當 晶片結構內部有問題，想要進行切片觀察，但方式有好幾種，該如何針對樣品的屬性，選擇正確分析手法呢？
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IC 設計後，在進行後續的產品功能性測試、可靠度測試（Reliability Test）或故障分析除錯（Failure Analysis & Debug）前，必須對待測試的樣品先做樣品製備（Sample preparation） ，透過 IC 切片方式，進行斷面／橫截面觀察（Cross-section）。此步驟在確認晶片內的金屬接線、晶片各層之間結構（Structure）、錫球接合（Solder Joint）、封裝打線（Wire Bonding）和元件（Device）異常等各種可疑缺陷（Defect），扮演相當關鍵性重要角色。
然而觀察截面的方式有好多種，有傳統機械研磨（Grinding）方式，透過機械手法拋光（Polish）至所需觀察的該層位置；或是透過離子束（Ion Beam）方式來進行切削（Milling）；那麼，每一種分析手法到底有那些優勢呢？又該如何選擇哪一種切片手法，才能符合工程師想要觀察的樣品型態呢？本文將帶來四大分析手法，從針對尺寸極小的目標觀測區（如奈米等級的先進製程缺陷），或是大面積結構觀察（如微米等級的矽穿孔 TSV），幫大家快速找到適合的分析手法，進行斷面／橫截面觀察更得心應手！
傳統機械研磨（Grinding）：樣品製備時間長，觀測範圍可達 15cm 傳統機械研磨最大優勢，是可以達到大面積的觀察範圍（<15cm 皆可），跨越整顆晶粒（Die），甚至是封裝品（Package），當需要檢視全面性結構的堆疊或是尺寸量測等等，就適合使用 Grinding 手法（如下圖）。這個手法可透過機械切割、冷埋、研磨、拋光四步驟置備樣品到所需觀察的位置。
（左）：晶粒（Die）剖面研磨；（中）＆（右）銅製程剖面研磨。圖／宜特科技
不過傳統研磨也有兩項弱點，除了有機械應力容易產生結構損壞，如變形、刮痕外，此項操作也非常需要依靠操作人員的執行經驗，經驗不足者，恐導致研磨過頭而誤傷到目標觀測區，影響後續分析。
傳統研磨相當依靠操作人員的執行經驗。圖／宜特科技
離子束 Cross-section Polisher（CP）：除了截面分析，需要微蝕刻也可靠它 相較於傳統機械研磨（Grinding），Cross-section Polisher（簡稱 CP）的優點在於，是利用離子束做最後的精細切削（Fine milling），可以減低多餘的人為損傷，避免傳統研磨機械應力產生的結構損壞。除了切片外，CP 還有另一延伸應用，就是針對樣品進行表面微蝕刻，能夠解決研磨後造成的金屬延展或變形問題。因此，若是想觀察金屬堆疊型之結構、介金屬化合物 Intermetallic Compound（IMC），CP 是非常適合的分析手法。
CP 的手法，是先利用研磨（Grinding）將樣品磨至 目標區前，再使用氬離子 Ar+，切削至目標觀測區，此做法不僅能有效縮短分析時間，後續再搭配掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱 SEM） 進行拍攝，將能夠呈現較為清晰的層次邊界。
上圖是兩張 SEM 影像。左圖為研磨後的 IC 結構，層次邊界並不清晰；右圖則為 CP 切削後的 IC 結構，層與層之間界線清晰可見，同時也少了許多研磨後的顆粒與髒汙。圖／宜特科技
案例一： CP 的 Cross Section 能力，快又有效率！ 案例一的待測樣品為 BGA 封裝形式，目標是針對特定的錫球（Solder bump）進行分析。透過 CP，可在 1 小時內完成 1mm 範圍的面積切片。後續搭配 SEM 分析，即可清楚呈現錫球表面材料的分布情況。
下圖是案例中的 SEM 影像，圖（a）是 CP 後的樣品截面，可將整顆 bump 完整呈現。圖（b）是用傳統機械研磨（Grinding）完成之 BGA，雖然可以看到 bump 的介金屬化合物（IMC），但因研磨延展無法完整呈現。而圖（c）是用 CP 完成之 BGA，bump 下方的IMC對比清晰，可清楚看到材料對比的差異。
圖／ 宜特科技
案例二 ：透過 CP milling 解決銅延展變形的狀況 常見的 PCB 板疊孔結構中，若盲孔（Blind Via Hole，簡稱 BVH）與銅層 （Cu layer）之間的結合力較弱時，在製程後期的熱處理過程中，容易導致盲孔與銅層拉扯出裂縫（Crack），造成阻值不穩定等異常
左圖為傳統機械研磨（Grinding）後之 PCB via，無法看到裂縫（Crack）；右圖為 CP milling 後之 PCB via，清楚呈現裂縫（Crack）。圖／宜特科技
Plasma FIB （簡稱PFIB）：不想整顆樣品破壞，就選擇它來做局部分析 在 3D-IC 半導體製程技術中，如果擔心研磨（Grinding）在去層（Delayer or Deprocess）過程傷到目標區，或是擔心樣品研磨時均勻性不佳，會影響到觀察重點，這時就可考慮用電漿聚焦離子束顯微鏡（Plasma FIB，簡稱 PFIB） 分析手法！
PFIB 結合了電漿離子蝕刻加工與 SEM 觀察功能，適用於分析範圍在 50-500 µm 的距離內，可進行截面分析與去層觀察，並針對特定區域能邊切邊觀察，有效避免因盲目切削而誤傷到目標區的狀況，確保異常結構或特定觀察結構的完整性。（閱讀更多：先進製程晶片局部去層找 Defect 可用何種工具 ）
PFIB 切削後之 TSV （Through Silicon Via）結構，除了可以清楚量測金屬鍍層厚度外，因為沒有研磨的應力影響，可明確定義 TSV 蝕刻的 CD（Critical Dimension）。圖／宜特科技
Dual Beam FIB （簡稱DB-FIB ）：適用數奈米小範圍且局部的切片分析 結合鎵離子束與 SEM 的雙束聚焦離子顯微鏡（Dual Beam FIB，簡稱 DB-FIB） ，可針對樣品中的微細結構進行奈米尺度的定位及觀察，適用於分析範圍在 50µm 以下的結構或異常區域。同時，DB-FIB 還能進行能量散佈 X-ray 能譜儀（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，簡稱 EDX）分析及電子背向散射（Electron Backscatter Diffraction，簡稱 EBSD） ，以獲得目標區域的成分與晶體結構相關資訊。
此外，當觀察的異常區域或結構過於微小，用 SEM 無法得到足夠資訊時，DB-FIB 也可以執行穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱 TEM） 的試片製備，後續可供 TEM 進行更高解析度的分析。
DB-FIB 搭配 SEM 與鎵離子槍，可針對異常及微區結構進行定位與分析。圖／宜特科技
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