多毛细管X光透镜在半导体薄膜精密测量中的应用进展 - EUV&X射线行业洞察
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世界或许会分化，但科学的光永不熄灭
尽管全球科技格局面临诸多不确定性，未来的世界也许是割裂的，但是尖端技术的火种、及人类对于未知奇妙世界秩序的探索始终会在文明长河中奔涌不息。 X 射线与极紫外（EUV）技术作为突破物理极限的关键领域，正在推动基础科学、半导体、精密检测等行业的深刻变革。
作为深耕极紫外（EUV）及X射线核心部件领域的技术服务商和解决方案的探索者，众星联恒始终以"技术瞭望者"的视角，捕捉全球最新的行业资讯和技术前沿动态。
近日，来自英国谢菲尔德大学和德国bruker柏林的研究该人员（Thomas Walther, Stuart Creasey-Gray, Stephan Boehm, Heath Young, Yang Yang）将他们的研究成果《Comparison of different X-ray-based scanning electron microscopy methods to detect sub-nanometre ultra-thin InAs layers deposited on top of GaAs
》发表于《Journal of microscopy》，本文目前可以开放获取。
比较了扫描电子显微镜（SEM）中三种不同的x射线分析方法：能量色散x射线光谱（EDX）、波长色散x射线光谱（WDX）和微x射线荧光（μXRF）。这些方法都适用于相同的砷化镓（GaAs）晶圆，上面有一层0.8 nm的砷化铟（InAs）层。所有方法均能检测到 GaAs(001) 晶片上 0.8 nm 厚的 InAs 层，且定量结果在误差范围内一致。由于 WDX 的背景信号较低，其灵敏度最高。EDX 的灵敏度较差，这是因为其轫致辐射背景较高，导致难以检测到表面的微小峰。据作者所知，这是首次利用 μXRF 在 SEM 中可靠地检测和定量亚纳米级表面层。
如下是SEM中集成μXRF的基本光路构型：
原文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jmi.70049 1
ONYX 3200实物图
近期，日本理学发布全新的用于半导体制造的下一代计量系统的ONYX 3200 ，它是市场上最先进的混合计量解决方案；这款第二代产品采用双探头设计，结合了先进的μXRF和光学技术，可实现高精度缺陷检测，并为在线半导体制造提供最高吞吐量。
ONYX 系列系统旨在为从前端工艺 (FEOL) 到晶圆级封装 (WLP) 的整个制造流程提供全面的计量方案，包括针对先进封装和单凸点应用的优化配置，用于监测银锡比——经证实，该系统能够测量和识别直径小于 5μm 的单个焊料微凸点2。
如上图，对于微区ED-XRF技术，该系统搭载在两个50W微焦X射线源头：第一个是耦合的Montel多层膜光学器件，以获得单色聚焦X射线微束（第一代ONYX 3000低至20微米，第二代ONYX 3200或许优化到5微米）- 主打精准，第二个是耦合的多毛细管X光透镜，以获得复色聚焦的X光微束（低至10微米）- 主打快，这样的组合提供了最佳应用性能的分析灵活性。
如下图通过单色光束激发大大减少了硅（Si）衬底的劳厄衍射，并实现了亚纳米厚度薄膜的高信噪比（S/N） XRF测量。
锡银 (SnAg) 凸点中各材料的比例对封装连接的可靠性有着显著影响。使用单色光源激发能够以 4/100,000 的超高精度检测 SnAg 凸点中低至 2% 的银含量，从而实现对封装良率的严格材料比例控制。此外，双X射线源头架构能够同时测量芯片互连周围各种金属特征，从而提高检测效率和分析灵活性。
而使用耦合多毛细管X光透镜的复色光激发，由于更高的激发光强，但是也有較高的背景信號，可以快速、有效地识别多种元素。
什么是μXRF？
μXRF即微区X射线荧光。
它是一种元素分析技术，它允许检测非常小的样品区域。与传统的 XRF 仪器一样，微 X 射线荧光通过使用直接 X 射线激发来诱导来自样品的特性 X 射线荧光发射，以用于元素分析。与传统 XRF 不同（其典型空间分辨率的直径范围从几百微米到几毫米），µXRF 使用 X 射线光学晶体来限制激发光束尺寸或将激发光束聚焦到样品表面上形成小光斑，从而可以分析样品上的小特性。传统 µXRF 仪器使用简单的针孔光圈来限制样品表面上的入射光束尺寸。只有与孔同轴的 X 射线才从光圈发射。遗憾的是，该方法阻挡了 X 射线源发射的大部分 X 射线通量，导致样品上的入射通量低，这影响了该方法对微量元素进行分析的灵敏度。
多毛细管、多层膜montel和双曲面弯晶为 µXRF 应用提供了在样品表面形成具有高 X 射线通量的小焦斑的替代方法。此外，这些光学晶体克服了 X 射线强度的负二次方对离源距离的依存性的限制，从而开发了用于内嵌半导体和其他材料工业的小尺寸和低功率 µXRF 系统，并且开发出远程、在线或便携式仪器。采用 X 射线光学透镜的 µXRF 已成功用于多种应用，包括小特性评估、元素映射、薄膜和镀层厚度测量、微量污染物检测、用于高级电路板的多层涂层评估、微粒分析和取证。
多毛细管X光透镜从发散 X 射线源收集 复色X 射线，并将它们引导至样品表面上形成直径小到几十微米的小聚焦光束。与使用简易针孔准直器相比，由此增加的强度以小焦斑传递到样品，可增强用于小特性分析的空间分辨率和微量元素测量性能。
双曲弯晶或多层膜montel将高强度微米级单色 X 射线束引导至样品表面，用于加强元素分析。单色激发消除了荧光峰下的 X 射线散射本底，因此与使用针孔的 µXRF 方法相比，其测量灵敏度更高。通过 EDXRF 或 WDXRF 结构，可使用多毛细管、多层膜montel和双曲面弯晶可实现 µXRF技术。
1）标准 µXRF 配置。可以扫描样品，以小至 10 µm（随能量变化）的空间分辨率测量样品内的元素分布。
2）微区 WDXRF 仪器使用多毛细管聚焦光学晶体将 X 射线从源聚焦到样品上，并使用多毛细管准直光学晶体收集从样品表面上小光斑发射的荧光，并将其引导至色散晶体上。
3） 微区 WDXRF 使用多毛细管X光聚焦透镜将 X 射线从源聚焦到样品上，并使用双曲面弯晶单色仪收集和分散样品上小光斑发射的荧光 X 射线，并将其引导至探测器。
4）共焦 µXRF 使用两个多毛细管透镜，一个用于小光斑样品激发，另一个用作空间滤波器，适用于本底辐射来自不会干扰相关信号的区域的所有应用。这种配置适用于测量放射性样品中的空间分布以及深度剖析应用。
5） 使用双曲面弯晶的单色微 EDXRF（能量色散X射线荧光）。
6） 使用双曲弯晶的单色 WDXRF 对于相关的特定样品元素具有非常高的灵敏度。该技术已成功应用于石油产品中低硫含量的测定。
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世界或许喧嚣，但科学的脚步永远向前。
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内容：凯文
审核：凯文
编辑：Sylvia
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