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二次离子质谱仪(SIMS)

技术原理

材料经由带有能量的入射离子轰击而产生二次离子,二次离子经加速后进入二次离子质谱分析系统运用电、磁场的偏转将离子按不同质量分开,而达到成份分析的目的。

 

二次离子强度经过转换可得到元素的浓度,而离子轰击时间,可转换成杂质分布深度。二次离子质谱仪具有优异的侦测极限,可量测出固体材料中元素含量至百万分之一或以下。

 

二次离子质谱仪分析方式为以下三种

  1. 纵深分析 (depth profile)
  2. 表面影像分 (ion image)
  3. 表面质谱分析 (mass spectrum)

 

依据分析仪种类,可区分为 磁偏式质谱仪 、四极式质谱仪 与 飞行时间式质谱仪 三种,磁偏式质谱仪除了CAMECA IMS-6f 可做High Transmission and High Mass Resolution 分析外,搭配新添购的CAMECA IMS 7f-Auto 可以提供High Depth Resolution, Ultra-Shallow Junction, High throughput & Full automation 的分析检测。

 

四极式质谱仪使用低能量离子源,有利于提高样品表面的深度解析力,磁偏式质谱仪与四极式质谱仪皆属于Dynamic SIMS,适用分析深度>1um,可以得到元素与同位素资料;飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)属于Static SIMS,除了得到元素与同位素外,也可以得知分子资讯。

 

闳康添购的M6 plus 为ION-TOF 最高阶机型,具有<50 nm High lateral resolution 和>30000 的质量解析力,独特的 dual source ion column (DSC) 和Gas Cluster Ion Source (GCIB) 配备可做有机物的纵深分析。

 

闳康拥有完整的元素资料库与分析经验,可以提供您全方位的材料表面元素分析服务。

 

 

 

 

分析应用

1.掺杂纵深分析:

可准确地将P-N接面深度(或称结深)与掺杂浓度分布描绘出来。最常见的应用为离子植入与植入剂量的分析、发光二极体掺杂浓度与分布分析,藉由相对标准品的量测,掺杂元素所在的接面深度可被清楚地定义出来。

 

另一常见的分析工具-展阻量测仪,藉由电性量测载子(活化后的掺杂元素)之接面深度,亦可作为比对研究的方法。

 

 

2.浅接面与超浅接面分析:

经由低分析能量与低掠角分析可达到浅接面与超浅接面分析的目的,其分析最小接面深度可达20nm以下,为先进制程技术所需。

 

 

3.微污染分析:

SIMS另一主要应用为表面成份污染分析,如球型阵列封装基板中金属垫之污染监控,然而受限于入射离子束大小,建议之分析面积大于80*80μ㎡,因此,SIMS分析、欧杰电子显微镜与X光光电子能谱仪(或称化学分析能谱仪),亦属表面分析/成份分析之重要工具。

 

 

4.金属交互扩散分析:

藉由纵深分析可得知制程中金属纵向扩散的行为,然而在入射离子束撞击的过程中所造成的植入及撞入效应与离子蚀刻后所诱发的金属表面粗糙效应皆会影响结果的精确度。

 

Backside SIMS相较于一般由晶片正面进行分析的方式,藉由试片制备技术,由晶背分析能减少因入射离子束所造成的植入及撞入效应与金属表面粗糙效应,因而更能真实呈现金属扩散的分布情形,Backside SIMS分析特别有助于表面高浓度层次向下扩散的探讨。此分析技术可应用于IC制程中的向下扩散研究,如铜扩散等。

 

 

 

机台种类

Magnetic-sector SIMS [ Cameca ims-6f ]

Magnetic-sector SIMS [ Cameca IMS 7f-Auto ]

 

Time-of-Flight SIMS [ TOF-SIMS M6 plus, IONTOF GmbH ]

Quadrupole-SIMS [ CAMECA sims 4500 ]

 

 

 

应用实例


发光二极体分析


球型阵列封装金属垫微污染分析

 


(a) 超浅接面离子植入分析


(b)超高能量离子植入分析

 

正面SIMS结果
由金属层表面进行SIMS纵深分析,因离子束在溅蚀同时,也会将金属成份往更深层推入,造成金属向下扩散的假象,影响结果判读。

 

背面SIMS结果
藉由Backside SIMS的分析方式,可真实呈现金属因制程条件往下扩散的分布状况。

 

矽油  (Silicon Oil) 污染

SiON 薄膜分析

 

VCSEL 3D 成份分布

TFT 平面成份分布

 

 

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常见问題

Q1. SIMS 可分析最小面积为多少 ?

A.  一般建议为80umx80um以上,如可分析面积更小,可与技术单位讨论。

 

Q2. 样品需要多大可进机台 ?

A.  样品需约0.8cmx0.8 cm左右可进机台,如果大于或小于此尺寸的样品,我们会先做试片处理。

 

Q3. SIMS 那些元素可以定量 ?

A.  常用材料大部分有标准品可定量,如欲分析元素的材料恰好没有标准片,仍可定性利用强度进行样品间相互比较。

 

Q4. 元素只能定性有何帮助 ?

A.  如您是要看污染,建议可提供异常组与对照组样品一起分析,可用强度互相比较确认相互差异或有无污染。

如希望分析浓度,建议提供一片相同材质已知待测元素浓度的样品,SIMS分析可依据此样品定量其他相同材质的样品

 

Q5. SIMS 与 EDX 有什么差异 ?

A.  两者的侦测极限有差异,EDX侦测极限约为1%,SIMS侦测极限可达ppm-ppb,因此SIMS主要量测小于1% 的含量,例如:掺杂、微量污染等。

 

 

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