探究半導(dǎo)體失效的原因通常需要去除覆蓋層材料，以暴露出失效的電路元件，以便在電子顯微鏡(EM)中進(jìn)行高分辨率成像。機(jī)械切割和拋光等處理技術(shù)會(huì)誘導(dǎo)機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生額外的缺陷，并且與離子研磨技術(shù)一樣，它們?nèi)狈λ璧亩c(diǎn)特異性。
聚焦離子束（FIB）可以在特定地點(diǎn)進(jìn)行加工，但是對(duì)大型加工任務(wù)而言非常緩慢。利用激光刻蝕除去需要位點(diǎn)周邊的絕大部分物質(zhì)，然后采用FIB切割拋光獲得橫截面，這兩方面技術(shù)的結(jié)合最終達(dá)到超大尺寸樣品加工要求的速度與精度。這一結(jié)合的最新發(fā)展階段就是利用激光刻蝕與PFIB刻蝕協(xié)同處理以進(jìn)一步提升分析通量，效率與靈活性。
FIB系統(tǒng)廣泛用于制備電路元件截面，以便電子顯微鏡等儀器的后續(xù)分析。FIB技術(shù)具有納米級(jí)精度和可精準(zhǔn)操控性，這使得操作者能夠?qū)﹄娐分形⑿√卣骶珳?zhǔn)測(cè)試分析。然而，高精度降低了FIB的銑削速率，特別是鎵(Ga)源FIB，在去除覆蓋材料的過(guò)程中速度緩慢和時(shí)間漫長(zhǎng)。等離子體源（PFIB）早在十年前就已推出市場(chǎng),PFIB束流高于傳統(tǒng)液態(tài)鎵源束流速度，從而提高FIB銑削速率的同時(shí)也獲得銑削精度上可以接受的妥協(xié)。但在同一時(shí)期，隨著設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的異構(gòu)集成和封裝技術(shù)，將多個(gè)芯片集成封裝在一起，故障分析面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。封裝時(shí)感興趣區(qū)有可能藏于數(shù)層電路或者數(shù)個(gè)晶體管下，為解析感興趣區(qū)所必需移除之覆蓋層體積已經(jīng)由立方微米至立方毫米劇增，同時(shí)元件自身也逐漸變小。
激光刻蝕提供的最大銑削速率比鎵源FIB快約100,000倍，比PFIB快約2,000倍，同時(shí)仍保持針對(duì)特定位點(diǎn)的足夠銑削精度。將激光刻蝕（初始切削材料）與PFIB（最終切割和拋光）相結(jié)合可以將制備大尺寸橫截面所需的總時(shí)間減少95%，在某些情況下甚至更多。如圖1顯示了鎵源FIB、PFIB和激光刻蝕的光斑大小與材料去除率之間的關(guān)系。相鄰表格提供了這3種技術(shù)在最大銑削和最終拋光束流條件下材料去除率的數(shù)值比較。
圖1
如圖1：（左）所示，鎵源FIB、PFIB和激光刻蝕占據(jù)不同的區(qū)域，其特點(diǎn)是光斑尺寸（光束直徑）和材料去除率之間的制衡。一般來(lái)說(shuō)，較高的束流或束流強(qiáng)度會(huì)更快地去除材料，但精度較低。表格(右)比較了材料在三種技術(shù)下最大束流和典型拋光條件下的束流(或激光的離子束等效電流)和材料去除率關(guān)系。此外，還顯示了鎵源FIB與激光刻蝕、PFIB與激光刻蝕的去除率之比。
第一個(gè)將激光刻蝕與FIB集成的系統(tǒng)是通過(guò)將激光集成到FIB室中實(shí)現(xiàn)的。在這種配置下，系統(tǒng)一次只能使用一個(gè)功能，而其他功能處于空閑狀態(tài)。我們運(yùn)用了一種新方式來(lái)實(shí)施集成顯微鏡技術(shù)，通過(guò)獨(dú)立的激光刻蝕（microPrep PRO、3D-Micromac AG）和PFIB(TESCAN Solaris X)系統(tǒng)提供并行處理。這兩種系統(tǒng)均不因其他系統(tǒng)工作而閑置。激光刻蝕系統(tǒng)能夠制備多種聯(lián)用工具的試樣，不管它們組合在一起的是多種FIB或其他多種故障分析儀器。最后結(jié)果均為提高分析通量及產(chǎn)率，減少各次分析之費(fèi)用。
激光刻蝕系統(tǒng)提供約10微米的銑削精度(束斑尺寸)和厘米距離內(nèi)約3微米的光束定位精度，使其快速準(zhǔn)確地去除立方毫米的材料?；陔娐吩O(shè)計(jì)的CAD數(shù)據(jù)或各種FA工具的2D圖像疊加的相關(guān)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)有助于在兩個(gè)系統(tǒng)中以高精度找到感興趣區(qū)。獨(dú)立系統(tǒng)中的并行處理有幾個(gè)好處，超短激光脈沖最大限度地減少了激光引起熱影響區(qū)，從而減少了必須通過(guò)PFIB中的最終拋光去除的材料量。單獨(dú)在激光刻蝕系統(tǒng)中切削材料可避免PFIB倉(cāng)內(nèi)污染的風(fēng)險(xiǎn)，其中污染物會(huì)干擾儀器本身和分析結(jié)果。試樣可同時(shí)在多種氣體環(huán)境下被激光加工，并可采用解決方案使系統(tǒng)間發(fā)生傳遞而不與周?chē)h(huán)境接觸。激光刻蝕工具中的平臺(tái)為精確的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)提供了6個(gè)自由度，從而可以在必要的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖案的銑削。激光刻蝕時(shí)傾斜樣品的容量對(duì)補(bǔ)償光束能量高斯強(qiáng)度分布所造成的錐度尤為有利。盡管它可以使用FIB拋光消除，但在激光刻蝕操作期間避免它可以大大減少FIB拋光所需的時(shí)間。消除錐度對(duì)半導(dǎo)體樣品橫截面（例如TSV、錫焊球等）過(guò)程中堆疊重復(fù)結(jié)構(gòu)精確對(duì)齊是非常重要的。
PFIB系統(tǒng)針對(duì)高深度大尺寸銑削進(jìn)行了優(yōu)化，它提供高達(dá)3µA的束流，每秒可去除多達(dá)1,400µm3的材料。用于最終拋光的較低離子束電流(300nA)仍可去除高達(dá)141µm3/s，即使在具有挑戰(zhàn)性的樣品上也能提供原始橫截面。最具挑戰(zhàn)性的樣品是那些需要不同切削速率的硬質(zhì)和軟質(zhì)復(fù)合材料的樣品。較硬的材料切削得慢，往往會(huì)遮擋下面的區(qū)域，產(chǎn)生獨(dú)特的垂直形貌，描述性地稱(chēng)為“窗簾”。復(fù)合材料中較硬纖維或顆粒散布于較軟基材上（金屬互連,Si與半導(dǎo)體樣品電介質(zhì)等）所產(chǎn)生的窗簾偽影，可能掩蓋了后續(xù)圖像的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。切削操作時(shí)，我們可藉由小角度重復(fù)擺動(dòng)試樣可降低窗簾的偽影。角度的微小改變使得離子束能很好的進(jìn)入到材料下較堅(jiān)硬的屏蔽區(qū)域并且光滑銑削過(guò)程。窗簾效應(yīng)對(duì)束流/銑削速率很高的FIB來(lái)說(shuō)可能是個(gè)挑戰(zhàn)，正如大通量工作流程高速銑削需要的那些。針對(duì)這一問(wèn)題，配置在PFIB系統(tǒng)中的擺動(dòng)臺(tái)給出了可解決的自動(dòng)擺動(dòng)模式。
在某些材料中，包括碳化硅、聚酰亞胺、玻璃等，產(chǎn)生的階梯是另一種偽影。這是由于材料的去除率與離子束的入射角有關(guān)。去除率通常在切線入射時(shí)最高，如在橫截面的表面，而在垂直入射時(shí)最低。復(fù)合材料中較硬纖維或者顆粒分散在較軟基材（金屬互連、Si和半導(dǎo)體樣品的電介質(zhì)，等等）中造成窗簾偽影可能會(huì)掩蓋后續(xù)影像中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。在切削操作中，通過(guò)小角度反復(fù)擺動(dòng)樣品可以減少窗簾偽影。角度的細(xì)微變化使離子束能夠很好地進(jìn)入材料下較硬的屏蔽區(qū)域，平滑了銑削過(guò)程。窗簾效應(yīng)對(duì)于束流/銑削速率較快的FIB而言可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，就像大通量工作流程中高速銑削所需的那些。為了解決該問(wèn)題,PFIB系統(tǒng)上配置的擺動(dòng)臺(tái)提供了一種可以求解的自動(dòng)擺動(dòng)模式。
具體案例
圖2至圖6顯示了使用激光刻蝕和PFIB來(lái)曝光電路元件以進(jìn)行成像和分析的示例。每個(gè)示例都包括每次操作所花費(fèi)的時(shí)間以及相對(duì)于單獨(dú)使用PFIB制備樣品所節(jié)省的總時(shí)間。
1.先進(jìn)芯片集成
圖2
圖2:中間的圖像顯示了一個(gè)超大的橫截面，寬幾百微米，深幾百微米，穿過(guò)集成電路和連接到插入器的焊錫球和觸點(diǎn)。左邊和右邊的圖像顯示了該截面的細(xì)節(jié)，左邊是IC的放大倍數(shù)更高的圖像，右邊是錫球和接觸墊之間的空隙。橫切過(guò)程在激光刻蝕儀器中耗時(shí)10分鐘，在PFIB中耗時(shí)90分鐘，與單獨(dú)使用PFIB相比節(jié)省了70%的時(shí)間。
2.錐度校正
圖3
圖 3：（右）顯示了在高帶寬存儲(chǔ)器(HBM)器件中硅穿孔(TSV)堆棧的數(shù)百微米深和寬的橫截面，它說(shuō)明了系統(tǒng)切割貫通每個(gè)TSV中心的精確垂直橫截面的能力。在激光刻蝕過(guò)程中傾斜樣品以補(bǔ)償錐角對(duì)于減少最終PFIB銑削操作要去除的材料量至關(guān)重要，從而減少橫截面所需的總時(shí)間。橫截面在激光刻蝕儀器中耗時(shí)10分鐘，在PFIB中耗時(shí)120分鐘，與單獨(dú)的PFIB相比，節(jié)省了80%的時(shí)間。
3.FIB層析成像的激光刻蝕準(zhǔn)備
圖4
圖4:FIB的層析成像通過(guò)FIB逐層切片的方式，從捕獲的一系列圖像中重建了樣本體積的3D模型。準(zhǔn)備工作首先使用激光刻蝕從一個(gè)立方體/矩形體的三面去除材料，如“俯視圖”(左)所示。在此視圖中，最終將與FIB連續(xù)剖切的面位于立方體形狀的底部。在“正視圖”（中間）中，樣品已旋轉(zhuǎn)90°以顯示橫截面。插圖（右）放大了橫截面的一個(gè)區(qū)域以顯示其切削質(zhì)量。使用激光燒蝕制備樣品需要10分鐘，與PFIB 相比節(jié)省了70%的時(shí)間。
4.有機(jī)發(fā)光二極管面板
圖5
圖5：手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備的顯示器含有關(guān)鍵的微結(jié)構(gòu)，在樣品制備過(guò)程中容易被機(jī)械應(yīng)力損壞。這種精致的樣品需要一種特殊的處理方法:在PFIB進(jìn)行最后切削和拋光之前，在邊緣的一個(gè)幾毫米長(zhǎng)的區(qū)域被有意地用激光削尖。左上方的第3張圖像顯示了激光刻蝕切口。下圖顯示了經(jīng)過(guò)PFIB切削和拋光后長(zhǎng)約0.5mm截面(PFIB可以切割和拋光長(zhǎng)達(dá)1mm的截面)。最右邊的頂部圖像顯示了最終橫截面的更高倍放大圖。橫切面在激光刻蝕中花費(fèi)了74分鐘，在PFIB中花費(fèi)了165分鐘，與單獨(dú)PFIB相比節(jié)省了95%的時(shí)間。
5.微機(jī)電系統(tǒng)
圖 6
圖 6：MEMS設(shè)備對(duì)樣品制備過(guò)程中的機(jī)械損傷特別敏感。在這個(gè)例子中，激光刻蝕被用來(lái)打開(kāi)一個(gè)窗口，進(jìn)入封裝的 MEMS 設(shè)備進(jìn)行檢查和分析。
在一個(gè)封裝內(nèi)互連多片的高級(jí)異構(gòu)集成與封裝工藝應(yīng)用正急劇增加。對(duì)這些封裝的失效分析，一般都要求將覆蓋材料從指定位置去除，以便揭露可疑電路，以便對(duì)其檢查分析。需要清除的物質(zhì)數(shù)量可能會(huì)非常大。FIB系統(tǒng)雖然有針對(duì)特定電路元件所要求的精度，但速度較慢，特別是在使用鎵源時(shí)。在PFIB快了很多，但是對(duì)高級(jí)異構(gòu)集成與封裝需要大截面仍將視為慢。激光刻蝕的速度很快但是不準(zhǔn)確，不能針對(duì)單一的電路元件進(jìn)行納米精度的刻蝕。采用激光刻蝕除去絕大部分材料，利用FIB刻蝕拋光最后橫截面，可極大地減少制備所用總時(shí)間。在FIB系統(tǒng)中植入激光刻蝕功能的體系實(shí)質(zhì)上效率不高，原因在于每次僅能利用一個(gè)功能。
這項(xiàng)技術(shù)的最新迭代是在單獨(dú)激光刻蝕與PFIB上并行處理的，它通過(guò)允許在這兩種工具上同時(shí)處理而增加通量與產(chǎn)率。通過(guò)有關(guān)圖像對(duì)齊程序，并與CAD疊加導(dǎo)航相融合，實(shí)現(xiàn)了上述工具。并行配置時(shí)，一臺(tái)激光刻蝕系統(tǒng)可提供多臺(tái)FIB等FA工具。該方法的優(yōu)點(diǎn)是消除了污染FIB系統(tǒng)所帶來(lái)的危險(xiǎn)，即污染物對(duì)成像產(chǎn)生干擾并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析或者破壞。我們演示了一些大型而優(yōu)質(zhì)的橫截面實(shí)例，并且計(jì)算了比單獨(dú)用PFIB準(zhǔn)備所節(jié)省的時(shí)間。所示實(shí)例所節(jié)省的時(shí)間由70%至95%不等。
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