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OM 光学顕微鏡

光学顕微鏡
光学顕微鏡(Optical Microscope, OM)は、可視光を用いてサンプルの表面を照射し、反射、散乱、光学的コントラストの違いを利用して、迅速に部品、材料、構造のマクロな形状を明らかにし、後続の分析の重要な基準点を提供します。故障分析、プロセス開発、材料研究のプロセスにおいて、OMは第一線の観察ツールであり、エンジニアが最短時間でサンプル全体の状況を把握し、後続のSEM、FIB、TEMなどのより高解像度技術に進む必要があるかどうかを判断するのを助けます。
OM技術の原理
可視光イメージング、光学的回折限界と解像度特性

光学顕微鏡の利用可視光(波長 400–700 nm)照射を行うと、光が試料表面と相互作用して反射または散乱が生じると、異なる画像コントラストが形成されます。しかし、可視光の波長が長いため、OMの理論的解像度(すなわち、2点が識別できる最小距離)は約0.2 μm,これによりOMの最高有効倍率は約1000倍ですOMの機能は「ナノの詳細を解析する」ことではなく、「迅速に完全なマクロ構造の状況を取得する」ことにあり、すべての詳細分析の出発点です。

 

  • 電子顕微鏡(SEM/TEM)よりも解像度は劣りますが、OMは顕著な利点を持っています:
  • 視野が広い:広い面積を迅速にスキャンできるため、プロセスの一貫性や大規模な欠陥を判断するための最適なツールです。
  • 高速:量産監視、プロセス比較、故障位置特定に適しています。
  • 高い耐性:金属層、シリコンウェハ、パッケージ、PCB、断面、デレイヤーなどのさまざまなサンプルに適しています。
  • 非破壊性:真空を必要とせず、金属コーティングを必要とせず、サンプルの元の状態で迅速に観察を行うことができる。
OM分析アプリケーション
材料、断面から製造プロセスの診断に至る重要なツール

光学顕微鏡(OM)はナノスケールの詳細を解明することはできませんが、その広視野、高速、低侵襲性と高い許容度の特性により、電子、半導体、材料分野で最も一般的に使用され、最も即時的な価値を持つ観察方法となっています。以下は、OMが産業で最も代表的な分析用途とエンジニアリングシーンの説明です:

 

1. 断面構造観察(Cross-section Analysis)

断面を準備した後、OMを通じてサンプルの全体構造の配置と界面の挙動を明確に観察できるため、パッケージング、PCB、モジュール、材料工学で最も一般的な初期構造検査方法です。

 

観察可能な内容 応用シチュエーション
  • 金属層の厚さ:設計仕様を比較し、コーティングの均一性とプロセスの安定性を確認します。
  • VIA / TSV 構造の完全性:穴埋めの完全性、側壁の形状、銅柱またはスルーホールに空洞、ずれ、または収縮がないかを確認します。
  • はんだの形状と濡れ性:はんだ点が均一であるか、ボイドが発生しているか、IMC層(中間金属化合物)が異常であるかを評価します。
  • パッケージ界面観察:含まれる:ダイアタッチ面、モールド充填、アンダーフィル分布など。
  • 材料間の剥離、亀裂および破壊挙動:失敗位置を特定し、機械的/熱的応力によって引き起こされた損傷を判断するために使用されます。
  • パッケージ(Package)開発と構造検証

  • PCB/PCBA はんだ点品質検査

  • WLCSP、BGA、QFNのパッケージ検査

  • RA 信頼性試験後の構造破壊解析(Drop、TC、HTS 後)

2. IC デレイヤー構造確認

デレイヤ分析(平面デレイヤ)は、チップの動作ロジックを破壊せずに金属層と誘電体層を一層ずつ除去し、内部回路構造を観察する手法です。OM は IC 層別解析における最も重要な初期観察およびプロセス監視ツールです。

 

観察可能な内容 応用シチュエーション
  • 金属層レイアウト(Metal Routing):各層の金属が設計通りに配置されているか、断線、短絡、焼損、偏食がないかを確認する。
  • 回路の完全性(Integrity Check):破壊を引き起こさないように層除去プロセスを確保し、分析対象の位置が正しいか確認します。
  • プロセス残渣(Process Residue)またはドライエッチング異常:ポリマー残渣、残膜の洗浄不足、局所腐食など。
  • 大面積欠陥の位置決め:過電圧による焼損、エレクトロマイグレーション(Electromigration)によるホットスポット、金属のオープン不良、黒化、焦げ
  • IC設計検証、競合比較
  • 故障解析(FA)オープン/ショート異常の位置特定
  • プロセス比較またはバッチ差異分析
  • ESD、EOS、Latch-up 故障後の初期位置特定

3. 析出物空乏帯(PFZ)分析

PFZは金属材料(例えばアルミニウム合金)が熱処理またはひずみ後に、結晶境界付近に現れる析出物空乏領域であり、金属材料工学における重要なパラメータであり、熱処理の影響と材料劣化を判断するために使用されます。

 

観察可能な内容 応用シチュエーション
  • PFZの幅と分布
  • Al合金の微細構造変化
  • 析出物が材料の強度、延展性、信頼性に与える影響
  • アルミ線(Al Wire)接合(Wire Bond)評価
  • パッケージ材料の信頼性分析

  • アルミニウム金属堆積プロセスの品質監視

  • 熱処理後の構造変化評価

  • 長期信頼性試験(HTS、HTOL、Burn-in)後の材料劣化

4. ひずみ線、エッチング異常と結晶欠陥の観察

OMは、結晶成長、熱処理、またはエッチングプロセスによって引き起こされる表面欠陥を迅速に識別でき、ウェーハの前工程(FEOL)および材料研究において重要な検査項目です。

 

観察可能な内容 アプリケーションシナリオ
  • 差排線:結晶成長の欠陥や応力によって引き起こされる転位。
  • 過剰エッチング(Over-etch)によって引き起こされる凹みと形状の変化:ドライエッチングおよびウェットエッチングプロセスが正常かどうかを反映します。
  • プロセスの痕跡、表面プロファイル:エッチング速度、アンダーカット、エッチングの均一性などを確認するために使用されます。
  • 結晶の破裂、スリップ、コーティングの剥離などのマクロ欠陥
  • ウェハ FEOL プロセス監視

  • 材料熱処理失敗メカニズム分析

  • RA 信頼性試験後のダイ破壊検証

  • 高温ストレスによる結晶スリップの観察

5. 酸化重ね差(酸化誘発スタッキングフォルト、OISF)研究

酸化スタッキングフォールトは、高温酸化プロセス中に双晶欠陥または結晶欠陥の拡散によって生じるスタッキングフォールトです。OMは酸化スタッキングフォールトの分布と拡散プロファイルを明確に示すことができ、シリコンウェハー材料の重要な品質指標であり、成長および酸化プロセスの分析に使用されます。

 

観察可能な内容 応用シチュエーション
  • OISF 環の位置と半径
  • 欠陥拡散挙動
  • ウェハの酸化工程による転位の変化
  • SOIと特殊基板の欠陥分布
  • シリコンウェハの材料品質検査

  • 酸化プロセス改善評価

  • シリコン材料供給業者の比較

  • SOI(Silicon On Insulator)材料分析

MA-tek OM 設備能力
多モーダル光学イメージングをサポートし、異なる材料とプロセスのニーズに応えます。

MA-tekは多様なOM光学顕微鏡を配置しており、低倍率の大視野観察から高倍率の微細構造識別までの完全なイメージング能力をカバーしています。材料構造、表面形状、プロセス特性を深く表現し、半導体、パッケージング、材料工学などの異なる分野の観察ニーズを満たします。

  • 図|(a) 50-1000X (b) 100-500X / 40-200X / 5-75X (c)50-1000X 

  • 図|(a) メタル (b) ポリ (c) OD/AA

倍率 倍率範囲 応用
50–1000X 高倍率。ICのデレイヤ、金属層構造、界面観察、微小欠陥検出(オーバーエッチ、IMD異常など)に使用されます。 高分解能構造比較、微細欠陥およびプロセス異常の位置特定、Delayer 精密層分析
100–500X 中高倍率。PCB/PCBA のはんだ接合部、パッケージ界面、薄膜厚さおよび金属分布の分析に使用します。 はんだ点 IMC、パッケージ界面、金属層とワイヤーの形状
40–200X 中倍率、結晶粒の分析、Delayerの層位置確認、初歩的な構造検査に使用されます。 構造の層確認、結晶粒分析、エッチングプロファイルスキャン
5–75X 低倍率大視野、外観検査、断面スキャン、ウェハ破損、パッケージ剥離などのマクロ欠陥の特定に使用されます。 外観検査、断面大視野、パッケージ破壊、ウェハ欠陥スキャン
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