CC BY
15
ЛИТЕРАТУРА
1. Шиманюк Л.М. Методика оценки содержания влаги в микросхемах / Л.М. Шиманюк // М.: ЦНИИ "Электроника", Электронная техника, сер.8, вып. 8 (78), 1979, с. 10-14.
2. Чернышов А.А. Контроль важности в корпусах интегральных микросхем / А.А. Чернышов, С.А. Крутоверцев, А.И. Бутурлин // М.: ЦНИИ "Электроника", зарубежная электронная техника, №2, 1987, с. 3-64.
3. Доросинский, А.Ю. Особенности изготовления металлокерамических резистивных элементов / А.Ю. Доросинский, В.Г. Недорезов // Надежность и качество: сб. тр. междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2018. - Т.2. - С. 230-231
УДК 544.01
Доросинский А.Ю. , Недорезов В.Г. , Доросинская Ю.В.
ООО научно-производственное предприятие «Сонар», Пенза, Россия ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия ОАО «Электромеханика», Пенза, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Представлены результаты по использованию методов спектроскопии в исследовании элементного слоя резистивных элементов. Рассмотрены методы электронной и ионной Оже-спектроскопии, вторичной ионной масс-спектроскопии, электронной спектроскопии для химического анализа и рентгеноспектральный микроанализ.
Показаны перспективы использования данных методов при анализе отказов, отработки технологических режимов формирования резисторов.
Ключевые слова:
АНАЛИЗ, ОТКАЗ, СПЕКТРОСКОПИЯ, РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ОБРАЗЕЦ, КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
Временная и температурная стабильность тонкопленочных резисторов и сборок во многом зависит от структурно-фазового состава резистивной пленки, представляющей из себя микро-и нанообъ-емы с физико-химическими неоднородностями.
Контроль распределения химических элементов по телу тонкой резистивной пленки можно успешно решать при условии возможности анализа химического (элементного) состава микрообъемов размерами от 10-3 до 103 мкм с разрешением по глубине от 1 до 10 нм, с разрешающей способностью в плоскости от 10-1 до 10-2 мкм и широким диапазоном концентраций до 10-7 ат.%. Такой анализ по существу сводится к определению атомного состава по толщине (послойному анализу) и по плоскости.
Наряду с возможностями современных методов химического анализа, послойный и плоскостной анализы могут осуществляться физическими методами, основанными на электронной и ионной спектроскопии. Здесь имеется ввиду, прежде всего, методы электронной и ионной Оже-спектроскопии (ЭОС и ИОС), вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС), электронной спектроскопии для химического анализа (ЭСХА) и рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).
Метод ЭОС
Использование методов ЭОС для неразрушающего контроля распределения химических элементов по телу резистивного элемента, на данный момент времени, не представляется возможным в связи с геометрическими ограничениями исследуемых образцов.
Дря анализа изделий в Оже-спектрометре необходимо разрушать резистивный элемент. При определении возможности анализа тонких резистивных пленок на Оже-спектрометре наблюдалась проблема с накоплением заряда на исследуемом материале.
Накопление электрического заряда на исследуемой поверхности приводит к следующим искажениям Оже-спектра:
сдвиг Оже -спектров по энергетической шкале в низкоэнергетическую сторону, что затрудняет, а порой и делает невозможным расшифровку Оже-спек-тров;
"выталкивание" электронного (ионного) зонда заряженной областью на соседние незаряженные, Оже-спектры при этом регистрируются либо с очень большими искажениями, либо не регистрируются вообще [1-3] .
В некоторых случаях удовлетворительные результаты получаются при наложении на поверхность тонкой резистивной пленки, редкой металлической заземляющей сетки или металлической заземляющей диафрагмы .Иногда удается получать хорошие результаты при подаче небольшого отрицательного
потенциала на объектодержатель, создающего отталкивающее поле для вторичных электронов. К этому потенциалу очень чувствительна эмиссия истинно вторичных электронов. Вносимые при этом искажения в Оже-спектре не очень значительны.
Опробование, выше приведённых методов для нейтрализации заряда поверхности исследуемых ре-зистивных плёнок, положительных результатов не дало.
В связи о этим было проведено опробование метода ЭОС для хорошо проводящих материалов, в частности для контактных площадок резистивных элементов.
Был проведен послойный анализ структуры У/К2ОС/А1/Т1 (контактная площадка тонкопленочного резистора) полученный последовательным термическим напылением слоев V, К2ОС, А1, Т1 на ситалло-вую подложку, соответственно.
Анализ проводился на Оже-спектрометре 09И0С-10-005. Оже-исследования проводились при ускоряющем напряжении 3 кВ и токе электронного зонда 1 мкА. Диаметр электронного пучка, определяющий локальность анализа на уровне микрометра. Травление поверхности образца проводилось ионами аргона с использованием ускоряющего напряжения 5 кВ и плотности ионного тока до 0,5 А/см2. Оже-анализ проводился как непрерывно во время ионного травления (снятие профилей «Оже-профилиро-вание»), так и по точкам после ионного травления по границам кратера.
На рисунке 1 представлены профили распределения элементов подвергнутых анализу и Оже-спек-тры соответствующих участков.
По оси ординат на кривых распределения при ионном травлении отложена амплитуда Оже-пиков соответствующих элементов. Как видно из представленных профилей, кислород связан только с титаном. Оже-спектры полученные на титане до ионного травления и на его начальных стадиях, подтверждают этот вывод. Судя по относительной интенсивности линий О2 и Т1, с учетом близости их элементных факторов чувствительности (0,5 и 0,45) содержание кислорода в титане близко к Т12О. Присутствует в слое титана и углерод, причем в виде карбида. Следует отметить, что "кар-бидизация" почти всегда происходит при травлении, поэтому из проведенных исследований нельзя сделать однозначного вывода о форме существования углерода в слое титана. В тоже время наличие углерода в титане и его отсутствие в А1, возможно, связано со способностью Т1, в отличие от А1, образовывать карбиды.
Из выше приведенных данных следует, что использование метода для неразрушающего контроля распределения химических элементов резистивного элемента практически невозможно.
Рисунок 1 - Профили распределения анализируемых элементов (Т1, О, А1) по толщине контактной
площадки
Метод ЭСХА
Достоинством ЭСХА является то, что этот метод почти неразрушающий поверхность образца: фотохимическая реакция (восстановление окислов) наблюдается лишь при длительном облучении, кроме того, их можно подавить охлаждением образца ниже комнатной температуры, отсутствует также зарядка поверхности при исследовании.
ЭСХА позволяет обнаруживать все элементы кроме водорода, минимальная концентрация обнаруживаемых элементов в лучших спектрометрах составляет (0,1-1)% и заметно отличаются от элемента к элементу.
При использовании данного метода для определения элементного состава поверхности исследуемого образца (тонкой резистивной пленки) получают спектр фотоэлектронов во всем диапазоне энергий. Идентификацию элементов на поверхности проводят, определяя энергию связи и сопоставляя ее с известными значениями энергии связи для чистых элементов.
На установке НР5950А был проведен анализ тонких резистивных пленок из материала К20С, напыленных термическим испарением в различных режимах. В результате проведенного качественного анализа
изменений элементного состава тонких пленок от режимов напыления не обнаружено, в связи с тем, что информация поступает со всей поверхности исследуемого образца.
Из выше приведенных данных следует, что использование метода ЭСХА для неразрушающего контроля элементного состава тонких резистивных пленок не представляется возможными виду плохой геометрической разрешающей способности. При разработке установок с локальностью 200 мкм и менее, этот метод полезен при отработке технологических режимов на стадии НИОКР и анализе отказов.
Метод РСМА
При данном анализе излучение в исследуемом образце возбуждается электронным пучком. Для идентификации элементов, содержащихся в образце, и определения их концентрации измеряют длину волны и интенсивность соответствующих линий рентгеновского спектра. Основное достоинство метода - возможность локального определения химического состава вещества, реализуется благодаря сфокусированному в узкий зонд электронному пучку.
Рисунок 2 - Рентгеновская спектрограмма микросварного узла Au-Al
Результаты опробования приведены на рисунке 2, которые показывают присутствие в материале Аи проволоки А1, что свидетельствует о диффузии А1 из контактной площадки в А! проволоку и об образовании интерметаллических фаз.
Электроны с энергией от 10 до 30 кэВ проникают в образец на глубину порядка 1 мкм и могут отклоняться от первоначального направления так же на расстояние до 1 мкм. Этим определяется наименьший анализируемый объем образца. Улучшение локальности (пространственное разрешение) путем значительного уменьшения энергии электронов целесообразно, так как кинетическая энергия должны быть достаточной для эффективного возбуждения рентгеновских лучей. Как следствие у боль-
шинства практически важных приложений локальность метода ограничена величиной порядка 1 мкм. В связи с этим РСМА для неразрушающего контроля резисторов малоэффективен, так как анализируемые детали имеют толщину (контактная площадка, ре-зистивный слой и др.) порядка 1 мкм.
Таким образом, использование метода РСМА, обладающего локальностью на уровне 1-2 мкм, не обеспечивает достоверного количественного и качественного определения элементного состава тонких резистивных слоев, в виду того, что глубина генерации рентгеновского излучения в 5-20 раз превышает толщину резистивной пленки. Однако, учитывая высокую разрешающую способность, метод РСМА может быть использован для анализа элементного состава контактных перемычек;
ЛИТЕРАТУРА
1. Фомин Д.В. Электронная Оже-спектроскопия / Д.В. Фомин, В.Л. Дубов. //: Учебно-методическое пособие. - Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2015.
2. Оура К. Введение в физику поверхности / К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин и др. // под ред. В.И. Сергиенко. - М.: Наука, 2006. - 490 с.
3. Дж. Маан, В. Спайсер, А. Либш и др. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел / Л. Фирмэнс, Дж. Вэнник, В. Декейсер. - М.: Мир, 1981. - 467 с.
