銅柱互連等先進工藝技術的誕生，極大地推動了現代電子設備三維微型化進程，加速了相關電子設備性能提升；隨之而來的挑戰則是相關芯片產品的故障分析工作。對于先進封裝來說，故障定位所需的加工深度可能超過100 μm，此時采用傳統的鎵離子(Ga+)FIB(Focused Ion Beam,聚焦離子束)難以實現快速的故障定位加工。這是因為Ga+ FIB在30 keV下的最大加工電流為~100 nA，加工一個500μm2需要數十小時，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~2.5 μA，加工效率是鎵離子FIB的20倍以上。這意味著PFIB可以解決傳統鎵離子FIB的瓶頸問題：超大尺寸區域的快速加工。
 

　　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顯微鏡上，再加裝氣體注入系統(GIS)和納米機械手等配件，從而實現刻蝕、材料沉積、微納加工、微區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)被施加負偏壓，以吸引帶正電的 Xe? 離子，使其通過光闌孔進入離子束鏡筒的后續部分。Xe?離子束在高壓電場作用下加速，通過靜電透鏡系統聚焦成納米級束斑；再通過掃描偏轉系統(電磁或靜電偏轉器)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生相互作用，通過物理濺射(Sputtering)移除材料，進而實現材料的微納加工(如橫截面切割、TEM 樣品制備等)。PFIB和傳統的Ga+ FIB 的主要區別如表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FIB加工存在的某些問題。首先，某些材料用傳統FIB加工時存在鎵離子注入/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Ga+ FIB制備鋁合金透射樣品時，鎵離子會在鋁合金晶界偏聚，嚴重影響制樣效果[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可以制備出高質量、無偏析的鋁合金透射樣品。另外，PFIB在加工含Ga材料時，也有極大優勢，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先進封裝的關鍵工藝結構TSV(硅通孔)進行快速、準確的截面形貌分析。同時利用外部EBSD探頭設備可以進行截面的晶體取向分析，如圖1所示。
 

　　圖1 a)2.5D/3D封裝的關鍵工藝結構: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另一個重要功能是制備大尺寸透射樣品超薄切片。廣電計量目前可以實現長度&寬度均為50μm以上的定點透射樣品超薄切片，滿足原子級分辨率的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)底部切斷并提取； c)轉移至銅網；d)減薄
 

　　廣電計量PFIB服務能力
 

　　廣電計量無錫集成電路測試與分析實驗室最新配備的PFIB為賽默飛Helios 5系列，該系列是目前市場上Xe-FIB系列。該系列能實現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化程度進一步優化。廣電計量的PFIB配備了納米機械手，氣體注入系統(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體失效分析需求。
 

　　作為半導體物性失效分析的有力工具， PFIB可以進行超大體積快速定點截面加工，在FIB 加工的同時用納米級分辨率的掃描電子束實時觀察截面微觀形貌和進行成分分析；實現不同的金屬材料(鎢，鉑等)和非金屬材料(碳，SiO2)的沉積；還可以定點制備大尺寸TEM超薄切片，能滿足原子級的超高分辨率觀測要求。配置的Auto Slice & View軟件還可以進行大體積三維數據的高質量、全自動采集。
 

　　廣電計量還將持續不斷地投入先進電子顯微分析設備，不斷提升和擴充半導體失效分析相關能力，為客戶提供細致且全面深入的失效分析解決方案。
 

　　圖3 廣電計量配置的PFIB，型號：ThermoFisher Scientific Helios 5 PFIB CXe
 

　　廣電計量半導體服務優勢
 

　　● 工業和信息化部“面向集成電路、芯片產業的公共服務平臺”。
 

　　● 工業和信息化部“面向制造業的傳感器等關鍵元器件創新成果產業化公共服務平臺”。
 

　　● 國家發展和改革委員會“導航產品板級組件質量檢測公共服務平臺”。
 

　　● 廣東省工業和信息化廳“汽車芯片檢測公共服務平臺”。
 

　　● 江蘇省發展和改革委員會“第三代半導體器件性能測試與材料分析工程研究中心”。
 

　　● 上海市科學技術委員會“大規模集成電路分析測試平臺”。
 

　　● 在集成電路及SiC領域，我們已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個型號的芯片驗證，并支持完成多款型號芯片的工程化和量產。
 

　　● 在車規領域擁有AEC-Q及AQG324服務能力，獲得了近50家車廠的認可，出具近400份AEC-Q及AQG324報告，助力100多款車規元器件量產。
 

　　● 在衛星互聯網領域，獲委任為空間環境地面模擬裝置用戶委員會委員單位，建設了行業射頻高精度集成電路檢測能力。