fā)射電流，如果所觀察試樣要求的放大倍數(shù)不高，并且圖像的主要矛盾是信噪比不夠，則可以采用較小的發(fā)射電流。一般來說，隨著所觀察試樣的放大倍數(shù)增加，圖像清晰度本身所要求的分辨率也相應增加，故觀察倍數(shù)越高，越適宜采用大的發(fā)射電流。荷電效應當入射電子作用于樣品時，從樣品上發(fā)出二次電子，其發(fā)射率會隨入射電子（、一，）、圖二次電子發(fā)射隨加速電壓變化曲線第三章可靠性的電子顯微技術研究加速電壓的變化而變化。圖是表示二次電子發(fā)射率隨入射電子的加速電壓變化的曲線，圖中橫軸表示入射電子的加速電壓，縱軸表示二次電子發(fā)射數(shù)與入射電子數(shù)之比，即二次電子發(fā)射數(shù)入射電子數(shù)。從圖中可見，只有在和時，等于，即入射電子數(shù)與二次發(fā)射電子數(shù)相等，此時樣品既不增加電子也沒有失掉電子，樣品不帶電。除此兩點外，樣品會因吸收或失掉電子而帶電。如果樣品不導電，此時樣品會因吸收電子帶負電，產(chǎn)生一個靜電場干擾入射電子束和二次電子發(fā)射。它會對圖像產(chǎn)生一系列的影響：異常反差，由于荷電效應，二次電子發(fā)射受到不規(guī)則影響，造成圖像一部分異常亮，另一部分變暗。圖像畸形，由于靜電場作用使電子束不規(guī)則地偏轉，造成圖像畸變或出現(xiàn)階段差。圖像漂移，由于靜電場作用使電子束不規(guī)則偏移引起圖像的漂移，亮點與亮線，帶電樣