蔡司透過Crossbeam Laser FIB-SEM 以量級化速度加快半導體封裝失效分析

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蔡司（ZEISS）新聞稿發表於 2020年2月12日

圖、蔡司透過Crossbeam Laser FIB-SEM 以量級化速度加快半導體封裝失效分析

蔡司Crossbeam Laser成功將飛秒雷射、鎵離子FIB與場發射電子顯微鏡整合成單一工具，提供最快速的指定區域橫切面工作流程

蔡司（ZEISS）今日宣布推出蔡司Crossbeam Laser，專為指定區域使用的聚焦離子束掃描式電子顯微鏡（FIB-SEM）全新系列解決方案，可大幅提升先進半導體封裝失效分析及製程優化的速度。蔡司Crossbeam Laser系列結合飛秒雷射的速度、鎵離子（Ga+）光束的準確度以及掃描式電子顯微鏡的奈米級影像解析度，為封裝工程師與失效分析師提供最高影像效能及最快速的橫切面解決方案，同時將樣品損壞降至最低。

在獨特的架構下，蔡司Crossbeam Laser系列可以快速掃描出深埋的封裝互連物，如銅柱焊錫凸塊與矽穿孔（TSVs），以及裝置的後段製程（BEOL）與前段製程（FEOL）結構，整體過程只需幾分鐘，反觀其它方式則需耗時數小時、甚至數天，同時還能在真空狀況下將影像缺陷降至最低，並依舊維持樣品的品質。除了提供失效分析外，蔡司Crossbeam Laser系列也可協助進行結構分析、架構分析、逆向工程、FIB斷層掃描與穿透式電子顯微鏡（TEM）的樣品準備。

圖、蔡司Crossbeam Laser FIB-SEM先進半導體封裝

3D封裝所需的失效分析新方法
行動與高效能裝置對微型化和更高互連密度的需求與日俱增，已經帶動一波創新潮，並實現微矩與多晶片架構的可能。這些設計不但在封裝互連尺寸越縮越小，更逐漸地將它們推進三度空間。與此同時，深埋在這些封裝裡的新型態缺陷也開始出現，它們可能影響良率與可靠性，因此必須迅速找出並予以排除。

在失效分析工作流程中，進行非破壞性分析是優化封裝製程與提升封裝良率的第一步。此時會採用蔡司Xradia Versa 3D X-ray顯微鏡等儀器，以非破壞性方式顯現缺陷的位置，接著進行破壞性的物理失效分析（PFA）技術，以判定並解決失效的根本原因。如今，封裝互連與半導體BEOL尺寸已相互交會。PFA常用的機械式橫切面，現在已被要求必須迅速且精確到達深埋的結構與缺陷。此外，在半導體BEOL中採用像是極低介電係數等易碎材料，導致橫切面所引發的缺陷數量越來越多，這些因樣品製備造成的缺陷很難與晶片及封裝互動所造成的真正缺陷作出區別。

電漿FIB（PFIB）是另一種橫切面方法，但較飛秒雷射慢了1萬倍。正如許多封裝FA應用的要求，其在需求範圍內速度還是太慢，不足以解決大於或等於0.5 立方毫米的大體積切割。此外，PFIB缺乏最高品質TEM樣品準備所需的解析度，並且會引發半導體封裝常用的碳質材料產生帶狀缺陷。獨立式的雷射系統雖然可以提供快速切割，但可能會產生較大的受熱影響區域，同時增加目標區域損害的可能性與移除後加缺陷所需的研磨時間。缺乏與FIB-SEM的整合也讓FA工作流程變慢且效率降低，同時因為分析前曝露大氣中導致有可能氧化的風險。

封裝的世界已經來到一個轉折點，單一矽中介層密度接近一百萬個輸入/ 輸出（I/O），而縮小互連物已經開始反映在晶圓製造上，且堆疊的情況四處可見，包含在裝置本身裡、在封裝層裡，以及在印刷電路板裡。當一個零件失效時，會讓故障隔離與失效分析更加困難。

蔡司Crossbeam Laser系列提供最佳的PFA解決方案，可大幅改善獲得結果所需的時間，並提供最高的影像效能，其特色包含：

飛秒雷射用於提供大型立體結構的移除，並最小化可能造成的缺陷（僅30分鐘即可移除最高達一立方毫米的矽，反觀其它方式則需耗時數小時、甚至數天）。
蔡司的Gemini鏡筒技術可提供最高影像品質與解析。
Ga+ FIB可提供結合100nA的高速研磨與500V的精細拋光，以減少非晶化情況。
使用FIB解析度（最小可到3奈米）可精準定位最後位置。
具備獨立的雷射室，和主要的拍攝腔體分開，以便隔離切割污染物，保持最高解析度的影像能力，並同時降低維護成本。
FIB-SEM與雷射室之間樣品轉移便利快速，且不會破壞真空。
雷射配置適用許多材料，包括碳化矽與玻璃。
蔡司Crossbeam Laser FIB-SEM提供埋在860微米深的銅柱微凸塊的快速橫切面，其具有高品質的影像效能，而獲得結果的所需時間僅不到1小時。

圖、蔡司Crossbeam Laser FIB-SEM埋在860微米深銅柱微凸塊之橫切面

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