宜特小學堂：四大 IC 切片手法哪一種最適合你的樣品

晶片結構內部有問題，想要進行切片觀察，方式好幾種，該如何針對樣品屬性，選擇正確分析手法呢？

IC 設計後，在進行後續的樣品功能性測試、可靠度測試（Reliability Test），或故障分析除錯（Failure Analysis &Debug）前，必須針對待測樣品做樣品製備前處理（sample preparation），透過 IC 切片方式，進行斷面/橫截面觀察（Cross-section)）。此步驟在確認晶片內的金屬接線、晶片各層之間結構（structure）、錫球接合結構（solder joint）、封裝打線（wire bonding）等各種可疑缺陷（defect），扮演相當關鍵性重要角色。

然而觀察截面的方式有好多種，有傳統機械研磨（Grinding）方式，透過機械手法拋光（polish）至所需觀察的該層（Layer）位置；或是透過離子束（Ion Beam）方式來進行切削；那麼，每一種分析手法到底有那些優勢呢？又該如何選擇哪一種切片手法，才能符合您欲觀察的樣品型態呢？本期小學堂，將帶來四大分析手法，從針對尺寸極小的目標觀測區（如奈米等級的先進製程缺陷），或是大面積結構觀察（如微米等級的矽穿孔 TSV），讓你快速找到適合的分析手法，進行斷面/橫截面觀察（Cross-section）更得心應手!

一、傳統機械研磨（Grinding）: 樣品製備時間長，觀測範圍可 <15cm 以內

傳統機械研磨（Grinding）最大優勢，是可以達到大面積的觀察範圍（<15cm皆可），跨越整顆晶粒（Die），甚至是封裝品（Package），因此在需全面性檢視堆疊的結構或是尺寸量測等等，就適合使用 Grinding 手法（圖一）。此手法可透過機械切割、冷埋、研磨、拋光四步驟，拋光（polish）至所需觀察的位置 (閱讀更多請點此) 。

▲圖一（左）：晶粒（Die）剖面研磨；圖一（中）&（右）銅製程剖面研磨

不過傳統研磨也有兩項弱點，除了有機械應力容易產生結構損壞，如變形、刮痕外，此項操作也非常需要依靠操作人員的執行經驗（圖二），經驗不足者，恐導致過頭而誤傷到目標觀測區，而造成影響。

▲圖二：傳統研磨相當依靠操作人員的執行經驗

二、離子束：Cross-section Polisher（CP）：除了截面分析，需要微蝕刻也可靠它

相較於傳統機械研磨（Grinding），Cross-section Polisher（簡稱 CP）的優點在於，利用離子束切削（ion milling）作最後的 ending cut，可以減低多餘的人為損傷，避免傳統研磨機械應力產生的結構損壞。且除了切片外，CP 還有另一延伸應用，就是可以針對樣品進行表面微蝕刻，來幫助您解決研磨後造成的金屬延展或變形問題。因此若您欲觀察金屬堆疊型之結構、界面合金共化物 Intermetallic compound（簡稱 IMC），CP 是非常適合的分析手法。

CP 的手法，就是先利用研磨（Grinding）將樣品先停在目標區前，再使用氬離子 Ar+，取其一範圍切削至目標觀測區，此做法不僅能有效縮短分析時間，後續再搭配掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱 SEM）進行拍攝，將能夠完整呈現絕佳材料對比（圖三）。

▲圖三：SEM 影像，左圖為研磨後的 IC 結構，層與層間材料對比並不清晰;相較下右圖為 CP 切削後的 IC 結構，layer 與 layer 間界線分界清晰。

案例一：CP 的 cross section 能力，快又有效率

此待測樣品為 BGA 封裝形式，想要針對特定的錫球（bump）進行分析，透過 CP，可觀察 1mm 的範圍面積，僅需 1 小時，即可完成切片。後續再搭配 SEM，即可清楚呈現錫球表面材料分布情形（圖四）。

▲圖四：SEM 影像；圖四（a）為透過 CP 的 cross section，可將整顆 bump 完整呈現；圖四（b）是用傳統機械研磨（grinding）完成之 BGA，其 bump 之 IMC 雖可看到，但因研磨延展無法完整呈現；圖四（c）是用 CP 完成之 BGA，其 bump 之 IMC 對比清晰，可清楚看到材料對比的差異。

案例二：透過 CP milling 解決銅延展變形的狀況

常見 PCB 板疊孔結構，如遇盲孔（Blind Via Hole，簡稱 BVH）與銅層（Cu layer）結合力較弱時，在製程後期的熱處理過程中，容易導致盲孔與銅層拉扯出裂縫（crack），造成阻值不穩定等異常情形。一般人常使用的手法，是透過傳統機械研磨（Grinding）來檢測，但這樣的處理方式常常造成銅延展變形而影響判斷。我們可以利用 CP，針對盲孔 BVH 結構進行 CP milling 將此問題解決，且處理範圍可達 10mm 以上之寬度（圖五）。

▲圖五（左），為傳統機械研磨（Grinding）後之 PCB via，無法看到 Crack; 圖五（右）為 CP milling 後之 PCB via，清楚呈現 Crack。

三、Plasma FIB（簡稱 PFIB）：不想整顆樣品破壞，就選擇它來做局部分析

在 3D-IC 半導體製程技術中，不想用研磨（grinding）將樣品整個破壞，這時就可考慮使用「電漿聚焦離子束顯微鏡（Plasma FIB，簡稱 PFIB）」分析手法，結合電漿離子蝕刻加工與 SEM 觀察的功能，適用於分析範圍在 50-500 um 的距離內，可進行截面分析與去層觀察（閱讀更多：先進製程晶片局部去層找 Defect 可用何種工具），甚至針對特定區域亦可同時邊切邊觀察，不用擔心因盲目切削而會有誤傷目標區的狀況，確保異常或是特定觀察結構的完整性（圖六）。

▲圖六為 PFIB 切削後之 TSV（Through Silicon Via）結構，除了可以清楚量測金屬鍍層厚度外，因為沒有研磨的應力影響，可明確定義 TSV 蝕刻的 CD（Critical Dimension）。

四、Dual Beam FIB（簡稱 DB-FIB）：適用數奈米小範圍且局部的切片分析

結合鎵離子束與 SEM 的雙束聚焦離子束顯微鏡（Dual Beam FIB，簡稱DB-FIB），能針對樣品中的微細結構進行奈米尺度的定位及觀察（圖七），適用於分析範圍在 50um 以下的結構或異常觀察；同時亦可進行 EDX 以及電子背向散射（Electron Backscatter Diffraction，簡稱 EBSD）的分析，可得到目標區的成分以及晶體相關訊息，除了上述分析之外，當觀察的異常區域或結構太小，用 SEM 無法得到足夠的訊息時，DB-FIB 也可以執行穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱 TEM）的試片製備，後續可用 TEM 進行更高解析度的分析。

▲圖七：DB-FIB 搭配 SEM 與鎵離子槍，可針對異常及微區結構進行定位與分析。

透過本期宜特小學堂的介紹，是不是讓您對截面分析手法有更多了解呢？藉由本期小學堂，也期望讓您可以多認識到工具上的應用，包括 CP 的設備增加了 milling 功能，讓 CP 不再單調使用；PFIB 也多了去層功能，讓先進製程的 FA 手法開啟另一扇門。感謝各位長久以來支持宜特的您，將此分享經驗給您，如有相關知識或是想獲得更多分析工具的優勢，請回信給我們，宜特將手刀奉上一張由宜特精心製作的四大切片分析工具圖表，歡迎洽詢 +886-3-579-9909 分機 1066 張小姐，Email： marketing_tw@istgroup.com。

（圖片來源：宜特科技）