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DB P-FIB 双束聚焦离子束

Dual Beam Plasma FIB

双束电浆聚焦离子束(Dual Beam Plasma FIB, DP-FIB)是结合电浆离子束与扫描电子显微镜(SEM)的高效能材料加工与分析设备。与传统使用镓离子(Ga⁺)的 FIB 系统不同,P-FIB 采用 氙离子(Xe⁺)电浆离子源,可提供更高的离子束电流与更快速的材料移除速率。

 

由于氙离子束具有更高的蚀刻效率,P-FIB 的材料去除速度可达传统 Ga⁺ FIB 的 约 20 倍,因此特别适合用于大尺寸结构的截面制备与快速缺陷分析。此技术在先进封装、芯片背面分析、TSV 结构与焊点结构研究中具有重要应用价值。

 

在双束系统架构下,P-FIB 同时具备电子束与离子束两套光学系统,使工程师可在削切材料的同时以 SEM 即时观察截面结构变化,快速判断缺陷位置与结构异常。

DB P-FIB 技术原理

P-FIB 采用 氙电浆离子源(Xe Plasma Ion Source) 产生高电流离子束,并透过电磁透镜聚焦后作用于样品表面。当离子束轰击材料时,会产生强烈的材料溅射效应(Sputtering),使样品表面材料被快速移除。与 Ga⁺ FIB 相比,P-FIB 具有以下几个重要技术特点:

  • 使用 Xe⁺ 离子束,可提供更高束流

  • 材料去除速率大幅提升

  • 适合大面积截面制备

  • 减少 Ga 离子污染问题

 

在系统架构上,P-FIB 采用 双束(Dual Beam)设计,因此在截面制备过程中,可同时观察结构变化,确保分析位置的精确性。

  • 离子束系统(Ion Beam)

    • 用于材料切割与截面制备

    • 大范围快速蚀刻

  • 电子束系统(SEM)

    • 用于影像观察与定位

    • 即时监控削切过程

 

DB P-FIB 分析应用

由于 P-FIB 具有高速材料移除能力,因此在大型封装结构与芯片截面分析中具有显著优势,当透过 Thermal Emission Microscopy、光学显微镜(OM)、3D X-ray 或超音波扫描显微镜(SAT) 等非破坏分析技术定位疑似异常区域后,可进一步利用 P-FIB 进行截面确认与微结构分析。

  • 2.5D / 3D IC 封装

  • TSV(Through-Silicon Via)

  • C4 bump / Interposer / U-bump

  • Bond pad / 第一焊点 / 第二焊点

  • Solder bump / BGA ball

  • 芯片背面分析

  • MEMS 元件

  • 封装与 PCB 结构

 

闳康科技 DB P-FIB 分析优势

闳康科技建置完整的 Plasma FIB 分析平台,可支持先进封装与半导体元件的大范围截面分析需求。透过 P-FIB 与 SEM、TEM、X-ray、SAT、EMMI、OBIRCH 等技术整合,可建立从非破坏分析到微结构解析的完整失效分析流程,相较于传统 FIB,P-FIB 具有更高的材料去除效率与更大的截面加工能力,使其在先进封装与 3D IC 分析中扮演关键角色。

 

机台设备
图|(a) FEI Plasma FIB 系统  (b) TESCAN Plasma FIB 系统

 

闳康科技导入高效能 P-FIB 分析系统,分别来自 FEI(Thermo Fisher Scientific)TESCAN,可支持大尺寸样品快速截面分析与高解析影像观察。

  • Beam current:1.5 pA – 1.3 µA

  • Landing voltage:2 – 30 kV

  • Ion beam resolution:< 25 nm @ 30 kV

  • 自动化大面积加工能力

  • 最大切割尺寸可达 500 µm × 500 µm

  • 高效率材料去除与截面制备

 

 

封装结构分析案例
  • 图|Bond pad 与打线观察

    P-FIB 可快速制作封装截面,观察 Bond pad、金线接合与金属层结构,分析焊接品质与材料界面状况。

  • 图|Solder bump 晶粒结构观察
    利用 Ion Channeling Contrast 可观察焊球内部晶粒分布与结晶结构。
  • 图|C4 bump 截面观察
    用于分析 Flip-chip 焊点结构、IMC 层与接合品质。
  • 图|BGA ball 封装截面
    P-FIB 可快速切割大型焊球结构,分析焊接界面与空洞缺陷。
  • 图|TSV 结构分析
    适用于 3D IC 与先进封装 TSV 结构 的截面观察。

 

 

TESCAN P-FIB 特殊分析功能
 

EBIC(Electron Beam Induced Current)

EBIC 技术透过探针量测电子束轰击样品所产生的电流讯号,形成 EBIC 影像,透过电流讯号分布可判断半导体元件中的缺陷位置,例如漏电路径或材料缺陷。

  1. Cathodoluminescence(CL)影像,用于观察材料在电子束激发下的发光分布,可用于辨识材料组成差异或缺陷位置。
  2. 二次电子(Secondary Electron, SE)影像,显示样品表面形貌与污染分布情形。

 

 

背向散射电子探测器(Backscattered Electron Detector,BSE Detector)

背向散射电子探测器(Backscattered Electron Detector,BSE Detector)利用背向散射电子讯号形成影像。由于不同材料具有不同原子序,因此在 BSE 影像中会呈现明显的材料对比,能有效辨识材料组成与界面位置。

  1. 二次电子成像(Secondary electron imaging, SEI):显示样品截面表面的形貌细节,可清楚观察材料加工后的表面粗糙度与微结构特征。
  2. 背向散射电子(Backscattered Electron, BSE)成像:利用背向散射电子讯号形成材料对比影像,可区分不同材料或相位分布,并清楚呈现界面结构与材料组成差异。

 

 

阴极射线发光(Cathodoluminescence, CL)

阴极射线发光(Cathodoluminescence,CL)或阴极发光、阴极射线致发光侦测器可分析材料在电子束激发下所产生的发光讯号。透过 CL 影像可判断材料组成、缺陷分布与晶体结构差异。

  1. Cathodoluminescence(CL)影像:显示材料在电子束激发下所产生的阴极发光分布,可用于辨识材料组成差异、晶体缺陷或污染颗粒的位置。
  2. Secondary Electron(SE)影像:呈现样品表面形貌与微结构特征,可观察材料表面裂纹、污染或结构不连续等缺陷。

 

 

LVSTD 低真空模式

LVSTD(Low Vacuum Secondary TESCAN Detector)可在 1–500 Pa 的低真空环境下操作,可降低样品带电效应,并允许观察非导电材料与生物样品,透过低真空模式可观察生物样品、含水材料与非导电材料等。

  1. 硅藻(Diatom)微结构于低真空模式下的 SEM 影像,可观察其纳米级多孔壳体结构。
  2. 微型昆虫样品于低真空模式下的 SEM 影像,显示样品表面细节与立体形貌。

 

 

 

冷冻载台(Cooling Stage)低温观察

Cooling stage 需于低真空模式下使用,可控制样品温度在 -50°C 至 70°C,透过低温环境可观察材料在不同温度条件下的结晶行为与相变化,常用于材料研究与生物样品分析。

  1. 离子通道对比(Ion Channeling Contrast)影像显示焊料内部晶粒分布与晶体结构。
  2. Solder Bump(焊锡凸块、焊料凸块或简称凸块) 微结构 SEM 影像,可观察晶粒方向与金属界面。

 

 
 

摇摆载台(Rocking Stage )自动角度抛光

Rocking stage 可自动旋转样品角度,使离子束加工更加均匀。相较于手动调整角度,能有效减少截面刀痕并提升截面品质。

  1. 手动调整角度抛光(Manual Polishing)截面影像:样品经手动调整角度进行离子束抛光后,可观察到截面区域仍存在部分刀痕或不均匀加工痕迹。
  2. Rocking Stage 自动旋转抛光截面影像:透过 Rocking stage 自动调整样品角度进行离子束加工,可有效减少刀痕并提升截面平整度,使材料界面与结构轮廓更清晰。

特殊侦测器(Special Detector)

SI detector 可提升影像的对比度与立体感,使材料结构与界面更加清晰,在多层金属结构、封装互连与微细结构观察中,能有效强化影像细节,提升材料分析与缺陷辨识能力。

  1. 二次离子影像(Secondary Ion Image,SI Detector  Imaging,二次离子成像):显示样品微结构的基本影像对比,可观察材料层状结构与加工后的表面形貌。

  2. SI Detector 强化对比影像:透过 SI detector 提升影像对比与立体感,使材料界面、导线结构与微细缺陷更加清晰。

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1970
本次 MAFT 研讨会以「创新器件 & 封装」为核心主题,邀请专家学者们,聚焦超晶格铁电存储器、硅光子、6G高频EMI封装与量子计算等前瞻议题,带领与会者深入掌握下一世代半导体技术发展脉络。
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