发布时间：2024-04-18 来源：网络
芯片结构内部有问题，想要进行切片观察，方式好几种，该如何针对样品属性，选择正确分析手法呢？
IC 设计后，在进行后续的样品功能性测试、可靠度测试（Reliability Test），或故障分析除错（Failure Analysis &Debug）前，必须针对待测样品做样品制备前处理（sample preparation），透过IC 切片方式，进行断面/横截面观察（Cross-section））。此步骤在确认芯片内的金属接线、芯片各层之间结构（structure）、锡球接合结构（solder joint）、封装打线（wire bonding）等各种可疑缺陷（defect），扮演相当关键性重要角色。
然而观察截面的方式有好多种，有传统机械研磨（Grinding）方式，透过机械手法抛光（polish）至所需观察的该层（Layer）位置; 或是透过离子束（Ion Beam）方式来进行切削; 那么，每一种分析手法到底有哪些优势呢？又该如何选择哪一种切片手法，才能符合您欲观察的样品型态呢？本期小学堂，将带来四大分析手法，从针对尺寸极小的目标观测区（如纳米等级的先进制程缺陷），或是大面积结构观察（如微米等级的硅穿孔TSV），让你快速找到适合的分析手法，进行断面/横截面观察（Cross-section）更得心应手！
一、传统机械研磨（Grinding）：样品制备时间长，观测范围可 15cm 以内
传统机械研磨（Grinding）最大优势，是可以达到大面积的观察范围（15cm皆可），跨越整颗裸片（Die），甚至是封装品（Package），因此在需全面性检视堆叠的结构或是尺寸量测等等，就适合使用Grinding 手法（图一）。此手法可透过机械切割、冷埋、研磨、抛光四步骤，抛光（polish）至所需观察的位置。
▲图一（左）：裸片（Die）剖面研磨; 图一（中）&（右）铜制程剖面研磨
不过传统研磨也有两项弱点，除了有机械应力容易产生结构损坏，如变形、刮痕外，此项操作也非常需要依靠操作人员的执行经验（图二）， 经验不足者，恐导致过头而误伤到目标观测区，而造成影响。
二、离子束：Cross-section Polisher（CP）：除了截面分析，需要微蚀刻也可靠它
相较于传统机械研磨（Grinding），Cross-section Polisher（简称 CP）的优点在于，利用离子束切削（ion milling）作最后的 ending cut，可以减低多余的人为损伤，避免传统研磨机械应力产生的结构损坏。且除了切片外，CP 还有另一延伸应用，就是可以针对样品进行表面微蚀刻，冰球突破游戏网站在线玩来帮助您解决研磨后造成的金属延展或变形问题。因此若您欲观察金属堆叠型之结构、界面合金共化物 Intermetallic compound（简称 IMC），CP 是非常适合的分析手法。
CP 的手法，就是先利用研磨（Grinding）将样品先停在目标区前，再使用氩离子 Ar+，取其一范围切削至目标观测区，此做法不仅能有效缩短分析时间，后续再搭配扫描式电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称 SEM）进行拍摄，将能够完整呈现绝佳材料对比（图三）。
▲图三：SEM 影像，左图为研磨后的IC 结构，层与层间材料对比并不清晰; 相较下右图为 CP 切削后的 IC 结构，layer 与 layer 间界线分界清晰。
此待测样品为BGA封装形式，想要针对特定的锡球（bump）进行分析，透过CP，可观察1mm的范围面积，仅需1小时，即可完成切片。后续再搭配 SEM，即可清楚呈现锡球表面材料分布情形（图四）。
▲图四：SEM 影像; 图四（a）为透过 CP 的 cross section，可将整颗 bump 完整呈现; 图四（b）是用传统机械研磨（grinding）完成之BGA，其bump之IMC虽可看到，但因研磨延展无法完整呈现; 图四（c）是用 CP 完成之 BGA，其 bump 之 IMC 对比清晰，可清楚看到材料对比的差异。
常见PCB板叠孔结构，如遇盲孔（Blind Via Hole，简称BVH）与铜层（Cu layer）结合力较弱时，在制程后期的热处理过程中，容易导致盲孔与铜层拉扯出裂缝（crack），造成阻值不稳定等异常情形。一般人常使用的手法，是通过传统机械研磨（Grinding）来检测，但这样的处理方式常常造成铜延展变形而影响判断。我们可以利用 CP，针对盲孔 BVH 结构进行 CP milling 将此问题解决，且处理范围可达 10mm 以上之宽度（图五）。
三、Plasma FIB（简称 PFIB）：不想整颗样品破坏，就选择它来做局部分析
在3D-IC半导体工艺技术中，不想用研磨（grinding）将样品整个破坏，这时就可考虑使用「电浆聚焦离子束显微镜（Plasma FIB，简称PFIB）」分析手法，结合电浆离子蚀刻加工与SEM观察的功能，适用于分析范围在50-500 um的距离内，可进行截面分析与去层观察（阅读更多：先进制程芯片局部去层找 Defect 可用何种工具），甚至针对特定区域亦可同时边切边观察，不用担心因盲目切削而会有误伤目标区的状况，确保异常或是特定观察结构的完整性（图六）。
四、Dual Beam FIB（简称 DB-FIB）：适用数纳米小范围且局部的切片分析
结合镓离子束与SEM的双束聚焦离子束显微镜（Dual Beam FIB，冰球突破游戏网站在线玩简称DB-FIB），能针对样品中的微细结构进行纳米尺度的定位及观察（图七），适用于分析范围在50um以下的结构或异常观察; 同时亦可进行 EDX 以及电子背向散射（Electron Backscatter Diffraction，冰球突破游戏网站在线玩简称 EBSD）的分析，可得到目标区的成分以及晶体相关信息，除了上述分析之外，当观察的异常区域或结构太小，用 SEM 无法得到足够的信息时，DB-FIB 也可以执行穿透式电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称 TEM）的试片制备，后续可用 TEM 进行更高分辨率的分析。
▲图七：DB-FIB 搭配 SEM 与镓离子枪，可针对异常及微区结构进行定位与分析。
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