IC切片四大手法

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来源：宜特官网

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。

▲图二：传统研磨相当依靠操作人员的执行经验

二、离子束：Cross-sectionPolisher（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-sectionPolisher（简称 CP）的优点在于，利用离子束切削（ionmilling）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，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（ScanningElectron 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（BlindVia 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）。

▲图五（左），为传统机械研磨（Grinding）后之 PCB via，无法看到 Crack; 图五（右）为 CP milling 后之 PCB via，清楚呈现 Crack。

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）。

▲图六为 PFIB 切削后之 TSV（ThroughSilicon Via）结构，除了可以清楚量测金属镀层厚度外，因为没有研磨的应力影响，可明确定义 TSV 蚀刻的 CD（Critical Dimension）。

四、Dual BeamFIB（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（DualBeam FIB，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 BackscatterDiffraction，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（TransmissionElectron 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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