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善用分析工具 抓出半導體缺陷

宜特科技_96
・2025/05/29 ・3614字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自宜特小學堂〈如何利用表面分析工具,抓出半導體製程缺陷〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

半導體製程中的汙染可能導致失效,但能分析半導體表面汙染物的儀器五花八門,關鍵時機該選用哪種工具,才能快、狠、準抓出製程缺陷?

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什麼是「表面分析」?

在半導體製程的研發與生產過程中,難免會產生極小、極薄的奈米級異物或汙染,這些微小的缺陷可能會造成元件電性異常,導致阻值偏高、短路、漏電,甚至是封裝階段的脫層或植球失敗。雖然常見的微粒異物可透過光學或電子顯微鏡檢測,但某些汙染層如表面氧化或微蝕殘留,僅僅只有數奈米厚,與原本材料性質不同,這些肉眼或顯微鏡看不到的異物分析,就必須依賴高精度的表面分析工具來追根究柢,找出問題根源。

各種表面分析工具,分別該在什麼時機點使用   

觀察表面高低起伏形貌與尺寸量測- SEM

掃描式電子顯微鏡(SEM)。圖/宜特科技

在一般材料分析應用中較為人熟知的掃描式電子顯微鏡(SEM),主要是觀察表面的高低起伏形貌或尺寸量測,藉由電子掃描樣品表面擷取二次電子的訊號來成像,也可以搭配 X 光能量分散光譜(EDS)探測器鑑別表面的元素成分。然而 EDS 所蒐集的,是來自於表面以下數百奈米深度的特性 X 光訊號,反倒在最表面幾個原子層數奈米厚度的汙染,卻是很難被偵測到的。

氧化、腐蝕或污染之奈米薄膜鑑定- AESXPS

歐傑電子能譜儀(AES)。圖/宜特科技

當 SEM-EDS 無法偵測到的表面汙染,就得仰賴奈米薄膜的檢測工具-歐傑電子能譜儀(AES)或 X 光光電子能譜儀(XPS),這兩種分析儀最常被用來檢測如氧化、腐蝕或污染的鑑定,甚至能搭配氬離子濺蝕的縱深分析技術,即可進行氧化或腐蝕層厚度的分析。

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下圖為典型 AES 分析 IC 鋁墊(Al pad)表面成分的定性分析結果。左圖的能譜分析顯示表面偵測到殘留的元素有 C、O、F 和Al;右圖則是縱深(Depth profile)分析的結果,可以觀察到各種元素的含量隨深度變化的分布情形,亦可提供預估氧化層或表層 F成分汙染的厚度,分別為 24nm 與 13nm。這類汙染可能來自鋁墊在開窗(Opening)製程中會使用 CF4 氣體進行乾蝕刻,或是存放時間過久導致的氧化腐蝕殘留,這是影響後續封裝打線接合品質的重要參考指標。

AES 分析 IC 鋁墊表面殘留成分與氧化層厚度的縱深分析。圖/宜特科技

此外,針對先進 3D 封裝製程,AES 的微電子束可用於分析 TSV導通孔,在蝕刻製程後側壁的殘留,及銅柱(copper pillar)製程中表面的氧化狀況,甚至能進行孔壁內部或直徑在數十微米以下的bump 進行極細微的表面殘留分析。

但由於激發源是使用電子束(Electron beam,在分析非導電材料時,可能會發生表面充電效應(Charging effect)現象,干擾歐傑電子訊號的擷取。AES 與 EDS 的量測深度不同,EDS 是可以在樣品表面鍍一層金屬來做導電,然而 AES 的樣品卻無法用同樣手法處理。因此,無法分析絕緣樣品是其最大的缺點。

非導電、大於十微米以上的樣品表面檢測- XPS

X 光光電子能譜儀(XPS)。圖/宜特科技

對於表面尺寸大於 10 微米以上的樣品,可採用 X 光光電子能譜儀(XPS)進行表面分析。XPS以 X 光作為激發源,分析範圍較大,適用於 30 微米以上的樣品,例如:IC 鋁墊、PCB 金墊、金手指、封裝用錫球及焊點等。

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對於非導電的樣品 XPS 也是極佳的表面分析工具。例如,IC 鋁墊周圍的絕緣護層 SiNx、PCB 銅線路外的絕緣綠漆,以及 RDL/UBM 製程線路外的 PI 或 PBO 絕緣層等,都可以透過 XPS 進行分析。下圖顯示在 PI 層上觀察到蝕刻後殘留微量的 Ti 金屬,這可能導致 bump 漏電問題,因此而成為在 UBM 製程觀察的重要指標。

XPS 分析 UBM 製程 PI 表面的成分,除了主要的 C、O 外,還有 Ti、Si 等金屬殘留。圖/宜特科技

由於 XPS 是透過觀察電子束縛能(Binding energy)來進行分析的技術,利用高分辨化學位移(Chemical shift)來判斷化學鍵結的型態。下圖為鋁墊經蝕刻製程後,表面生成了橢圓形汙染物,透過能譜化學位移擬合(Curve Fitting)分析,結果顯示束縛能分別對應 78.7eV 的 [AlF6]3-、76.3eV 的 AlF3 與 74.5eV 的微量 Al2O3,證實這三種化學態共存於汙染物中。

除了這類蝕刻製程的生成物分析外,XPS 也可以用於陶瓷薄膜材料的製程研究,利用擬合分析技術進行化學態鍵結比例的分析,為後續製程調整與改良提供參考依據。

X 光電子能譜分析 IC 鋁墊上腐蝕殘留物的化學鍵結態有三種,分別為(AlF63-、AlF與 Al2O3.。圖/Y.Hua et al., IPFA 2014

黃光/蝕刻製程等高分子有機化合物定性分析- SIMS

二次離子質譜分析儀(SIMS)。圖/宜特科技

另一種靈敏度更高的表面分析工具是「飛行時間式」二次離子質譜分析儀(TOF-SIMS),其主要採用「離子源」進行靜態(static)表面成份的定性分析。不同於一般磁偏式(Magnetic sector)SIMS 或 XPS 作動態(dynamic)縱深的定量分析,TOF-SIMS 是採用非連續性的脈衝式一次離子源,因此,轟擊樣品時產生的表面能與電荷量可大幅減少,再配合適當的電荷補償,非常適合用於絕緣有機材料的分析。

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若前述在 AES 或 XPS 定性分析的結果,顯示待測樣品含有 C、N、O 這類元素時,並且製程中可能涉及高分子有機材料。此時若需要具體了解是哪種有機化合物,就可以使用 TOF-SIMS 的質譜分析進行精確鑑定。例如:在黃光、蝕刻製程或清洗後的缺陷汙染,通常伴隨著有機溶劑或光阻等殘留,就非常適合使用 TOF-SIMS 來進行分析

除了上述關於表面污染的定性成份分析技術外,其它像是數個奈米厚度的超薄膜,亦可借助的表面分析儀器如原子力顯微鏡(AFM)、X 光繞射儀的 X 光反射(XRR)分析技術,進一步獲取樣品奈米表面形貌、粗糙度,或是厚度等的資訊,為製程開發與品質管理提供更完整的分析依據。(進一步閱讀:借力三大工具,精準量測樣品表面粗糙度

樣品該如何選擇適合的表面分析工具?一張表解決痛點!

當遇到形貌、外觀、顏色甚至電性都不同的各種樣品,該如何選擇正確的分析工具,或是先該從哪一個方式著手?由於每種儀器能夠承載的樣品空間並不固定,並且能夠分析的範圍也都相異。宜特表面分析實驗室準備以下圖表,讓您可以更清楚了解如何根據汙染物的預估深度尺寸以及希望觀察的濃度大小,來進一步了解分析流程。

假設發現的異物汙染無法用顯微鏡確認大小或尺寸,僅確定是局部異常變色,可以先使用 XPS 分析;若 XPS 分析結果是 C、N、O這三個元素,極可能為有機汙染。若要進一步鑑定是哪種有機物,就可以用圖表最末端的 FTIR 或 TOF-SIMS 分析鑑定,以確認汙染來源與成分。

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表面汙染分析儀器的選擇準則。圖/宜特科技

當您遇到難以判斷的狀況或是樣品尺寸不符的窘境,或是想要更清楚如何根據樣品尺寸、大小、汙染處選擇正確的分析儀器嗎?歡迎洽詢宜特官方Line帳號 或來信至 marketing_tw@istgroup.com,我們將奉上一張精心製作的圖表,協助您更加了解表面分析工具。

本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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我們了解你想要的不只是服務,而是一個更好的自己:) iST宜特自1994年起,以專業獨家技術,為電子產業的上中下游客戶, 提供故障分析、可靠度實驗、材料分析和訊號測試之第三方公正實驗室

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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