銅柱互連等先進(jìn)工藝技術(shù)的誕生，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代電子設(shè)備三維微型化進(jìn)程，加速了相關(guān)電子設(shè)備性能提升；隨之而來的挑戰(zhàn)則是相關(guān)芯片產(chǎn)品的故障分析工作。對于先進(jìn)封裝來說，故障定位所需的加工深度可能超過100 μm，此時(shí)采用傳統(tǒng)的鎵離子(Ga+)FIB(Focused Ion Beam,聚焦離子束)難以實(shí)現(xiàn)快速的故障定位加工。這是因?yàn)镚a+ FIB在30 keV下的最大加工電流為~100 nA，加工一個(gè)500μm2需要數(shù)十小時(shí)，而PFIB(Plasma FIB，等離子體聚焦離子束)則采用了氙離子(Xe+)作為離子源，其30 keV下的最大加工電流可達(dá)~2.5 μA，加工效率是鎵離子FIB的20倍以上。這意味著PFIB可以解決傳統(tǒng)鎵離子FIB的瓶頸問題：超大尺寸區(qū)域的快速加工。
什么是PFIB?
等離子體聚焦離子束顯微鏡(PFIB)是將氙離子束和高分辨掃描電子束集成在一臺(tái)顯微鏡上，再加裝氣體注入系統(tǒng)(GIS)和納米機(jī)械手等配件，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕、材料沉積、微納加工、微區(qū)去層分析等許多功能的儀器。
其中，氙離子束的工作原理是：將氙氣從氣瓶引入等離子體室，通過射頻(RF)發(fā)生器和螺旋天線施加高頻電磁場，使氣體原子(Xe)電離，剝離外層電子，形成 Xe? 離子等離子體。拔出電極(Extractor Plate)被施加負(fù)偏壓，以吸引帶正電的 Xe? 離子，使其通過光闌孔進(jìn)入離子束鏡筒的后續(xù)部分。Xe?離子束在高壓電場作用下加速，通過靜電透鏡系統(tǒng)聚焦成納米級(jí)束斑；再通過掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(電磁或靜電偏轉(zhuǎn)器)精確控制Xe?離子束在樣品表面掃描。高能 Xe?離子在掃描過程中與樣品發(fā)生相互作用，通過物理濺射(Sputtering)移除材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的微納加工(如橫截面切割、TEM 樣品制備等)。PFIB和傳統(tǒng)的Ga+ FIB 的主要區(qū)別如表1所示。值得一提的是，雖然PFIB的離子束圖像分辨率為~20nm(30kV)，和Ga+ FIB 的4 nm相比偏低，但是由于采用了相同的高分辨電子束鏡筒，因此PFIB的電子束SEM圖像分辨率并未折損。
表1 傳統(tǒng)FIB和PFIB的比較(注：圖像分辨率以ThermoFisher Scientific, Helios 5 CX/CXe系列為例)
PFIB采用氙離子替代鎵離子源，除了帶來更快的加工速率，還可以從根本上解決傳統(tǒng)FIB加工存在的某些問題。首先，某些材料用傳統(tǒng)FIB加工時(shí)存在鎵離子注入/偏聚的問題，例如鋁合金，由于鎵在鋁合金中溶解度較低，因此用傳統(tǒng)Ga+ FIB制備鋁合金透射樣品時(shí)，鎵離子會(huì)在鋁合金晶界偏聚，嚴(yán)重影響制樣效果[1]；而相同電壓條件下，氙離子在鋁合金中的注入深度更淺，且不存在晶界偏聚的問題，因此用PFIB可以制備出高質(zhì)量、無偏析的鋁合金透射樣品。另外，PFIB在加工含Ga材料時(shí)，也有極大優(yōu)勢，例如GaN、 GaAs等，PFIB可以制備出無損的含Ga材料透射樣品[2]。
PFIB案例分享
① TSV截面形貌和EBSD晶體取向分析
利用PFIB的快速大體積截面加工功能，可以對2.5D/3D先進(jìn)封裝的關(guān)鍵工藝結(jié)構(gòu)TSV(硅通孔)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的截面形貌分析。同時(shí)利用外部EBSD探頭設(shè)備可以進(jìn)行截面的晶體取向分析，如圖1所示。
圖1 a)2.5D/3D封裝的關(guān)鍵工藝結(jié)構(gòu):TSV(Through Silicon Via)的截面SEM圖像；
b)EBSD分析(IPF-Y mapping)(Images courtesy：ThermoFisher Scientific)
② 3D NAND樣品大尺寸超薄透射樣品制備（Planview平面制樣）
PFIB另一個(gè)重要功能是制備大尺寸透射樣品超薄切片。廣電計(jì)量目前可以實(shí)現(xiàn)長度&寬度均為50μm以上的定點(diǎn)透射樣品超薄切片，滿足原子級(jí)分辨率的TEM觀測要求。
圖2大尺寸透射樣品超薄切片制樣過程(樣品：3D NAND；平面制樣提取尺寸~50μm)：
a)挖坑；b)底部切斷并提??； c)轉(zhuǎn)移至銅網(wǎng)；d)減薄
廣電計(jì)量PFIB服務(wù)能力
廣電計(jì)量無錫集成電路測試與分析實(shí)驗(yàn)室最新配備的PFIB為賽默飛Helios 5系列，該系列是目前市場上Xe-FIB系列。該系列能實(shí)現(xiàn)1nm以下的SEM成像分辨率，并且比上一代(Helios G4)雙束電鏡的離子束性能和自動(dòng)化程度進(jìn)一步優(yōu)化。廣電計(jì)量的PFIB配備了納米機(jī)械手，氣體注入系統(tǒng)(GIS)和EDX能譜探頭(元素分析)，能夠滿足各種基本和高階的半導(dǎo)體失效分析需求。
作為半導(dǎo)體物性失效分析的有力工具， PFIB可以進(jìn)行超大體積快速定點(diǎn)截面加工，在FIB 加工的同時(shí)用納米級(jí)分辨率的掃描電子束實(shí)時(shí)觀察截面微觀形貌和進(jìn)行成分分析；實(shí)現(xiàn)不同的金屬材料(鎢，鉑等)和非金屬材料(碳，SiO2)的沉積；還可以定點(diǎn)制備大尺寸TEM超薄切片，能滿足原子級(jí)的超高分辨率觀測要求。配置的Auto Slice & View軟件還可以進(jìn)行大體積三維數(shù)據(jù)的高質(zhì)量、全自動(dòng)采集。
廣電計(jì)量還將持續(xù)不斷地投入先進(jìn)電子顯微分析設(shè)備，不斷提升和擴(kuò)充半導(dǎo)體失效分析相關(guān)能力，為客戶提供細(xì)致且全面深入的失效分析解決方案。
圖3 廣電計(jì)量配置的PFIB，型號(hào)：ThermoFisher Scientific Helios 5 PFIB CXe
廣電計(jì)量半導(dǎo)體服務(wù)優(yōu)勢
● 工業(yè)和信息化部“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺(tái)”。
● 工業(yè)和信息化部“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺(tái)”。
● 國家發(fā)展和改革委員會(huì)“導(dǎo)航產(chǎn)品板級(jí)組件質(zhì)量檢測公共服務(wù)平臺(tái)”。
● 廣東省工業(yè)和信息化廳“汽車芯片檢測公共服務(wù)平臺(tái)”。
● 江蘇省發(fā)展和改革委員會(huì)“第三代半導(dǎo)體器件性能測試與材料分析工程研究中心”。
● 上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)“大規(guī)模集成電路分析測試平臺(tái)”。
● 在集成電路及SiC領(lǐng)域，我們已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個(gè)型號(hào)的芯片驗(yàn)證，并支持完成多款型號(hào)芯片的工程化和量產(chǎn)。
● 在車規(guī)領(lǐng)域擁有AEC-Q及AQG324服務(wù)能力，獲得了近50家車廠的認(rèn)可，出具近400份AEC-Q及AQG324報(bào)告，助力100多款車規(guī)元器件量產(chǎn)。
● 在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，獲委任為空間環(huán)境地面模擬裝置用戶委員會(huì)委員單位，建設(shè)了行業(yè)射頻高精度集成電路檢測能力。
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