离子束抛光在微电子封装失效分析领域的应用

王刚 冯丽婷 李潮 黎恩良 郑林挺 胡宏伟 刘家儒 夏姗姗 武慧薇

（工业和信息化部电子第五研究所）

摘要：

首先，以具体微电子封装失效机理和失效模式研究的应用为落脚点， 较为全面地介绍了离子束抛光的工作原理、样品参数选择依据； 然后， 利用离子束抛光系统对典型的封装互连结构进行抛光， 结合材料和离子束刻蚀理论进行参数探索； 最后， 对尺寸测量、成分分布和相结构等信息进行观察和分析， 为离子束抛光系统在微电子封装破坏性物理分析和失效分析中的应用提供了指导。

0 引言

微电子封装是一种芯片保护支撑、芯片与印刷电路板之间互连的重要技术手段， 特别是近年来发展起来的三维封装和系统集成封装等被认为是延续和超越摩尔定律的重要途径之一。然而， 随着互连尺寸的缩小和堆叠密度的增加， 先进封装的可靠性问题愈发受到重视。在先进封装可靠性研究中， 扫描电子显微镜（ SEM： Scanning Electron Microscopy）、X-ray 能量色散谱（EDS： Energy Dispersive Spectrometer） 和电子背散射衍射（EBSD：Electron Backscatter Diffraction） 作为介观尺寸表征的最重要手段之一， 在先进封装工艺可靠性提升和寿命预计等方面获得了广泛的应用， 特别是截面尺寸及分层等观察方面， 截面观察占的比重越来越多。为了提高截面及背散射电子衍射花样质量， 切片在完成研磨抛光后， 需要进行必要的后处理， 刻蚀和离子抛光等手段变得十分重要。其中， 离子束抛光技术因无毒、工艺可控、重复性高和抛光质量高而备受人们青睐。

1 仪器原理及介绍

1.1 工作原理

离子束切割仪的离子束加工是真空条件下完成的， 在真空环境中， 惰性气体（氩气） 在电场作用下发生电离， 通过电场对离子态的粒子进行加速，形成高速离子束流。高速离子束流轰击在待处理的样品表面， 对材料进行轰击， 从而实现近乎无应力研磨的效果。由于离子束的加工是在真空环境下实现的， 而样品表面受到轰击的材料也将随着真空系统抽走， 因此， 这项制样、加工方法的污染很小。另外， 针对不同材料的物质， 也可以通过离子束研磨获得真实的平整截面， 从而适应SEM 观察、EDS 分析和EBSD 分析等。

1.2 系统组成和性能指标

离子束切割仪主要由离子枪（三离子束）、离子枪电压、离子枪电流、离子束刻蚀功能和真空系统5 个系统构成， 其实物图如图1 所示。

a） 离子枪类型： 鞍式散焦离子枪， 3 只， 每只离子枪拥有独立电源控制；

b） 离子枪电压： 1~10 kV；

c） 离子枪电流： 0.5~4.5 mA；

d） 离子束密度： 10 mA/cm2 （单个离子枪）；

e） 离子束直径（半高宽） ： 0.8 mm@10 kV，2.5 mm@2 kV；

f） 最大离子束切割速率： 300 μm/h （ Si，10 kV）；

g） 抛光可容纳样品尺寸： 直径最大为38 mm，高度为12 mm。

2 离子束应用及讨论

2.1 离子束减薄观察焊点裂纹

本案例是某失效分析中， 经过电测发现样品互连存在问题。经过前期非破坏性观察， 未发现任何异常， 后决定对样品铜柱进行研磨观察。传统的制样工艺一般是采用环氧树脂在硅胶模板中对样品进行固封成型， 再通过砂纸研磨至目标观察位置表面， 最后再使用研磨液（抛光液） 对样品表面进行光亮化处理（抛光）。这样制样得到的样品通常有以下因素会制约电镜观察的效果：

a） 样品表面由于经过砂子处理， 会出现沟槽状形貌， 抛光处理不能完全消除， 影响裂纹形貌的分辨；

b） 焊点位置的金属具有延展性， 遮挡本身存在的裂纹；

c） 经过研磨处理， 裂纹处可能被研磨残渣填充， 无法直观判断是否真实存在裂纹。

通过图2～5 的对比结果可以看出， 焊点在离子束切割机抛光处理之前是完全看不到有裂纹的，经过处理之后， 裂纹显现出来。

2.2 离子束切割观察样品内部参杂

本案例是观察MOS 管中上层铝参硅情况。对样品进行取样， 选取其中一块适合观察分析的裸片， 使用研磨机对所需观察面进行磨平， 方便离子束对样品进行切割。将样品放到仪器中进行打磨。最终得到的硅中参铝形貌和参铝能谱如图6～8 所示。

2.3 EBSD 晶粒相分辨

随着显微结构观察方式的进步， 在20 世纪末出现了一种新的表征手段———EBSD。 EBSD 可以在SEM 中获得样品的晶粒信息， 分辨不同取向的晶粒， 以获得各相的分布、含量和组织架构信息。EBSD 对样品的表面加工要求极高， 而常规的机械研磨或振动抛光都无法满足这个要求， 而采用离子束切割技术则可以很好地解决这一问题。

样品在场发射SEM 下的形貌和经过离子束切割仪抛光后的晶粒形貌如图9～10 所示。

3 结束语

通过以上3 个案例可见， 三离子束研磨仪是一种在实际工程中应用得很好的工具， 可以消除人工研磨时产生的应力和金属延展， 通过轰击可解决裂纹中前期因研磨遗留下来的残渣； 可用于观察截面样品的制作； 可以用于分立器件和集成电路芯片的样品解剖， 逐层去除电路层互连， 是实现元器件芯片内部结构可视性的重要手段。针对硬/软复合材料、多孔材料、脆性材料和材质不均一性材料， 可采用离子束研磨技术获得真实的平整截面， 从而适宜于SEM 观察、EDS、WDS、Auger 或者EBSD 分析等。