BSE Imaging là gì?

BSE (Backscatter Electron Imaging) là phương pháp hình ảnh sử dụng electron tán xạ ngược – loại electron bị phản xạ lại sau khi tương tác với hạt nhân nguyên tử trong mẫu. Số lượng electron tán xạ ngược tỉ lệ thuận với số nguyên tử (Z) của nguyên tố tại vùng tương tác, tạo nên sự khác biệt rõ rệt trong hình ảnh.

Hình ảnh BSE (Backscatter Electron Imaging) là một kỹ thuật trong hiển vi điện tử quét (SEM), rất hiệu quả để phát hiện sự khác biệt về số nguyên tử tại và bên dưới bề mặt mẫu vật. Trong lĩnh vực phân tích lỗi vi mạch (failure analysis), kỹ thuật này hỗ trợ phát hiện các khuyết tật như rỗ kim loại và tạp chất Z cao nằm dưới lớp passivation.

BSE hỗ trợ như thế nào trong phân tích lỗi?

Trong quá trình phân tích lỗi bán dẫn và IC, hình ảnh BSE giúp:

• Phát hiện rỗ kim loại trong các lớp dẫn như Al.

• Phát hiện tạp chất Z cao nằm dưới lớp bề mặt.

• Nhận biết sự phân tầng về nguyên tử số giữa các lớp vật liệu.

Tuy nhiên, BSE không xác định trực tiếp nguyên nhân gốc rễ của lỗi. Các dị thường phát hiện cần được kết hợp với các kỹ thuật khác như EDX, FIB hoặc TEM để phân tích chi tiết hơn.

Điều chỉnh năng lượng chùm electron để khảo sát theo chiều sâu

Một lợi thế lớn của BSE Imaging là khả năng điều chỉnh năng lượng chùm sơ cấp, cho phép kiểm tra các dị thường ở nhiều độ sâu khác nhau:

• Năng lượng thấp: Quan sát rõ lớp bề mặt.

• Năng lượng cao: Xuyên sâu hơn vào cấu trúc, đôi khi đến lớp barrier metal như TiW.

Ví dụ: Khi cần phát hiện rỗ khí (Z=0) trong lớp Al (Z=13), nhưng bên dưới là lớp TiW (Z cao hơn), cần giảm năng lượng để tránh tín hiệu mạnh từ lớp TiW che khuất rỗ kim loại.

BSE Imaging được thực hiện như thế nào?

BSE Imaging yêu cầu hệ thống SEM có trang bị detector chuyên biệt cho electron tán xạ ngược – thường là cảm biến bán dẫn diện tích lớn đặt phía trên mẫu. Ngoài ra, detector electron thứ cấp (secondary electron detector) cũng có thể sử dụng để thu tín hiệu BSE nếu loại bỏ điện áp dương trên lồng Faraday bảo vệ photomultiplier, cho phép thu electron tán xạ theo hướng về detector. Do số lượng electron tán xạ ngược nhỏ hơn nhiều so với electron thứ cấp dưới cùng điều kiện chiếu xạ, dòng điện chùm (beam current) cần lớn hơn 5–10 lần để đạt tỉ lệ tín hiệu/nhiễu tốt.

Electron tán xạ ngược có mức năng lượng từ 50 eV < E < E* (với E* là năng lượng chùm sơ cấp), phát ra từ độ sâu lớn hơn so với electron thứ cấp, chủ yếu từ khoảng 1/3 độ sâu tương tác tối đa. Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của bề mặt lên ảnh, vốn là hạn chế lớn của hình ảnh electron thứ cấp. Độ tương phản hình ảnh BSE bị chi phối chủ yếu bởi số nguyên tử trong vùng tương tác, cho thấy sự tán xạ hạt nhân là tương tác chính. Do tính chất tán xạ phức tạp (đàn hồi và không đàn hồi), không có mô hình lý thuyết chính xác, nhưng có thể rút ra một số đặc điểm thực nghiệm:

• Độ phân giải không gian phụ thuộc vào kích thước thể tích tương tác – luôn thấp hơn hoặc bằng hình ảnh electron thứ cấp.

• Có thể cải thiện độ phân giải bằng cách thay đổi năng lượng chùm electron sơ cấp.

• BSE Imaging không phải là kỹ thuật độ phân giải cao, mà dùng để phát hiện rỗ kim loại và kiểm tra thành phần bên dưới bề mặt.

Đặc điểm ảnh và giới hạn của BSE

Ưu điểm:

• Độ tương phản hình ảnh BSE rất nhạy với số nguyên tử.

• Có khả năng “xuyên” qua lớp passivation và lớp kim loại mỏng.

Hạn chế:

• Độ phân giải không cao bằng ảnh SE.

• Không thể phát hiện tạp chất Z thấp hoặc gần bằng vật liệu nền.

• Không thể xác định chính xác bản chất hoặc thành phần hóa học – cần kết hợp EDX.

Nếu bạn cần phát hiện rỗ khí, tạp chất Z cao, hoặc lỗi tiềm ẩn dưới lớp bề mặt trong vi mạch. Tuy nhiên, nên sử dụng sau các phương pháp nhẹ hơn, và không dùng đơn lẻ để đưa ra kết luận về nguyên nhân lỗi.