原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）对纳米尺度缺陷与残留物的化学分析

背景

在许多制造流程中，缺陷管控至关重要。缺陷会导致产品良率下降、成品可靠性降低乃至功能失效。缺陷可能源自外来污染物引入、材料去除不彻底（产生残留）、组成材料或清洁剂的意外反应，以及由热/湿气/光线等外部因素引发的缓慢化学变化。所有这些情形中，缺陷的化学构成都是关键信息，能为制造工程师追溯缺陷根源提供依据。

现有分析技术

多数分析实验室配备的元素分析技术（如能量色散X射线光谱EDX、全反射X射线荧光TXRF、具有纳米级空间分辨率的俄歇电子能谱）可满足先进制造对缺陷元素信息的常规需求。虽然这些技术能有效识别金属及部分无机材料，但对组成元素相同的有机/无机材料鉴别力不足，因其无法提供化学键信息。
分子信息分析则主要依靠傅里叶变换红外光谱（FTIR），但其空间分辨率过低（＞10µm），故常需结合拉曼光谱、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和X射线光电子能谱（XPS）等技术。其中TOF-SIMS具有最高标称空间分辨率（约200nm）和低检测限优势，但存在样品破坏性、真空兼容性要求高及分析复杂等局限。

鉴于当前缺陷分析仪器体系的现状，当缺陷横向尺寸小于1微米时，联合使用多种技术”推测”缺陷分子性质已成为常态；若缺陷厚度极薄（＜100nm），因部分技术在此尺度信噪比恶化，分析难度将进一步加剧。

光诱导力显微镜技术

IR PiFM凭借其卓越的空间分辨率与灵敏度，非常适用于纳米尺度缺陷与残留物的分子分析。相较于前述多技术联用的推测性分析，PiFM常能基于成熟的FTIR光谱库对缺陷进行明确鉴定。尽管PiF-IR光谱采集自约10纳米区域，其与体相FTIR光谱高度吻合，可精准识别小至10纳米的缺陷。

采用光诱导力显微镜（PiFM）的纳米颗粒缺陷分析

图1展示了在20纳米聚苯乙烯（PS）纳米颗粒及云母基底上采集的PiF-IR光谱，并附二者对应的体相FTIR参考光谱。插图分别显示1492 cm⁻¹与1025 cm⁻¹波数处的形貌图与PiFM图像，以突出PS颗粒与云母基底。形貌图清晰显示颗粒高度约20纳米（参见图像上方对比标尺），横向尺寸约50纳米——该尺寸扩张源于探针针尖曲率半径的卷积效应（因金属涂层处理，曲率半径典型值约为30纳米）。1100至1360 cm⁻¹区间出现的额外光谱特征可能源于与PS颗粒共沉积的液相分子（如表面活性剂）。

图2展示基于PiF-IR光谱鉴定硅晶圆表面未知缺陷的典型案例。图2a显示缺陷尺寸约100纳米，厚度约3纳米。基底光谱在1090 cm⁻¹附近呈现本征氧化硅的典型特征峰，而缺陷光谱与聚四氟乙烯（Teflon）的FTIR光谱高度吻合，表明该纳米缺陷为类聚四氟乙烯材料。图2b呈现高度约15纳米、尺寸约50纳米的缺陷。结合探针曲率半径判断，该缺陷应为直径约15纳米的球形颗粒。基底与颗粒的多点光谱均呈现可重复特征：硅基底以1060 cm⁻¹为中心的宽峰为特征，颗粒光谱则与二氧化硅FTIR光谱匹配。这些案例证明PiFM技术可同等高效地识别有机与无机纳米材料。

残留物分析的PiFM应用

残留物是另一种常见缺陷类型。当残留物呈超薄形态时，现有显微或光谱技术极难检测其存在。图3展示键合垫上残留物的典型案例，该残留导致键合界面与配对部件粘附异常。PiF-IR光谱清晰揭示了该残留物作为加工工序副产物的化学特征。图3a显示键合垫形貌，3b则呈现与残留缺陷特征吸收波数对应的PiFM图像。

在PiFM成像中，信号强度与吸收强度直接相关。因此图3b中金色区域即为残留物分布区。由于形貌图未显示与残留物相关的特征结构（仅呈现键合垫金属颗粒的晶粒结构），可推断该残留物厚度至多为数纳米。本例中 intentionally 未具体说明金属垫与残留物的化学属性。

总结

综上所述，IR PiFM是一种强大的分子分析工具，即使对于尺寸小至约10纳米且呈超薄形态的未知缺陷与残留物，也能实现精准分析。当缺陷尺寸过小或过薄，导致TOF-SIMS、XPS、FTIR、拉曼光谱及SEM/EDS等现有技术无法有效检测时，IR PiFM能够提供关键化学信息，揭示缺陷的本质特性。