超快激光提高物理故障分析的成功率

　　近年来，激光在半导体测试和分析等应用领域取得了重大进展。当前，激光已被纳入分析仪器中，例如从微小的尖端分离单个原子或测量样品的构。在半导体物理失效分析（PFA）领域，激光被用来选择性地去除半导体封装芯片的材料，以便对芯片进行后续分析，这一过程被称为激光开封。不过，在过去十年，激光源也开始进入样品制备领域，从半导体晶片、芯片和封装中切割和制备样品，用于微观结构诊断和物理失效分析。

　　由于先进光刻技术的成本和复杂性不断增加，设备制造商越来越倾向于采用异构异质集成技术，将不同的芯片和元件组合堆叠成先进的封装架构，如2.5D和3D集成电路。这反过来又给物理失效分析带来了新的挑战。因为仅去除器件或封装中的一层或覆盖层来隔离诊断所关注的微结构区域，已不再足够。缺陷深深地隐藏在更为复杂的异质结构中。制造技术日新月异，但封装分析技术也需要新的方法才能跟上步伐。

　　因此，行业对样品制备技术提出了越来越高的要求。样品制备技术可以根据各种微观结构诊断方法进行调整，所有这些方法都需要快速、可靠、经济、无伪影，并能针对微米级或更小的缺陷。除传统机械制备外，聚焦离子束（FIB）系统也是该领域的主流。前者需要高技术人才和耗时的工艺，而后者则需要高昂成本。

　　激光是一种替代方法

　　激光辐射可以烧蚀各种材料，前提是要在正确的波长上提供足够高的能量。利用超短脉冲和极高的脉冲能量，基于多光子吸收的烧蚀可进一步加工透明材料。此外，激光工具还可以使用标准光学元件对聚焦光束进行非常精确的定位。通过将脉冲长度从几纳秒缩短到皮秒或飞秒范围，材料的烧蚀变得越来越“热”。也就是说，超短脉冲可将局部加热造成的结构损伤降至目标周围几微米以下。

　　激光在微观结构诊断方面最重要的优势之一是，光子不含任何元素污染，也没有离子束的微粒辐射。因此，激光能量不会造成不必要的植入效应。此外，激光微加工的烧蚀率比用于微结构诊断样品制备的Ga+ FIB 高约6 个数量级，比Xe+ 等离子FIB 的铣削率高约2 个数量级。

　　对热损伤不利影响的担忧，阻碍了激光微加工工具在微观结构诊断样品制备中的广泛应用。这些担忧中最主要的是激光辐射将物质从加工位置排出时对样品的潜在影响。这是因为电磁波会耦合到光子系统，光子的激发会导致局部温度升高。

　　采用皮秒和飞秒级（10-13 至10-15 秒）脉冲持续时间的激光烧蚀技术，通常被称为冷烧蚀或热烧蚀。然而，这一术语仅适用于脉冲持续时间小于10 飞秒的情况。较长的脉冲持续时间会导致电子和光子的相互作用，并在基底中产生相关的温度传导。理想情况下，脉冲持续时间在皮秒范围内时，这种传导不会超过样品材料直径100 纳米的范围。

　　越来越短的激光脉冲的优势在于能够在很短的时间间隔内将所有激光能量传递给材料，从而实现极高的功率密度，最高可达每平方厘米几千兆瓦。这样就能非常有效地让材料吸收激光辐射，同时又让热损伤降至最低。遵循激光微加工的基本原则，例如使用低进给量，可以进一步将目标区域周围热影响区的范围降至最低。最终目的是使特定材料层的结构损伤最小（图1）。为了使这些结构损伤保持在最小程度并完全可控，还需要一个高精度轴系统来支持激光烧蚀，对处理过的材料进行精确定位。

　　由于这些发展，超短脉冲激光器现在被用作“刀片”，可以高精度地去除大量材料。激光工具可以轻松切割横截面，使这些横截面可以直接用于进一步分析。这为制备几毫米到几微米大小的样品提供了新的工艺路线。例如，激光通过在开封阶段快速去除大量材料，随后使用用于原子探针层析成像或透射电子显微镜的聚焦离子束制备，用于对最终样品的处理。

　　激光辅助物理失效分析

　　半导体行业通常使用物理失效分析来查找电子元件故障的根本原因。这种做法有助于调查基于有机发光二极管（OLED）、有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）和微型发光二极管（microLED）的移动显示器的缺陷。它还有助于分析倒装芯片封装、高带宽存储芯片、硅通孔、微机电系统和其他微电子元件的故障。导致电子元件故障的典型缺陷包括裂纹、空洞、接触不良、分层和填充不足的通孔。

　　样品横截面是物理失效分析的标准检测方法。它使位于不同深度平面上的结构都能利用各种技术进行详细检查和分析，如结合能量色散X 射线光谱或电子反向散射衍射微分析的扫描电子显微镜成像。

　　横截面分析特别有用，尤其是当感兴趣的区域位于样品表面下几百微米或几毫米的位置时。在处理上述设备时，情况往往如此。然而要对这种深度横截面的整个表面进行后续检测，就需要清除大量立方毫米数量级的材料，并使用精确工具一次削薄一个微米层。

　　机械锯切、机械抛光和宽离子束抛光是过去业界的首选方法。随着微电子结构变得越来越复杂和敏感，聚焦离子束等其他技术被越来越多地采用。总体而言，聚焦离子束在高度局部样品制备和精确端点技术方面的卓越能力在很大程度上推动了这一发展。此外，聚焦离子束不会对试样产生任何机械应力。不过如前所述，聚焦离子束的拥有成本较高，产量相对较低。

　　随着电子设备的微型化和先进的集成化，人们对电子设备的需求不断增加，这就要求在不影响质量的前提下，提高产量，缩短分析时间。该行业不能仅仅依靠等离子聚焦离子束来满足这种动态和具有挑战性的需求。行业需要更快、更有效的大批量失效分析工作流程的新方法。

　　为加快微电子器件故障分析而开发的大批量工作流程，可将独立的激光烧蚀工具与等离子 FIB-SEM 系统结合起来。在工作流程中，激光将首先快速去除大量块状材料（图2），然后等离子FIB-SEM技术将进行精细的表面抛光。与机械样品制备相比，激光的定位能力使这一过程能够在不损坏样品的情况下精确到达所关注的特征。

　　在这种方法的演示中，3D-Micromac AG 和TESCAN制备了整个12 毫米的存储芯片，以说明激光辅助物理失效分析的长切割能力，以及校正锥角的可能性，从而使横截面与垂直排列的器件结构完美对齐。在样品中，首先制备1 毫米深的横截面以暴露隐藏结构，如位于不同层的存储器芯片（图3）。类似的工作流程可以轻松处理大型样品制备，并在必要时为等离子聚焦离子束后处理做好准备。像这样的长切割还可以切割整个移动显示器、封装、微机电系统或其他大型微电子元件。

　　显而易见的改进

　　在演示中，用激光制备了一个2 毫米宽的沟槽，然后用等离子聚焦离子束抛光磨平横截面壁，以便随后进行扫描电子显微镜检测（图4）。对这些类型的电子器件进行横截面处理是一种常见做法，目的是检查前端（晶体管有源层）和后端（厚金属线）结构以及焊接凸点的缺陷。深度横截面还可以检测印刷电路板的缺陷。激光烧蚀大大缩短了制备块沟槽的时间，从而显著加快了样品制备时间。

　　先进的制备技术

　　将激光与物理失效分析工具结合到相关工作流程中，可以轻松实现无缝精确的检测。在相关的工作流程中，电路布局或图像叠加有助于将隐藏的特征可视化。可以在这些样品虚拟地图上标记不同的位置，使每个位置都与需要准备横截面的区域相对应。

　　AMOLED 显示屏的物理失效分析是一项具有挑战性的分析任务，在这项任务中，激光烧蚀和等离子聚焦离子束的搭配使用，可以大大缩短检测时间。AMOLED 显示屏的典型关注区域是夹在厚玻璃基板和有机发光活性层之间的薄膜晶体管层（图5）。要进入薄膜晶体管层，需要制备数百微米深的横截面，非常具有挑战性且耗时。用机械方法切割或劈开AMOLED 显示屏可能会引起应力和分层等大面积损坏，从而使物理失效分析变得复杂，甚至不可行。在激光参数适当的情况下，激光造成的机械应力或膨胀可以忽略不计，因此不会产生分层。

　　使用激光制备样品所节省的时间取决于多个因素，包括激光功率、脉冲能量、功率密度以及材料的烧蚀率。在上述示例中，与传统的聚焦离子束方法相比，制备和分析所需的时间减少了60% 到70%。3D-Micromac 使用更新的激光源进行的进一步实验表明，样品制备时间可以进一步缩短。这就为样品制备应用提供了可能，否则这些应用会因时间成本过高而不经济。

　　结论

　　超短脉冲激光为半导体微观结构样品诊断，提供了一种快速而经济的新方法。与其他分析技术相结合，相关工作方法也可用于处理和暴露隐蔽区域，从而大大加快物理失效分析的速度。激光微加工系统是随时执行各种微结构诊断任务的理想设备。