宜特小學堂:四大 IC 切片手法 哪一種最適合你的樣品

作者 | 發布日期 2022 年 09 月 01 日 9:00 | 分類 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


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)

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