截面觀察：如何挑選IC切片手法，找出半導體失效原因！

勀傑科技 整理

引言

「截面觀察」，也稱為「截面分析」或「cross section分析」，是一種針對IC晶片進行微觀結構分析的方法。這種分析方法主要用於研究IC晶片的內部結構、元素分佈、缺陷等微觀特性。

截面觀察的重要性

IC晶片在製造過程中會經歷多道工序和成長過程，因此其內部結構可能具有缺陷或在製程中遭受污染，進而讓其失效。截面觀察提供了一種非常有用的手段，可以對IC晶片進行切片，然後對切片進行細部的觀察和分析，進而推斷可能造成失效的原因。

截面觀察通常使用SEM電子顯微鏡，以非常高的放大倍率觀察IC晶片的微觀結構，特別是確認晶片內的金屬接線、晶片各層之間結構、錫球接合結構、封裝打線等各種可疑缺陷。

四大切片手法與觀測工具

然而截面觀察的方式有好幾種，哪一種方式才是最適合的截面分析的樣品製備技術呢？

目前來說比較廣泛使用的有四大切片手法，分別是：裂片 (Cleavage)、傳統機械研磨（Grinding）、離子研磨CP（Ion Milling）、以及聚焦離子束FIB（Focused Ion Beam）。這四種手法各有其優缺點，大致說明如下：

1. 裂片 (Cleavage)

由於裂片手法原理是利用晶體內部的結構弱點，利用應力崩裂晶片，裂面會延著晶片最脆弱的晶格面斷裂，這種手法不需要太過複雜的機器，但無法完全控制切割的位置和角度。

這種方法適用於一些晶體結構比較完美、具有較好的裂解性質的材料。通過在晶體中施加壓力或用特定的方法進行切割，可以使材料裂為兩塊或多塊，揭示出裂片的截面。

此方法因為產生極大應力，故會出現嚴重且明顯的裂痕，因此此方法比較適合大範圍的樣品結構截面分析。

2. 傳統機械研磨（Grinding）

此方法是以研磨和拋光的方法使晶片達到所需的截面，屬於「接觸式拋光」。應用來說相對簡單，也適用大面積樣品，不同於裂片手法，能大幅減低應力的影響。

然而，「接觸式拋光」即為樣品與切割工具直接接觸，砂紙或含有鑽石顆粒的拋光膏皆為常用方式，雖然可以達到研磨、拋光的效果，仍難以避免細小刮痕以及因為摩擦帶來的熱損傷。對於一些比較柔軟的材質甚至會有脫層之類的問題。而傳統研磨機更是非常考驗操作者的技術，損壞樣品的機率較大。

3. 離子研磨CP（Ion Milling）

離子研磨CP是一種非常細微的切片技術，屬於「非接觸式拋光」。它透過離子束轟擊，從而去除表面層，直到達到所需的切片觀測位置。使用者通過控制離子束的能量和角度，可以達到非常高的切片精度和控制。相較傳統裂片切片手法，較不會因為研磨而損傷樣品，但是使用時要注意離子束的能量設定，避免對特定材質熱損傷的問題。

這種手法可以非常精確的得到小範圍的樣品精準觀測，只是對儀器的要求會比較高，時間也需要比較長。

4. 聚焦離子束FIB（Focused Ion Beam）

聚焦離子束FIB是一種先進的切削技術。它使用聚焦的離子束進行精確的切割和刻蝕，並可以同時進行成像和探測，以實時監測和控制截面的加工過程。這種方法可以製備非常精細和特定位置的截面，還能同時提供在加工過程中的實時監測。

四大切片手法一次比較

手法	裂片	傳統機械研磨	離子研磨CP	聚焦離子束FIB
原理	利用晶體內部的裂紋或層間結構弱點，通過機械手段使晶片切裂，形成一個平整的截面，以便觀察其內部結構。	使用研磨和拋光的方法逐步去除晶片表面的材料，直到得到所需的截面厚度和平整度。	使用離子束轟擊晶片表面，使晶片表面的原子或分子逸出，進行薄化和拋光，以獲得所需的截面。	使用聚焦離子束，進行精確的切割和刻蝕，同時可以進行成像和探測，以實時監測和控制截面的加工過程。
優勢	裂片方法速度快，可以快速得到截面樣品，不需要複雜的儀器。	相對簡單且廣泛使用，可用於大面積的樣品製備。	控制精確，能夠得到高品質且精細的截面，避免了機械研磨可能引起的損傷。	可以製備非常精細和特定位置的截面，同時提供在加工過程中的實時監測。
限制	裂片的位置和方向受晶體結構的影響，無法完全控制切割的位置和角度。	可能產生切削損傷或熱損傷，可能會造成截面的變形。	設備較昂貴，較耗時。	設備成本較高。
觀察範圍*	>1cm寬>1cm深	>1cm寬>1cm深	800um寬 x600um深	100um寬20um深
觀測工具	OM, SEM	OM, SEM	SEM	SEM

如何選擇合適的IC切片法？

挑選合適的IC切片手法取決於觀察範圍的大小、定位精準度和產生的副產物。不同的材料有不一樣的適用手法：

1. 觀察範圍的大小：

若所需觀察的範圍較大，而對於加工時間和成本有較高的容忍度，則裂片或傳統機械研磨可能是一個合適的選擇。然而，若需要觀察較小範圍且要求高精確度，則離子研磨CP和聚焦離子束FIB可能更為適用，因為它們能夠製備更精細的截面。

切片手法	觀察範圍*
裂片	>1cm寬>1cm深
傳統機械研磨	>1cm寬>1cm深
離子研磨CP	800um寬 x600um深
聚焦離子束FIB	100um寬20um深

2. 定位精準度：

若對於切割位置和定位精確度要求較高，特別是針對微小結構的截面，聚焦離子束FIB是最適合的選擇。聚焦離子束 FIB能夠進行精確的切割和刻蝕，並能同時進行成像和探測，使得定位更加準確。

3. 產生的副產物：

在選擇切片手法時，還需要考慮是否會產生副產物。例如，傳統機械研磨可能會產生熱損傷或切削損傷，而離子研磨CP和聚焦離子束FIB能減少這些副產物的產生。

切片手法	副產物
裂片	只要裂痕不在觀察結構範圍，無副產物問題
傳統機械研磨	相較於離子研磨，容易有刮痕或脫層等問題
離子研磨CP	徹底移除傳統機械研磨的人為損傷。要注意離子束的能量設定，避免對特定材質熱損傷的問題。
聚焦離子束FIB	同離子研磨，要留意離子束的能量設定，避免熱損傷。

截面分析的標配：離子研磨CP + SEM觀測

截面分析的標配通常是離子研磨加上掃描式電子顯微鏡（SEM）觀測。這是因為離子研磨能夠製備高品質且平整的截面，並且不會對樣品造成顯著的機械損傷。SEM觀測則提供高解析度的表面成像，使得觀察更加清晰。

相較於傳統機械研磨，離子研磨CP利用離子束做切削，不僅可以降低人為切削損傷，還可進行微小的刻蝕，解決研磨後金屬延展或變形的問題。

聚焦離子束FIB則是需要針對單一缺陷點做更細微的觀察時使用，且設備成本較高，因此一般會依據觀察需求和預算來進行選擇。

結語

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