CMOS-Chip-Platine: eine Analyse

FT-IR-Mikroskope in der Materialanalytik

  • Abb. 2: Visuelles Bild des Bildsensors. Die typische Bayer-Matrix ist sichtbar; die Matrix-Punkte haben einen Durchmesser von ca. 3 μm. Aperturen sind durch rote Rahmen angezeigt; Einstellungen: 38 x 32 μm und 21 x 17 μm.Abb. 2: Visuelles Bild des Bildsensors. Die typische Bayer-Matrix ist sichtbar; die Matrix-Punkte haben einen Durchmesser von ca. 3 μm. Aperturen sind durch rote Rahmen angezeigt; Einstellungen: 38 x 32 μm und 21 x 17 μm.
  • Abb. 2: Visuelles Bild des Bildsensors. Die typische Bayer-Matrix ist sichtbar; die Matrix-Punkte haben einen Durchmesser von ca. 3 μm. Aperturen sind durch rote Rahmen angezeigt; Einstellungen: 38 x 32 μm und 21 x 17 μm.
  • Abb. 1: FT-IR-Mikroskop Lumos (Bruker) mit integriertem Interferometer.
  • Abb. 3: Spektren der Kontamination (grünes Spektrum oben) und der Bayer-Matrix (rotes Spektrum unten), beide mit entsprechendem Bibliotheksspektrum.
  • Abb. 4: Ecke des CMOS-Bildgebungs-Chips mit den Messpositionen als rote Rahmen angezeigt.
  • Abb. 5: Spektren gemessen am Rahmen des bildgebenden Chips. Grün: Spektrum der Polymerbeschichtung, die auf den meisten Messpunkten vorhanden ist. Blau: Spektrum der Verunreinigung. Rot: Spektrum der leeren Metallkontakte.
  • Abb. 6: Bereich der Platine mit Goldkontakt und verschiedenen Messpunkten.
  • Abb. 7: Spektren gemessen auf der Platine mit den Farben entsprechend Abbildung 6. Von oben: Polyamid-Kontamination, Lipid, Epoxidharz und silikonbasierter Lötstopplack.

Die chemische Analyse elektronischer Bauteile gestaltet sich meist schwierig, da moderne Systeme stark miniaturisiert und aus den verschiedensten Materialien zusammengesetzt sind. Vor allem die Identifizierung von Kontaminationen, die oft mikroskopisch klein sind, ist von besonderem Interesse, da diese zu Fehlfunktionen des elektronischen Geräts führen können.

Einleitung
Das Wissen über die chemische Zusammensetzung hilft in den meisten Fällen den Ursprung der Verunreinigung aufzudecken und ermöglicht deshalb eine effektive Fehlerdiagnose. Die Fourier- Transformations-Infrarot(FT-IR)-Mikroskopie ist eine attraktive Methode zur Analyse von sehr kleinen Strukturen bis in den Mikrometerbereich und erlaubt die Identifikation von sowohl organischen als auch anorganischen Komponenten.

Die FT-IR-Mikroskopie ist eine bewährte Technik für die Analyse von Proben, die zu klein oder zu komplex sind, um in einem Standard-IRSpektrometer gemessen zu werden. Sie ermöglicht es, IR-Spektren von sehr kleinen Strukturen mit einer sehr hohen lateralen Auflösung zu messen und dadurch die chemische Zusammensetzung eines sehr definierten Teils der Probe zu bestimmen. Daher ist diese Technik ein nützliches Werkzeug für die Analyse von Verunreinigungen, die Qualitätskontrolle oder für forensische und biomedizinische Anwendungen, um nur einige Einsatzbereiche zu nennen.

Bisher benötigten die meisten handelsüblichen FT-IR-Mikroskope ein zusätzliches FT-IRSpektrometer, was sowohl die Kosten als auch den Bedarf an Laborraum erhöht. Zudem sind derartige Systeme ziemlich komplex in der Bedienung und erfordern daher ein hohes Maß an Qualifikation.

Material und Methoden
Mit dem FT-IR-Mikroskop Lumos (Abb. 1) von Bruker Optik ist nun ein platzsparendes, automatisiertes und einfach zu bedienendes FT-IRMikroskop mit einem integrierten Spektrometer verfügbar. Es handelt sich um ein Komplettsystem mit integriertem Interferometer und einem hohen Automatisierungsgrad mit dedizierter Benutzeroberfläche. Das 8 x-Objektiv bietet die Messmodi ATR, Transmission und Reflexion und erlaubt die Aufnahme qualitativ hochwertiger visueller Bilder.

Der innovative motorisierte Kristall für die abgeschwächte Totalreflexion (ATR) erlaubt einen voll automatisierten Messablauf einschließlich Hintergrund- und Probenmessungen. Ein großer Arbeitsabstand und der ungehinderte Zugang zum Probentisch ermöglichen eine einfache Positionierung der Probe. Das große Sichtfeld von 1,5 x 1,2 mm und die hohe Tiefenschärfe machen die Probenbetrachtung sehr komfortabel. In Kombination mit einem motorisierten Probentisch können vollautomatische Rastermessungen durchgeführt werden.

Der Opus-Video-Assistent führt den Benutzer durch das gesamte Messverfahren und bietet die passenden Funktionen für den aktuellen Messschritt an.

Identifikation von Verunreinigungen
Verunreinigungen wirken sich negativ auf die Produktqualität aus; besonders im Bereich der Mikroelektronik sind sie ein extrem wichtiges Thema. Durch die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauteile, werden diese auch zunehmend anfälliger für alle Arten von Verunreinigungen.

Im ersten Beispiel wird ein CMOS-Bildsensor analysiert, der Verunreinigungen sowohl auf dessen Randbereich als auch auf der aktiven Sensor-Matrix zeigt. Vor allem die Verunreinigungen auf der Sensor-Matrix können merkliche Auswirkungen auf die Bildqualität haben und es ist daher entscheidend, deren Quelle ausfindig zu machen.

Mit der im Gerät integrierten Video-Kamera wurden visuelle Bilder der Probe aufgenommen. Für die Messung der IR-Spektren wurde der motorisierte ATR-Kristall verwendet. Abbildung 2 zeigt eine Kontamination, die sich direkt auf der Bayer-Matrix des Bild-Sensors befindet. Die Bayer-Matrix ist ein Farbfilterfeld, das auf den meisten bildgebenden Sensoren gefunden werden kann, um Farbbilder zu erzeugen. Es besteht aus roten, grünen und blauen Farbfiltern mit doppelt so vielen grünen Elementen wie roten oder blauen, um die Physiologie des menschlichen Auges zu imitieren. Im Beispiel haben die einzelnen Filterpunkte einen Durchmesser von ca. 3 μm, wobei zwei unterschiedliche Reihen erkennbar sind: Eine aus abwechselnd roten und grünen Punkten und die andere aus abwechselnd blauen und grünen Filterpunkten.

Ein sauberer Bereich des Chips wurde analysiert und das Spektrum wurde durch eine Bibliothekssuche als „Poly(methylmethacrylat): Butadien“ identifiziert. Abbildung 3 zeigt das gemessene Spektrum (rot) zusammen mit dem Spektrum aus der Bibliothekssuche (blau). Offensichtlich ist die Filter-Matrix von einer Polymer-Schicht bedeckt. Das Spektrum der Verunreinigung (grün) ist im oberen Teil von Abbildung 3 zusammen mit dem entsprechenden Bibliotheksspektrum (dunkelblau) abgebildet. Die Kontamination wurde als ein Polyamid identifiziert, höchstwahrscheinlich aus einem synthetischen aliphatischen Polyamid, wie zum Beispiel Nylon.

Abbildung 4 zeigt die komplex strukturierte Ecke des Chips einschließlich Drahtkontakten, von denen zwei unbenutzt sind. Eine Analyse der insgesamt zwölf Messpunkte zeigt, dass die meisten Spektren dem in Abbildung 5 dargestellten grünen Spektrum ähneln, das auch auf der sauberen Bayer-Matrix gemessen wurde. Da alle optisch unterschiedlichen Positionen ein ähnliches Infrarotspektrum aufweisen, befindet sich offenbar eine transparente polymere Schutzschicht auf dem ganzen Chip. Es gibt nur zwei Ausnahmen: Zum Einen die beiden rechteckigen Kontaktflächen (a), die beide keine Absorption über den gesamten Mittelinfrarot-Bereich zeigen, was auf saubere Metalloberflächen (siehe rotes Spektrum in Abb. 5) hindeutet. Zum Anderen die Verunreinigung oben rechts, von der zwei Spektren aufgenommen wurden (b). Die Spektren zeigten noch einige Merkmale des Polymer- Hintergrunds, die eliminiert wurden, bevor die Bibliothekssuche durchgeführt wurde. Das resultierende Spektrum (blau in Abb. 5) ist wiederum ein typisches Polyamid-/ Proteinspektrum, ähnlich dem bereits auf dem Sensorbereich gemessenen.

Material- und Kontaminationsanalyse
Zusätzlich zu dem CMOS-Chip wurde ein Goldkontakt auf der Platine mit den umliegenden Strukturen analysiert (siehe Aufmacherbild, Abb. 6). Abbildung 7 zeigt die Spektren in derselben Farbe wie die Messpunkte. Das oberste Spektrum wurde auf einer kleinen dunklen Kontamination gemessen, die sich auf dem Goldkontakt befindet und abermals ein typisches Polyamid-Spektrum zeigt. Interessanterweise zeigt die scheinbar saubere Goldoberfläche deutliche Absorptionsbanden. Diese sind höchstwahrscheinlich auf einen Lipid-Film zurückzuführen, welcher den Kontakt bedeckt. Dieses Ergebnis zeigt, dass sogar Kontaminationen, die im sichtbaren Bild nicht nachweisbar sind, mithilfe der FT-IR-Spektroskopie gefunden und identifiziert werden können.

Der schwarze Ring um den Goldkontakt zeigt das Spektrum eines Epoxidharzes und stammt wahrscheinlich von dem unbeschichteten Platinen-Basismaterial.

Die Spektren, die auf den orangenen Messpositionen gemessen wurden, sind alle sehr ähnlich und stammen aus einer Lötstopplack- Schicht, die auf Silikon basiert und einen Großteil der Platine bedeckt

Zusammenfassung
Das verwendete FT-IR-Mikroskop ist ein kompaktes und vollmotorisiertes eigenständiges FT-IRMikroskop mit niedrigen Betriebskosten. Seine spezielle Software führt den Anwender schrittweise durch die mikroskopische Analyse und ermöglicht auch unerfahrenen Anwendern, das System effektiv zu bedienen. Der vollautomatisierte Messablauf spart bei allen Messmodi einschließlich ATR Zeit. In Kombination mit der eingebauten Bibliothekssuchfunktion ist es möglich unbekannte Proben schnell zu identifizieren. Die Leistungsfähigkeit macht das Lumos zu einem Gerät für die Analyse von Fehlern und Verunreinigungen in verschiedenen elektronischen Bauteilen. Neben der chemischen Analyse von Kontaminationen kann eine Fülle von weiteren materialbezogenen Informationen auch auf sehr kleinen und komplexen Proben gesammelt werden. Auch vergleichbare analytische Fragestellungen, wie beispielsweise Einschlüsse in Polymeren und Kautschuk, Mängel an mechanischen Teilen und Kontaminationen in pharmazeutischen Produkten können ohne methodenspezifische Fähigkeiten beantwortet werden.

 

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Rudolf-Plank-Str. 27
76275 Ettlingen
Germany

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