離子束拋光在微電子封裝失效分析領(lǐng)域的應(yīng)用

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王剛 馮麗婷 李潮 黎恩良 鄭林挺 胡宏偉劉家儒 夏姍姍 武慧薇

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所）

摘要：

首先，以具體微電子封裝失效機(jī)理和失效模式研究的應(yīng)用為落腳點(diǎn)， 較為全面地介紹了離子束拋光的工作原理、樣品參數(shù)選擇依據(jù)；然后，利用離子束拋光系統(tǒng)對典型的封裝互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光， 結(jié)合材料和離子束刻蝕理論進(jìn)行參數(shù)探索；最后， 對尺寸測量、成分分布和相結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行觀察和分析， 為離子束拋光系統(tǒng)在微電子封裝破壞性物理分析和失效分析中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

0 引言

微電子封裝是一種芯片保護(hù)支撐、芯片與印刷電路板之間互連的重要技術(shù)手段， 特別是近年來發(fā)展起來的三維封裝和系統(tǒng)集成封裝等被認(rèn)為是延續(xù)和超越摩爾定律的重要途徑之一。然而，隨著互連尺寸的縮小和堆疊密度的增加， 先進(jìn)封裝的可靠性問題愈發(fā)受到重視。在先進(jìn)封裝可靠性研究中， 掃描電子顯微鏡（ SEM： Scanning Electron Microscopy）、X-ray 能量色散譜（EDS： Energy Dispersive Spectrometer） 和電子背散射衍射（EBSD：Electron Backscatter Diffraction）作為介觀尺寸表征的最重要手段之一， 在先進(jìn)封裝工藝可靠性提升和壽命預(yù)計(jì)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用， 特別是截面尺寸及分層等觀察方面， 截面觀察占的比重越來越多。為了提高截面及背散射電子衍射花樣質(zhì)量，切片在完成研磨拋光后， 需要進(jìn)行必要的后處理， 刻蝕和離子拋光等手段變得十分重要。其中， 離子束拋光技術(shù)因無毒、工藝可控、重復(fù)性高和拋光質(zhì)量高而備受人們青睞。

1 儀器原理及介紹

1.1 工作原理

離子束切割儀的離子束加工是真空條件下完成的， 在真空環(huán)境中， 惰性氣體（氬氣） 在電場作用下發(fā)生電離， 通過電場對離子態(tài)的粒子進(jìn)行加速，形成高速離子束流。高速離子束流轟擊在待處理的樣品表面，對材料進(jìn)行轟擊， 從而實(shí)現(xiàn)近乎無應(yīng)力研磨的效果。由于離子束的加工是在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的， 而樣品表面受到轟擊的材料也將隨著真空系統(tǒng)抽走， 因此， 這項(xiàng)制樣、加工方法的污染很小。另外，針對不同材料的物質(zhì)， 也可以通過離子束研磨獲得真實(shí)的平整截面， 從而適應(yīng)SEM 觀察、EDS 分析和EBSD 分析等。

1.2 系統(tǒng)組成和性能指標(biāo)

離子束切割儀主要由離子槍（三離子束）、離子槍電壓、離子槍電流、離子束刻蝕功能和真空系統(tǒng)5個系統(tǒng)構(gòu)成， 其實(shí)物圖如圖1 所示。

a） 離子槍類型：鞍式散焦離子槍，3 只， 每只離子槍擁有獨(dú)立電源控制；

b） 離子槍電壓： 1~10 kV；

c） 離子槍電流： 0.5~4.5mA；

d） 離子束密度： 10 mA/cm2（單個離子槍）；

e） 離子束直徑（半高寬） ： 0.8mm@10 kV，2.5 mm@2 kV；

f） 最大離子束切割速率： 300μm/h （ Si，10 kV）；

g） 拋光可容納樣品尺寸：直徑最大為38mm，高度為12 mm。

2 離子束應(yīng)用及討論

2.1 離子束減薄觀察焊點(diǎn)裂紋

本案例是某失效分析中， 經(jīng)過電測發(fā)現(xiàn)樣品互連存在問題。經(jīng)過前期非破壞性觀察， 未發(fā)現(xiàn)任何異常， 后決定對樣品銅柱進(jìn)行研磨觀察。傳統(tǒng)的制樣工藝一般是采用環(huán)氧樹脂在硅膠模板中對樣品進(jìn)行固封成型，再通過砂紙研磨至目標(biāo)觀察位置表面， 最后再使用研磨液（拋光液） 對樣品表面進(jìn)行光亮化處理（拋光）。這樣制樣得到的樣品通常有以下因素會制約電鏡觀察的效果：

a） 樣品表面由于經(jīng)過砂子處理， 會出現(xiàn)溝槽狀形貌， 拋光處理不能完全消除，影響裂紋形貌的分辨；

b） 焊點(diǎn)位置的金屬具有延展性， 遮擋本身存在的裂紋；

c） 經(jīng)過研磨處理， 裂紋處可能被研磨殘?jiān)畛洌?無法直觀判斷是否真實(shí)存在裂紋。

通過圖2～5 的對比結(jié)果可以看出，焊點(diǎn)在離子束切割機(jī)拋光處理之前是完全看不到有裂紋的，經(jīng)過處理之后， 裂紋顯現(xiàn)出來。

2.2 離子束切割觀察樣品內(nèi)部參雜

本案例是觀察MOS 管中上層鋁參硅情況。對樣品進(jìn)行取樣， 選取其中一塊適合觀察分析的裸片，使用研磨機(jī)對所需觀察面進(jìn)行磨平， 方便離子束對樣品進(jìn)行切割。將樣品放到儀器中進(jìn)行打磨。最終得到的硅中參鋁形貌和參鋁能譜如圖6～8 所示。

2.3 EBSD 晶粒相分辨

隨著顯微結(jié)構(gòu)觀察方式的進(jìn)步， 在20 世紀(jì)末出現(xiàn)了一種新的表征手段———EBSD。 EBSD 可以在SEM 中獲得樣品的晶粒信息，分辨不同取向的晶粒， 以獲得各相的分布、含量和組織架構(gòu)信息。EBSD 對樣品的表面加工要求極高， 而常規(guī)的機(jī)械研磨或振動拋光都無法滿足這個要求，而采用離子束切割技術(shù)則可以很好地解決這一問題。

樣品在場發(fā)射SEM 下的形貌和經(jīng)過離子束切割儀拋光后的晶粒形貌如圖9～10 所示。

3 結(jié)束語

通過以上3 個案例可見， 三離子束研磨儀是一種在實(shí)際工程中應(yīng)用得很好的工具，可以消除人工研磨時產(chǎn)生的應(yīng)力和金屬延展， 通過轟擊可解決裂紋中前期因研磨遺留下來的殘?jiān)?；可用于觀察截面樣品的制作；可以用于分立器件和集成電路芯片的樣品解剖，逐層去除電路層互連， 是實(shí)現(xiàn)元器件芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視性的重要手段。針對硬/軟復(fù)合材料、多孔材料、脆性材料和材質(zhì)不均一性材料，可采用離子束研磨技術(shù)獲得真實(shí)的平整截面， 從而適宜于SEM 觀察、EDS、WDS、Auger 或者EBSD 分析等。

審核編輯 黃宇