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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理和失效模式研究的應用為落腳點， 較為全面地介紹了離子束拋光的工作原理、樣品參數選擇依據；然后，利用離子束拋光系統對典型的封裝互連結構進行拋光， 結合材料和離子束刻蝕理論進行參數探索；最后， 對尺寸測量、成分分布和相結構等信息進行觀察和分析， 為離子束拋光系統在微電子封裝破壞性物理分析和失效分析中的應用提供了指導。

0 引言

微電子封裝是一種芯片保護支撐、芯片與印刷電路板之間互連的重要技術手段， 特別是近年來發展起來的三維封裝和系統集成封裝等被認為是延續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， 先進封裝的可靠性問題愈發受到重視。在先進封裝可靠性研究中， 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， 在先進封裝工藝可靠性提升和壽命預計等方面獲得了廣泛的應用， 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量，切片在完成研磨拋光后， 需要進行必要的后處理， 刻蝕和離子拋光等手段變得十分重要。其中， 離子束拋光技術因無毒、工藝可控、重復性高和拋光質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， 在真空環境中， 惰性氣體（氬氣） 在電場作用下發生電離， 通過電場對離子態的粒子進行加速，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，對材料進行轟擊， 從而實現近乎無應力研磨的效果。由于離子束的加工是在真空環境下實現的， 而樣品表面受到轟擊的材料也將隨著真空系統抽走， 因此， 這項制樣、加工方法的污染很小。另外，針對不同材料的物質， 也可以通過離子束研磨獲得真實的平整截面， 從而適應SEM 觀察、EDS 分析和EBSD 分析等。

1.2 系統組成和性能指標

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5個系統構成， 其實物圖如圖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 離子束應用及討論

2.1 離子束減薄觀察焊點裂紋

本案例是某失效分析中， 經過電測發現樣品互連存在問題。經過前期非破壞性觀察， 未發現任何異常， 后決定對樣品銅柱進行研磨觀察。傳統的制樣工藝一般是采用環氧樹脂在硅膠模板中對樣品進行固封成型，再通過砂紙研磨至目標觀察位置表面， 最后再使用研磨液（拋光液） 對樣品表面進行光亮化處理（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） 樣品表面由于經過砂子處理， 會出現溝槽狀形貌， 拋光處理不能完全消除，影響裂紋形貌的分辨；

b） 焊點位置的金屬具有延展性， 遮擋本身存在的裂紋；

c） 經過研磨處理， 裂紋處可能被研磨殘渣填充， 無法直觀判斷是否真實存在裂紋。

通過圖2～5 的對比結果可以看出，焊點在離子束切割機拋光處理之前是完全看不到有裂紋的，經過處理之后， 裂紋顯現出來。

2.2 離子束切割觀察樣品內部參雜

本案例是觀察MOS 管中上層鋁參硅情況。對樣品進行取樣， 選取其中一塊適合觀察分析的裸片，使用研磨機對所需觀察面進行磨平， 方便離子束對樣品進行切割。將樣品放到儀器中進行打磨。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

隨著顯微結構觀察方式的進步， 在20 世紀末出現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、含量和組織架構信息。EBSD 對樣品的表面加工要求極高， 而常規的機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則可以很好地解決這一問題。

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

3 結束語

通過以上3 個案例可見， 三離子束研磨儀是一種在實際工程中應用得很好的工具，可以消除人工研磨時產生的應力和金屬延展， 通過轟擊可解決裂紋中前期因研磨遺留下來的殘渣；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， 是實現元器件芯片內部結構可視性的重要手段。針對硬/軟復合材料、多孔材料、脆性材料和材質不均一性材料，可采用離子束研磨技術獲得真實的平整截面， 從而適宜于SEM 觀察、EDS、WDS、Auger 或者EBSD 分析等。

審核編輯 黃宇