应用于微焊点金属间化合物中的EDS和EBSD技术

简介

随着二维到三维集成电路的转变，半导体工业中芯片的互联形式已经从二维互联转变为硅通孔3D互联，这意味着焊点尺寸有望减小至几个微米。在这一过程中，Sn基钎料因其良好性能而被广泛使用。然而，在实际的焊接过程中，Sn与母材之间会发生反应，从而形成Cu6Sn5和Cu3Sn两种相，这些相对于微电子设备的性能和可靠性具有不利影响。

为了解决这些问题，研究人员使用能谱(EDS)及背散射电子衍射技术(EBSD)对微焊点中的成分、晶体结构、晶粒取向、大小等进行快速表征。通过这些技术手段，可以高效地监测和控制微焊点的形成和演化过程，从而提高微电子设备的性能和可靠性。因此，EDS和EBSD技术的应用为半导体工业中焊点设计与工艺优化提供了重要的参考和指导意义。

实验结果

通过使用Ultim Max170能谱探测器，我们对某微焊点区域的成分进行了分析。根据图1(a)的结果显示，焊点的两侧主要是Cu和Ni元素，而中间区域则存在Sn和少量Ag颗粒。为了更详细地了解中间区域的结构，我们进一步使用了AutoPhaseMap功能，结果如图1(b)所示。从图中可见，中间区域的相结构相对较为复杂，存在多种不同的相。

菊池带衬度分布图(图1(c))显示了各层晶粒的形貌，非常清晰可见。而将相结构与菊池带衬度叠加在一起的图1(d)显示，在我们分析的区域内共存在六种不同的相。图中的表格给出了各相的晶体学参数。其中，Cu相和Ni相都具有立方结构，并且它们的晶格常数非常接近（分别为3.61Å和3.57Å）。如果仅使用EBSD技术，很难正确区分这两种相。然而，AZtec软件的TruPhase功能可以利用能谱来实时区分具有相似晶体结构但成分不同的相。通过仅耗时14分钟的数据采集，Symmetry EBSD技术体现出其高分辨率和高速度的特点。最终，我们确认了中间区域的结构如图(d)所示。

同时，我们还利用定量线扫描分析(Quantline)研究了中间区域中Ni元素的分布（图1(b)中黑线范围）。结果显示，在该区域中大约含有约1%左右的Ni元素，很可能是稳定的(Cu,Ni)6Sn5相。

图1焊点区域 (a) EDS Layered Image; (b) EDS AutoPhaseMap; (c) EBSD Band Contrast Map; (d) EBSD Phase与Band Contrast叠加图; (e) 图(b)黑线位置定量线扫描

针对中间区域，我们进行了取向和晶粒大小的分析。图2(a)展示了Cu6Sn5相的菊池带衬度与IPF Y方向的叠加图。晶粒的颜色与反极图中的颜色相对应。另外，图2(b)展示了Cu3Sn相的菊池带衬度图、IPF Y图以及大角晶界的叠加图。该相中的晶粒呈等轴晶结构，平均晶粒尺寸约为350nm。从反极图可以观察到，Cu3Sn相中部分晶粒的[001]晶向趋于与Y方向平行。

图2 IMCs区域 (a) η相IPF Y与BC叠加图;  (b) Cu3Sn IPF Y与BC叠加图及晶粒尺寸分布

总结

我们使用Ultim Max170能谱和Symmetry EBSD技术对微焊点的成分和结构进行了表征。Ultim Max170能谱具有较大的晶体面积和高采集计数率等特点。而Symmetry EBSD技术则兼具高速度和高分辨率的特点。在本研究中，我们同时标定了六种物相，并同时采集了能谱，仅耗时14分钟。这得益于强大的AZtecEBSD软件，它保证了物相分析和定量结果的可靠性，并且能够进行后处理，获得准确的晶粒取向和大小等分析结果。

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