芯片失效分析中對(duì)芯片的截面進(jìn)行觀察，需要對(duì)樣品進(jìn)行截面研磨達(dá)到要觀察的位置，而后再采用光學(xué)顯微鏡（OM Optical Microscopy）或者掃描電子顯微（SEM Scanning Electron Microscopy）進(jìn)行形貌觀察。

傳統(tǒng)機(jī)械研磨的時(shí)候，往往會(huì)造成金屬延展、顆粒物填充等人為損害情況，對(duì)后續(xù)的檢查帶來(lái)不利影響。有些失效現(xiàn)象比如開(kāi)裂，空洞等，傳統(tǒng)的機(jī)械研磨制樣會(huì)破壞原有的失效現(xiàn)象，分析這種失效現(xiàn)象的時(shí)候需要使用離子研磨的方式來(lái)制備樣品。離子研磨是用聚焦離子束對(duì)樣品進(jìn)行切削，這個(gè)時(shí)候不會(huì)引入任何研磨的剪切力，不會(huì)破壞原有的失效現(xiàn)象，不會(huì)引入人為缺陷。

離子研磨技術(shù)相比傳統(tǒng)研磨方法優(yōu)勢(shì)：

離子研磨的原理介紹

離子研磨（CP Cross-section Polisher）又叫離子拋光，氬離子研磨法。真空環(huán)境下，離子槍中低壓氣體離子化，出射的陽(yáng)離子又經(jīng)電場(chǎng)加速，利用通過(guò)電場(chǎng)加速過(guò)的離子轟擊樣品表面，在樣品表面產(chǎn)生濺射效應(yīng)，由此制備尺度為毫米級(jí)別的平滑表面的研磨方法。氬氣屬于惰性氣體，基本不會(huì)和樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此通常我們采用氬氣作為離子源轟擊樣品。

由于離子質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍，所以離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，靠微觀的撞擊能量加工樣品。并且不會(huì)對(duì)樣品造成機(jī)械損害，獲得表面平滑的高質(zhì)量樣品?？梢詫?shí)現(xiàn)Flat milling 平面研磨和Cross-section截面研磨這兩種形式。

離子研磨的方法介紹

離子研磨制備芯片樣品一般有以下具體步驟：

機(jī)械預(yù)處理

1切割芯片

使用金剛石鋸等工具，將芯片從晶圓或封裝體上切割下來(lái)，切割時(shí)要注意盡量減小對(duì)芯片的損傷，控制切割的尺寸和形狀，以便后續(xù)操作。

2粗磨減薄

利用砂紙對(duì)切割后的芯片進(jìn)行粗磨，去除大部分多余的材料，使芯片厚度初步降低?？蓮妮^粗粒度的砂紙開(kāi)始，逐漸過(guò)渡到較細(xì)粒度的砂紙，以獲得相對(duì)平整的表面。

3精細(xì)拋光

采用金剛石拋光膏等進(jìn)行精細(xì)拋光，進(jìn)一步減小表面粗糙度，為后續(xù)離子研磨提供更好的基礎(chǔ)。不過(guò)要避免過(guò)度拋光產(chǎn)生表面應(yīng)力和形變。

截面離子研磨

1切割樣品

若需要觀察芯片內(nèi)部的截面結(jié)構(gòu)，如多層膜、器件結(jié)構(gòu)等，可先使用切割工具將芯片樣品沿特定方向切割開(kāi)，暴露出需要觀察的截面。

2垂直轟擊

將切割后的樣品重新安裝在樣品臺(tái)上，使離子束垂直于樣品截面，設(shè)置加速電壓為 2-5kV，選擇合適的研磨時(shí)間，一般 60 分鐘以上，進(jìn)行離子研磨，以獲得平整、無(wú)損傷的截面。

樣品檢查

1SEM 觀察

使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)離子研磨后的芯片樣品進(jìn)行觀察，檢查樣品表面或截面的顯微結(jié)構(gòu)。

2評(píng)估指標(biāo)

重點(diǎn)觀察表面平整度，查看是否存在殘留的機(jī)械損傷、劃痕、凹坑等缺陷，同時(shí)檢查樣品的顯微結(jié)構(gòu)是否完整，有無(wú)因離子研磨過(guò)度或不足而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形、破壞等情況。若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可根據(jù)情況決定是否需要進(jìn)一步研磨或采取其他處理措施。

離子研磨的案例

BGA封裝（Low K材料，finfet工藝）：傳統(tǒng)研磨應(yīng)力過(guò)大，F(xiàn)IB加工位置較小無(wú)法滿(mǎn)足要求。

1Low K材料由于其松軟的特性

容易在加工過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。(物理研磨對(duì)這類(lèi)樣品容易造成開(kāi)裂及分層，F(xiàn)IB加工為更好的方式。)

2BGA封裝厚度及寬度加工難度大。

離子束截面寬范圍研磨最大工作范圍可達(dá)8mm ，加工后的截面樣品可以觀察更多信息。（對(duì)封裝類(lèi)樣品和觀察范圍大的樣品比較適用。）

▼觀察第一排Bump

▼離子束加工寬度≈8mm

BSI（Backside Illumination）芯片樣品：

BSI模組(如圖1)表面覆蓋一層玻璃厚度較厚無(wú)法進(jìn)行FIB，物理去玻璃可能對(duì)芯片造成損傷。

此類(lèi)樣品TSV較大且存在空洞(如圖3)，物理研磨應(yīng)力影響很大，會(huì)影響對(duì)異常的判斷。

采用離子束研磨可以有效的避免該問(wèn)題。

▲圖1

▲圖2

▲圖3

結(jié)構(gòu)分析：

能制備出高質(zhì)量的芯片截面樣品，讓研究人員清晰觀察到芯片的各層次的結(jié)構(gòu)，查看是否存在缺陷。

光感器件分析難點(diǎn)：

1.樣品結(jié)構(gòu)層次多（多達(dá)幾十層）。

2.晶粒無(wú)法從封裝中取出（化學(xué)試劑與有機(jī)膜層發(fā)生反應(yīng)無(wú)法保留）。

3.截面加工完成后需要進(jìn)行DIP后才能顯現(xiàn)各層結(jié)構(gòu)界限。

物理研磨和FIB對(duì)該樣品加工都會(huì)存在局限性，用離子研磨可以避免物理研磨的影響，也可以兼顧FIB加工范圍不夠大的局限性。

分析封裝相關(guān)問(wèn)題

鍵合點(diǎn)檢測(cè)：

在芯片封裝中，鍵合點(diǎn)的質(zhì)量至關(guān)重要。離子研磨可以精確地對(duì)鍵合點(diǎn)進(jìn)行剖面分析，觀察鍵合線(xiàn)與芯片引腳、基板之間的連接情況，判斷是否存在鍵合不牢、鍵合線(xiàn)斷裂、鍵合處氧化等導(dǎo)致信號(hào)傳輸不良的問(wèn)題

▲圖4

▲圖5

圖4.圖5為研磨后對(duì)樣品進(jìn)行截面離子拋光（通過(guò)離子拋光可以去除研磨引入的金屬延展，可以更直觀的觀察產(chǎn)品缺陷及異常）

封裝材料與芯片界面分析

通過(guò)離子研磨，可觀察封裝材料與芯片之間的界面結(jié)合狀況，檢測(cè)是否存在分層、氣泡、裂縫等缺陷。這些缺陷可能會(huì)導(dǎo)致芯片在使用過(guò)程中受到外界環(huán)境影響，如濕氣入侵，進(jìn)而引發(fā)芯片失效。

▲DECAP后

▲DECAP后

該案例在電性現(xiàn)象為短路（芯片開(kāi)裂后引起金屬錯(cuò)位），經(jīng)PFA分析后懷疑在藍(lán)膜取晶粒過(guò)程中頂針頂裂。

離子研磨在半導(dǎo)體分析中扮演著重要角色，與聚焦離子束（FIB）、掃描電鏡（SEM）聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)加工與觀測(cè)同步，推動(dòng)原位分析技術(shù)發(fā)展。

●廣適性較強(qiáng)可以處理金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、聚合物等多種材料。

●也可用于表面清潔與拋光：去除氧化層、污染物或機(jī)械加工殘留，提升表面質(zhì)量（如半導(dǎo)體晶圓、光學(xué)元件）。

季豐電子

季豐電子成立于2008年，是一家聚焦半導(dǎo)體領(lǐng)域，深耕集成電路檢測(cè)相關(guān)的軟硬件研發(fā)及技術(shù)服務(wù)的賦能型平臺(tái)科技公司。公司業(yè)務(wù)分為四大板塊，分別為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、軟硬件開(kāi)發(fā)、測(cè)試封裝和儀器設(shè)備，可為芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試、材料裝備等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈和新能源領(lǐng)域公司提供一站式的檢測(cè)分析解決方案。

季豐電子通過(guò)國(guó)家級(jí)專(zhuān)精特新“小巨人”、國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)、上海市“科技小巨人”、上海市企業(yè)技術(shù)中心、研發(fā)機(jī)構(gòu)、公共服務(wù)平臺(tái)等企業(yè)資質(zhì)認(rèn)定，通過(guò)了ISO9001、 ISO/IEC17025、CMA、CNAS、IATF16949、ISO/IEC27001、ISO14001、ISO45001、ANSI/ESD S20.20等認(rèn)證。公司員工超1000人，總部位于上海，在浙江、北京、深圳、成都等地設(shè)有子公司。