首頁 技術文庫 四大IC切片手法 哪一種最適合你的樣品

四大IC切片手法 哪一種最適合你的樣品

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四大IC切片手法 哪一種最適合你的樣品

by ruby

發佈日期:2022/8/30IC切片,
發佈單位:iST宜特

晶片結構內部有問題,想要進行 IC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切片

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 IC切片 手法,才能符合您欲觀察的樣品型態呢?本期宜特小學堂,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!

IC切片

  • (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)。

    IC切片,Grinding

    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。

    IC切片,Grinding

    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)。

    IC切片, CP

    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)。

    IC切片,CP,Grinding

    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)。

    IC切片,CP miiling,裂痕

    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)。

    IC切片,PFIB,TSV結構

    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。

    IC 切片,微區結構分析

    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6773方先生,Email: web_ise@istgroup.com , marketing_tw@istgroup.com