近年來(lái)，激光在半導(dǎo)體測(cè)試和分析等應(yīng)用領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。當(dāng)前，激光已被納入分析儀器中，例如從微小的尖端分離單個(gè)原子或測(cè)量樣品的構(gòu)。在半導(dǎo)體物理失效分析（PFA）領(lǐng)域，激光被用來(lái)選擇性地去除半導(dǎo)體封裝芯片的材料，以便對(duì)芯片進(jìn)行后續(xù)分析，這一過(guò)程被稱為激光開(kāi)封。不過(guò)，在過(guò)去十年，激光源也開(kāi)始進(jìn)入樣品制備領(lǐng)域，從半導(dǎo)體晶片、芯片和封裝中切割和制備樣品，用于微觀結(jié)構(gòu)診斷和物理失效分析。

　　由于先進(jìn)光刻技術(shù)的成本和復(fù)雜性不斷增加，設(shè)備制造商越來(lái)越傾向于采用異構(gòu)異質(zhì)集成技術(shù)，將不同的芯片和元件組合堆疊成先進(jìn)的封裝架構(gòu)，如2.5D和3D集成電路。這反過(guò)來(lái)又給物理失效分析帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因?yàn)閮H去除器件或封裝中的一層或覆蓋層來(lái)隔離診斷所關(guān)注的微結(jié)構(gòu)區(qū)域，已不再足夠。缺陷深深地隱藏在更為復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。制造技術(shù)日新月異，但封裝分析技術(shù)也需要新的方法才能跟上步伐。

　　因此，行業(yè)對(duì)樣品制備技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。樣品制備技術(shù)可以根據(jù)各種微觀結(jié)構(gòu)診斷方法進(jìn)行調(diào)整，所有這些方法都需要快速、可靠、經(jīng)濟(jì)、無(wú)偽影，并能針對(duì)微米級(jí)或更小的缺陷。除傳統(tǒng)機(jī)械制備外，聚焦離子束（FIB）系統(tǒng)也是該領(lǐng)域的主流。前者需要高技術(shù)人才和耗時(shí)的工藝，而后者則需要高昂成本。

　　激光是一種替代方法

　　激光輻射可以燒蝕各種材料，前提是要在正確的波長(zhǎng)上提供足夠高的能量。利用超短脈沖和極高的脈沖能量，基于多光子吸收的燒蝕可進(jìn)一步加工透明材料。此外，激光工具還可以使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件對(duì)聚焦光束進(jìn)行非常精確的定位。通過(guò)將脈沖長(zhǎng)度從幾納秒縮短到皮秒或飛秒范圍，材料的燒蝕變得越來(lái)越“熱”。也就是說(shuō)，超短脈沖可將局部加熱造成的結(jié)構(gòu)損傷降至目標(biāo)周?chē)鷰孜⒚滓韵隆?/p>

　　激光在微觀結(jié)構(gòu)診斷方面最重要的優(yōu)勢(shì)之一是，光子不含任何元素污染，也沒(méi)有離子束的微粒輻射。因此，激光能量不會(huì)造成不必要的植入效應(yīng)。此外，激光微加工的燒蝕率比用于微結(jié)構(gòu)診斷樣品制備的Ga+ FIB 高約6 個(gè)數(shù)量級(jí)，比Xe+ 等離子FIB 的銑削率高約2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　對(duì)熱損傷不利影響的擔(dān)憂，阻礙了激光微加工工具在微觀結(jié)構(gòu)診斷樣品制備中的廣泛應(yīng)用。這些擔(dān)憂中最主要的是激光輻射將物質(zhì)從加工位置排出時(shí)對(duì)樣品的潛在影響。這是因?yàn)殡姶挪〞?huì)耦合到光子系統(tǒng)，光子的激發(fā)會(huì)導(dǎo)致局部溫度升高。

　　采用皮秒和飛秒級(jí)（10-13 至10-15 秒）脈沖持續(xù)時(shí)間的激光燒蝕技術(shù)，通常被稱為冷燒蝕或熱燒蝕。然而，這一術(shù)語(yǔ)僅適用于脈沖持續(xù)時(shí)間小于10 飛秒的情況。較長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致電子和光子的相互作用，并在基底中產(chǎn)生相關(guān)的溫度傳導(dǎo)。理想情況下，脈沖持續(xù)時(shí)間在皮秒范圍內(nèi)時(shí)，這種傳導(dǎo)不會(huì)超過(guò)樣品材料直徑100 納米的范圍。

　　越來(lái)越短的激光脈沖的優(yōu)勢(shì)在于能夠在很短的時(shí)間間隔內(nèi)將所有激光能量傳遞給材料，從而實(shí)現(xiàn)極高的功率密度，最高可達(dá)每平方厘米幾千兆瓦。這樣就能非常有效地讓材料吸收激光輻射，同時(shí)又讓熱損傷降至最低。遵循激光微加工的基本原則，例如使用低進(jìn)給量，可以進(jìn)一步將目標(biāo)區(qū)域周?chē)鸁嵊绊憛^(qū)的范圍降至最低。最終目的是使特定材料層的結(jié)構(gòu)損傷最?。▓D1）。為了使這些結(jié)構(gòu)損傷保持在最小程度并完全可控，還需要一個(gè)高精度軸系統(tǒng)來(lái)支持激光燒蝕，對(duì)處理過(guò)的材料進(jìn)行精確定位。

　　由于這些發(fā)展，超短脈沖激光器現(xiàn)在被用作“刀片”，可以高精度地去除大量材料。激光工具可以輕松切割橫截面，使這些橫截面可以直接用于進(jìn)一步分析。這為制備幾毫米到幾微米大小的樣品提供了新的工藝路線。例如，激光通過(guò)在開(kāi)封階段快速去除大量材料，隨后使用用于原子探針層析成像或透射電子顯微鏡的聚焦離子束制備，用于對(duì)最終樣品的處理。

　　激光輔助物理失效分析

　　半導(dǎo)體行業(yè)通常使用物理失效分析來(lái)查找電子元件故障的根本原因。這種做法有助于調(diào)查基于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AMOLED）和微型發(fā)光二極管（microLED）的移動(dòng)顯示器的缺陷。它還有助于分析倒裝芯片封裝、高帶寬存儲(chǔ)芯片、硅通孔、微機(jī)電系統(tǒng)和其他微電子元件的故障。導(dǎo)致電子元件故障的典型缺陷包括裂紋、空洞、接觸不良、分層和填充不足的通孔。

　　樣品橫截面是物理失效分析的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。它使位于不同深度平面上的結(jié)構(gòu)都能利用各種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)檢查和分析，如結(jié)合能量色散X 射線光譜或電子反向散射衍射微分析的掃描電子顯微鏡成像。

　　橫截面分析特別有用，尤其是當(dāng)感興趣的區(qū)域位于樣品表面下幾百微米或幾毫米的位置時(shí)。在處理上述設(shè)備時(shí)，情況往往如此。然而要對(duì)這種深度橫截面的整個(gè)表面進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)，就需要清除大量立方毫米數(shù)量級(jí)的材料，并使用精確工具一次削薄一個(gè)微米層。

　　機(jī)械鋸切、機(jī)械拋光和寬離子束拋光是過(guò)去業(yè)界的首選方法。隨著微電子結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜和敏感，聚焦離子束等其他技術(shù)被越來(lái)越多地采用?？傮w而言，聚焦離子束在高度局部樣品制備和精確端點(diǎn)技術(shù)方面的卓越能力在很大程度上推動(dòng)了這一發(fā)展。此外，聚焦離子束不會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生任何機(jī)械應(yīng)力。不過(guò)如前所述，聚焦離子束的擁有成本較高，產(chǎn)量相對(duì)較低。

　　隨著電子設(shè)備的微型化和先進(jìn)的集成化，人們對(duì)電子設(shè)備的需求不斷增加，這就要求在不影響質(zhì)量的前提下，提高產(chǎn)量，縮短分析時(shí)間。該行業(yè)不能僅僅依靠等離子聚焦離子束來(lái)滿足這種動(dòng)態(tài)和具有挑戰(zhàn)性的需求。行業(yè)需要更快、更有效的大批量失效分析工作流程的新方法。

　　為加快微電子器件故障分析而開(kāi)發(fā)的大批量工作流程，可將獨(dú)立的激光燒蝕工具與等離子 FIB-SEM 系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。在工作流程中，激光將首先快速去除大量塊狀材料（圖2），然后等離子FIB-SEM技術(shù)將進(jìn)行精細(xì)的表面拋光。與機(jī)械樣品制備相比，激光的定位能力使這一過(guò)程能夠在不損壞樣品的情況下精確到達(dá)所關(guān)注的特征。

　　在這種方法的演示中，3D-Micromac AG 和TESCAN制備了整個(gè)12 毫米的存儲(chǔ)芯片，以說(shuō)明激光輔助物理失效分析的長(zhǎng)切割能力，以及校正錐角的可能性，從而使橫截面與垂直排列的器件結(jié)構(gòu)完美對(duì)齊。在樣品中，首先制備1 毫米深的橫截面以暴露隱藏結(jié)構(gòu)，如位于不同層的存儲(chǔ)器芯片（圖3）。類(lèi)似的工作流程可以輕松處理大型樣品制備，并在必要時(shí)為等離子聚焦離子束后處理做好準(zhǔn)備。像這樣的長(zhǎng)切割還可以切割整個(gè)移動(dòng)顯示器、封裝、微機(jī)電系統(tǒng)或其他大型微電子元件。

　　顯而易見(jiàn)的改進(jìn)

　　在演示中，用激光制備了一個(gè)2 毫米寬的溝槽，然后用等離子聚焦離子束拋光磨平橫截面壁，以便隨后進(jìn)行掃描電子顯微鏡檢測(cè)（圖4）。對(duì)這些類(lèi)型的電子器件進(jìn)行橫截面處理是一種常見(jiàn)做法，目的是檢查前端（晶體管有源層）和后端（厚金屬線）結(jié)構(gòu)以及焊接凸點(diǎn)的缺陷。深度橫截面還可以檢測(cè)印刷電路板的缺陷。激光燒蝕大大縮短了制備塊溝槽的時(shí)間，從而顯著加快了樣品制備時(shí)間。

　　先進(jìn)的制備技術(shù)

　　將激光與物理失效分析工具結(jié)合到相關(guān)工作流程中，可以輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)縫精確的檢測(cè)。在相關(guān)的工作流程中，電路布局或圖像疊加有助于將隱藏的特征可視化?？梢栽谶@些樣品虛擬地圖上標(biāo)記不同的位置，使每個(gè)位置都與需要準(zhǔn)備橫截面的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。

　　AMOLED 顯示屏的物理失效分析是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的分析任務(wù)，在這項(xiàng)任務(wù)中，激光燒蝕和等離子聚焦離子束的搭配使用，可以大大縮短檢測(cè)時(shí)間。AMOLED 顯示屏的典型關(guān)注區(qū)域是夾在厚玻璃基板和有機(jī)發(fā)光活性層之間的薄膜晶體管層（圖5）。要進(jìn)入薄膜晶體管層，需要制備數(shù)百微米深的橫截面，非常具有挑戰(zhàn)性且耗時(shí)。用機(jī)械方法切割或劈開(kāi)AMOLED 顯示屏可能會(huì)引起應(yīng)力和分層等大面積損壞，從而使物理失效分析變得復(fù)雜，甚至不可行。在激光參數(shù)適當(dāng)?shù)那闆r下，激光造成的機(jī)械應(yīng)力或膨脹可以忽略不計(jì)，因此不會(huì)產(chǎn)生分層。

　　使用激光制備樣品所節(jié)省的時(shí)間取決于多個(gè)因素，包括激光功率、脈沖能量、功率密度以及材料的燒蝕率。在上述示例中，與傳統(tǒng)的聚焦離子束方法相比，制備和分析所需的時(shí)間減少了60% 到70%。3D-Micromac 使用更新的激光源進(jìn)行的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，樣品制備時(shí)間可以進(jìn)一步縮短。這就為樣品制備應(yīng)用提供了可能，否則這些應(yīng)用會(huì)因時(shí)間成本過(guò)高而不經(jīng)濟(jì)。

　　結(jié)論

　　超短脈沖激光為半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)樣品診斷，提供了一種快速而經(jīng)濟(jì)的新方法。與其他分析技術(shù)相結(jié)合，相關(guān)工作方法也可用于處理和暴露隱蔽區(qū)域，從而大大加快物理失效分析的速度。激光微加工系統(tǒng)是隨時(shí)執(zhí)行各種微結(jié)構(gòu)診斷任務(wù)的理想設(shè)備。

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