哪种切片方法最适合我的样品？
白皮书
Daniel JD Sullivan博士，Amos Eppley，Jennifer Cooper，Bryan Tracy博士和Sara G.Ostrowski博士
半导体管芯的横截面是故障分析（FA）工作的基本步骤。 横截面可以用作一般或特定位置的层完整性检查。 验证层和层间连接（通孔）的尺寸也很常见。 通过缺陷定位技术（例如发射光谱，OBIRCH，IR，TIVA，XIVA等），电气证据或设计中的可疑缺陷，可以确定FA中截面的决定。1,2
一旦确定了横截面的位置，下一个问题就是要使用的横截面方法。 常用的选择有三种：（1）机械，用于将设备劈开或抛光到所需位置；（2）离子磨，可用于清理机械部件或整个部件，是一种工具。用高压离子或（3）双束聚焦离子束（DB-FIB）抛光样品边缘，该离子束使用Ga离子束将沟槽切入样品中，然后使用设置好的SEM观察沟槽看看沟渠。 本文讨论的每种方法都有优点和缺点。
图1：整个模具的机械横截面位置由红线显示。
图2：整个模具的机械x剖视图：图1的侧视图以红线剖开。
图3：右侧的Trench 1在浇口区域中，Trench 2在Source字段中。 红色箭头指向剖面。 每个沟槽的内部都通过SEM在仪器上成像，该仪器是双光束FIB的一部分。
图4和5：分别显示了沟槽的内部1和2。 氧化物裂纹，红色箭头下方有缺陷。
的优点和缺点
机械部分的优势是可以跨越整个芯片（或封装），从而可以在样品的任何一点进行检查。 可以通过湿法蚀刻或离子铣削对截面进行额外修改，以增加层或区域（例如氧化物或掺杂区域）的清晰度。 不仅可以通过光学显微镜和SEM来分析暴露区域，还可以通过扫描电容显微镜（SCM），微探测，傅立叶变换红外（FTIR），硬度测试等技术进行分析。 这是由于该部分的公开性质。
图6：上图：SCM dC / dV幅值图像，显示了相对的掺杂水平，下图：SCM dC / dV相图，显示了掺杂物的类型分布（棕色= n型，黄色= p型）
机械部分的缺点包括：在样品上施加压力可能会导致脆性材料破裂并填充软材料中的空隙/裂缝；进一步控制步骤进入样品的能力受到严重限制。执行部分的人员在很大程度上取决于部分的质量。
图7和8：半导体芯片的SEM图像（机械x截面）。
对下面显示的样品进行化学湿法蚀刻，以显示此类装饰的效果。 请注意，纯机械切片后，晶界（红色箭头）的外观和突出显示的氧化物层不清晰。 使用的蚀刻取决于样品材料以及需要突出显示的内容：硅中的氧化物，n或p掺杂区域…
图9：具有装饰性湿蚀刻的机械横截面（请注意，与图8相比，晶界得到了增强）。
可以将离子铣削应用于机械X截面以清理截面的一部分，或者可以从一开始就对其几何形状允许的样品进行离子铣削。 离子铣削比机械x截面更干净。 它也不会对样品施加压力，这意味着脆性材料（如GaAs，GaN和其他部分）没有机械部分常见的微裂纹。 同样，去除金，铟或聚合物之类的软材料，而不会在样品上填充小空隙或裂缝，比较图8和9，并注意在离子铣削样品上出现了几个小空隙。 但是，离子铣削会引入一些瑕疵，请注意显示铣削方向的垂直条纹。 通过精心设置和校准离子铣削工具，可以减少甚至消除这些误差。
图10：离子破碎机的机械部分。 请注意，现在可以看到小的空隙（红色箭头）
对于非半导体材料，离子铣削最适合保持小孔和其他效果，这些效果会随着机械截面的变化而变化，并且对于FIB而言尺寸太大。
图11和12：在铝上进行离子铣削的ANO中很好地显示了小的空隙和材料。
离子铣削的一个局限性在于，目标区域必须位于样品的边缘。 此外，样品的深度是有限的–取决于仪器，通常跨度为1.5毫米，样品为700微米（更昂贵的工具可以铣削更大的区域）。 可以购买带有低温台架和其他附件的离子磨机，这些设备可将易擦拭的材料（如某些聚合物）切成薄片而无需重新分配材料。
DB-FIB可以合理地在包括成像在内的标准操作中切开20微米的沟槽和10微米的沟槽。 DB FIB的最大优点是可以以可控的方式将切片移动到样品中很小的距离。 例如，每个20微米0.1微米的台阶都可以制成段（图4和5）以遍历感兴趣的区域。 每个步骤都可以成像，由EDX分析并最终制作成电影。 机械x截面无法控制得如此精细。
DB-FIB的缺点主要是暴露区域有限，并且难以处理非导电样品。 DB-FIB不允许对整个模具进行检查，但可以对关键位置进行成像，这些位置可以彼此非常靠近且角度不同（见图3）。 在查看封装问题（例如跨设备的焊球/凸点附着）时，裸露的小区域使DB-FIB不能被认真考虑。
在绝缘样品上工作时，充电问题非常严重，这使这些样品成为不好的选择。
DB FIB部分的有限区域和孔的几何形状使得通过湿蚀刻进行染色非常困难，并且其他技术无法访问该部分。
下表总结了每种方法的主要优点和缺点：
| 选项 | 优势 | 缺点 |
|---|---|---|
| 机械X剖面 | 整个模具/封装均可检查。 获得其他技术的机会很好。 | 无法对设备进一步采取小的受控步骤，将压力施加到样品上。 |
| 离子铣削 | 抛光非常干净，不会对设备施加任何力。 可以观察到晶粒结构。 使用稀有气体进行研磨，因此没有污染问题。 | 样品的几何形状受到限制，距离样品边缘的截面深度有限。 |
| 双光束FIB | 可以通过感兴趣的区域采取较小的受控步骤，可以分析多个相邻区域。 非常容易进行TEM采样。 | 仅分析小区域，有限的切入深度，无法合理地分析大区域。 使用其他技术的机会非常有限。 使用Ga离子进行溅射，这可能是一个问题。 绝缘子的充电问题与SEM相同。 |
概要
哪种横截面最适合样品的决定取决于样品本身和所需的信息。 本文介绍了每种方法最常见的技术优缺点：机械，离子铣削和双束FIB，因为它们适用于大多数样品，尤其是半导体应用。 每种方法都有优点和缺点，重要的是要知道每种方法的局限性和功能。
所讨论的某些方法允许进行其他工作，而其他方法则不允许：具有FIB切口的模具可以进行机械切片，或者继续进行TEM工作，但是通常在进行切片之前先封装机械切片，然后再无法进行FIB作业。 离子铣削要求感兴趣的区域位于样品的边缘，这可能需要通过劈裂或事先进行机械抛光来制备样品。 因此，操作顺序也很重要。 对于所有分析工作而言，最重要的是在进行首次操作之前进行良好的讨论和计划。
参考文献：
- J. Devaney，G。Hill，R。Seippel，故障分析机制，技术和图片集，故障识别和培训服务公司1986，第8节。
- 《微电子故障分析台参考》，3rd版，eds。 TW Lee和SV Pabbisetty，ASM International，1993，第97-110页。
- 失效分析技术–程序指南，eds。 E. Doyle Jr.和B. Morris，IITRI，1980年，第III-N节。
- https://www.semitracks.com/reference-material/failure-and-yield-analysis/failure-analysis-die-level/mechanical-cross-section.php
- https://microscopy-analysis.com/editorials/editorial-listings/preparation-cross-sectional-semiconductor-ic-device-sample-sem
- 彭建昌，陈德健，谭大林，伦美玲，严国H，柯志明，蔡祖明，LJ Balk，“近红外光子发射显微镜和光谱学综述”，集成电路2005的物理和失效分析。 IPFA 2005。 12thth International Symposium的会议论文集，第275-281，2005页。
- Act Quah，Ls Koh，Cm Chua，M Palaniappan，Jm Chin，Jch Phang，“用于微电子故障分析的直流耦合激光诱导检测系统，用于故障定位”，集成电路2006的物理和故障分析。 13th国际研讨会，第327-332，2006页。
- P. Lawrence，“双光束（FIB / SEM）及其应用-纳米级样品的制备和修饰”，第2006届国际真空纳米电子会议，19年，桂林，2006年，第127-128页。
doi：10.1109 / IVNC.2006.335390 - Y. Chuang，C。Huang，J。Hsu和Y. Wu，“ GaAs器件两步结污点和扫描电容显微镜样品制备”，2017年IEEE第19届电子封装技术会议（EPTC），新加坡，2017年，第1页。 -3。
doi：10.1109 / EPTC.2017.8277565