芯片设计后，在进行后续的芯片检测分析测试前，必须针对待测样品做样品备制前处理(sample preparation)，透过芯片切片方式，进行断面/横截面观察(Cross-section)。此步骤在确认芯片内的金属接线、芯片各层之间结构(structure)、锡球接合结构(solder joint)、封装打线(wire bonding)等各种可疑缺陷(defect)，扮演相当关键性重要角色。

然而观察截面的方式有好多种，有传统机械研磨(Grinding)方式，透过机械手法抛光(polish)至所需观察的该层(Layer)位置；或是透过离子束(Ion Beam)方式来进行切削；那么，每一种分析手法到底有那些优势呢? 又该如何选择哪一种切片手法，才能符合您欲观察的样品型态呢?本期宜特小学堂，将带来四大分析手法，从针对尺寸极小的目标观测区(如奈米等级的先进工艺缺陷)，或是大面积结构观察(如微米等级的硅穿孔TSV)，让你快速找到适合的分析手法，进行断面/横截面观察(Cross-section)更得心应手!

(一) 传统机械研磨(Grinding): 样品制备时间长，观测范围可<15cm以内

传统机械研磨(Grinding)最大优势，是可以达到大面积的观察范围(<15cm皆可)，跨越整颗晶粒(Die)，甚至是封装品(Package)，因此在需全面性檢視堆疊的結構或是尺寸量测等等，就适合使用Grinding手法 (图一)。此手法可透过机械切割、冷埋、研磨、抛光四步骤，抛光(polish)至所需观察的位置 (阅读更多请点此)。

图一(左):晶粒(Die)剖面研磨；图一(中)&(右)铜工艺剖面研磨

不过传统研磨也有两项弱点，除了有机械应力容易产生结构损坏，如变形、刮痕外，此项操作也非常需要依靠操作人员的执行经验 (图二)， 经验不足者，恐导致过头而误伤到目标观测区，而造成影响。

图二:传统研磨相当依靠操作人员的执行经验

(二) 离子束 Cross-section Polisher (CP) :除了截面分析，需要微蚀刻也可靠它

相较于传统机械研磨(Grinding)，Cross-section Polisher (简称CP)的优点在于，利用离子束切削(ion milling)作最后的ending cut，可以减低多余的人为损伤，避免传统研磨机械应力产生的结构损坏。且除了切片外，CP还有另一延伸应用，就是可以针对样品进行表面微蚀刻，来帮助您解决研磨后造成的金属延展或变形问题。因此若您欲观察金属堆栈型之结构、界面合金共化物Intermetallic compound(简称IMC)，CP是非常适合的分析手法。

CP的手法，就是先利用研磨(Grinding)将样品先停在目标区前，再使用氩离子Ar+，取其一范围切削至目标观测区，此做法不仅能有效缩短分析时间，后续再搭配扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope，简称SEM)进行拍摄，将能够完整呈现绝佳材料对比(图三)。

图三:SEM影像，左图为研磨后的芯片结构，层与层间材料对比并不清晰;相较下右图为CP切削后的芯片结构，layer与layer间界线分界清晰。

● 案例一: CP的cross section能力，快又有效率

此待测样品为BGA封装形式，想要针对特定的锡球(bump)进行分析，透过CP，可观察1mm的范围面积，仅需1小时，即可完成切片。后续再搭配SEM，即可清楚呈现锡球表面材料分布情形(图四)。

图四:SEM影像；图四(a)为透过CP的cross section，可将整颗bump完整呈现；图四(b)是用传统机械研磨(grinding)完成之BGA，其bump之IMC虽可看到，但因研磨延展无法完整呈现；图四(c)是用CP完成之BGA，其bump之IMC对比清晰，可清楚看到材料对比的差异。

● 案例二: 透过CP milling解决铜延展变形的状况

常见PCB板迭孔结构，如遇盲孔(Blind Via Hole，简称BVH)与铜层(Cu layer)结合力较弱时，在工艺后期的热处理过程中，容易导致盲孔与铜层拉扯出裂缝(crack)，造成阻值不稳定等异常情形。一般人常使用的手法，是透过传统机械研磨(Grinding)来检测，但这样的处理方式常常造成铜延展变形而影响判断。我们可以利用CP，针对盲孔BVH结构进行CP milling将此问题解决，且处理范围可达10mm以上之宽度(图五)。

图五(左)，为传统机械研磨(Grinding)后之PCB via，无法看到Crack; 图五(右)为CP milling后之PCB via，清楚呈现Crack。

(三) Plasma FIB(简称PFIB): 不想整颗样品破坏，就选择它来做局部分析

在3D-IC半导体工艺技术中，不想用研磨(grinding)将样品整个破坏，这时就可考虑使用「电浆聚焦离子束显微镜Plasma FIB，简称PFIB)」分析手法，结合电浆离子蚀刻加工与SEM观察的功能，适用于分析范围在50-500 um的距离内，可进行截面分析与去层观察(阅读更多: 先进工艺芯片局部去层找Defect 可用何种工具)，甚至针对特定区域亦可同时边切边观察，不用担心因盲目切削而会有误伤目标区的状况，确保异常或是特定观察结构的完整性(图六)。

图六为PFIB切削后之TSV (Through Silicon Via)结构，除了可以清楚量测金属镀层厚度外，因为没有研磨的应力影响，可明确定义TSV蚀刻的CD (Critical Dimension)

(四) Dual Beam FIB(简称DB-FIB): 适用数奈米小范围且局部的切片分析

结合镓离子束与SEM的双束聚焦离子显微镜(Dual Beam FIB，简称DB-FIB)，能针对样品中的微细结构进行奈米尺度的定位及观察(图七)，适用于分析范围在50um以下的结构或异常观察；同时亦可进行EDX以及电子背向散射(Electron Backscatter Diffraction，简称EBSD)的分析，可得到目标区的成分以及晶体相关讯息，除了上述分析之外，当观察的异常区域或结构太小，用SEM无法得到足够的讯息时，DB-FIB也可以执行穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscope，简称TEM)的试片备制，后续可用TEM进行更高分辨率的分析。

图七: DB-FIB搭配SEM与镓离子枪，可针对异常及微区结构进行定位与分析。