蔡司加速半导体封装故障分析

寂静回声

蔡司（ZEISS）最近推出了一种新的针对特定位置的聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）解决方案——蔡司 Crossbeam Laser，可以加快对半导体封装失效分析，并对高级半导体封装工艺进行优化。

蔡司 Crossbeam Laser 系列使用飞秒激光来提高速度，使用镓离子（Ga+）光束来提高准确性，以及使用 SEM 进行纳米级分辨率成像，为封装工程师和故障分析人员提供了最快速的截面解决方案和最高的成像性能，同时极大程度上减少对样品的损害（截止目前为止）。

另一方面，蔡司 Crossbeam Laser 采用独特架构，能够对铜柱凸块和硅通孔（TSV）等深埋封装互连结构以及器件后道工序（BEOL）和前道工序（FEOL）结构进行快速截面，整个过程只需几分钟（其他方法则需要数小时或数天），同时能够最大程度地减少伪影，并在真空环境下维持样品质量。



图1 蔡司Crossbeam Laser将飞秒激光、镓离子聚焦离子束（FIB）和场发射扫描电镜（SEM）整合于单一设备，提供针对特定位置的最快速横截面工作流程

值得一提的是，除故障分析外，蔡司 CrossbeamLaser 系列还可用于结构分析、工程分析、逆向工程、FIB 断层扫描和透射电镜（TEM）样品制备。目前蔡司已有数部 Crossbeam Laser 系统部署于全球著名电子制造商。

分析 3D 封装失效根本原因的新方法

目前，移动设备在微型化和高互连密度方面的要求越来越高，这些要求推动了技术创新的爆发性增长，使细间距与多芯片封装架构得到实现。这样的设计不仅缩小了互连封装，同时也逐渐将封装推向第三维度。但是与此同时，深藏于这些封装内部的新类型的缺陷也浮出水面，会影响到半导体的良品率和可靠性，因此迅速发现这些缺陷并予以消除是十分必要的。


在失效分析的工作流程中，无损分析是优化封装制程和提高封装良品率的第一步。此过程可以先采用如蔡司 Xradia Versa 3D X 射线显微镜等设备来对缺陷部位进行无损观察，然后使用破坏性物理失效分析（PFA）技术确定故障，并对其根本原因予以解决。现在，封装互连往往与芯片后道工序相互交叉，而 PFA 技术常用的机械横截面常常很难迅速而准确地到达被埋藏得很深的结构和缺陷。此外，芯片后道工序采用的脆性材料（如极低介电材料），常常让由截面切割导致的伪影数量增加，所以很难将其与芯片和封装交互所造成的真实缺陷区分开来。

双束电浆离子束（PFIB）是另外一种截面方法，但比飞秒激光慢 10,000 倍。这种技术很难在很多封装失效分析应用所要求的时间内，完成 >0.5 立方厘米的蚀刻体量。此外，PFIB 也达不到最高品质 TEM 样品制备所需要的分辨率，而且会在半导体封装中常见的碳质材料中引发带状伪影。独立激光系统虽然可实现快速蚀刻，但可能产生较大的热影响区，从而增加了目标区域的损坏机率，也延长了去除伪影的抛光时间。所以，会导致因无法与 FIB-SEM 相集成，而使失效分析工作流程速度变慢、效率降低，同时还会因分析前暴露于空气中而面临氧化伪影的风险。

蔡司制程控制解决方案（PCS）部门与 SMT 部门负责人 Raj Jammy 博士介绍说：“封装世界已经达到拐点：单个硅中介层的密度已接近百万 I/O，晶圆厂商不断缩小互连面积，在器件本身、封装层之间以及印刷电路板内部，堆叠无处不在。因此，当零件发生故障时，故障隔离和失效分析都变得异常困难。蔡司 Crossbeam Laser 系列旨在缓解失效分析工程师面临的这种压力，采用专业技术，将速度、精度和高分辨率成像集成于单一设备，以前所未有的‘速度’获得失效分析结果。”



图 2 13 分钟内局部切割 2 毫米厚； 经过激光烧蚀后直接成像，无需离子束清理。

据介绍，蔡司 Crossbeam Laser 系列产品提供的物理失效解决方案（PFA），能够显著缩短成像总时间，提供最高成像性能。主要特性包括：

◆蔡司的 Gemini 光学组件具有极高的成像质量和分析能力；

◆ Ga + FIB，可提供 100nA 的高速磨削以及 500V 下的精抛光，从而减少非晶化；

◆采用 FIB 分辨率（低至 3 纳米）精确定位目的点；

◆隔离式激光室可将刻蚀污染物与主成像室相隔离，保持相对最高分辨率成像能力，同时将维护成本维持在较低水平；


◆可在 FIB-SEM 和激光室之间轻松进行样品转移，避免破坏真空环境；

◆激光制备技术适用于多种材料，包括碳化硅和玻璃。

有理由相信，蔡司 Crossbeam Laser 与蔡司 XradiaVersa XRM 的完美结合，为标准失效分析工作流程提供强大补充，有助于提高失效分析成功率，加快问题解决速度。




本文来自卡尔 · 蔡司股份公司