Plasma FIB-SEM cho Advanced Packaging: Deep Cross Sectioning, End-pointing và Failure Analysis với Tescan SOLARIS X™ 2

Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng về mật độ tích hợp và số lượng lớp vật liệu, việc kiểm tra chất lượng và phân tích hỏng hóc cũng trở nên phức tạp hơn đáng kể. Các khuyết tật như void, crack, delamination, sai lệch liên kết (misalignment), lỗi TSV (Through-Silicon Via) hoặc lỗi tại giao diện Hybrid Bonding có thể nằm sâu hàng trăm micromet hoặc thậm chí gần một milimet bên trong package. Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với các hệ thống phân tích vật liệu: không chỉ cần khả năng bóc tách lượng vật liệu lớn với tốc độ cao mà còn phải đảm bảo độ chính xác ở cấp nanomet khi tiếp cận vùng cần phân tích.

Đó cũng là lý do vì sao Plasma FIB-SEM đang ngày càng trở thành một công cụ quan trọng trong các phòng thí nghiệm phân tích hỏng hóc bán dẫn, trung tâm nghiên cứu vật liệu và dây chuyền phát triển công nghệ đóng gói tiên tiến.

Vì sao Advanced Packaging đòi hỏi một thế hệ Plasma FIB mới?

Ở các thế hệ package truyền thống, vùng cần phân tích thường nằm tương đối gần bề mặt và có kích thước nhỏ. Trong nhiều trường hợp, hệ thống Ga FIB-SEM truyền thống hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu chuẩn bị mẫu hoặc cắt mặt cắt.

Tuy nhiên, với các kiến trúc đóng gói hiện đại, quá trình phân tích đã thay đổi đáng kể.

Một package HBM có thể bao gồm nhiều lớp DRAM xếp chồng lên nhau thông qua TSV, kết hợp với hàng chục nghìn micro-bump và nhiều lớp Redistribution Layer (RDL). Tương tự, các cấu trúc Chiplet hoặc CoWoS tích hợp nhiều khuôn chip độc lập trên cùng một silicon interposer, tạo thành hệ thống đa lớp có kích thước lớn và cấu trúc phức tạp.

Trong các trường hợp này, kỹ sư phân tích hỏng hóc thường phải:

• Loại bỏ hàng trăm micromet đến hàng milimet vật liệu;
• Cắt mặt cắt có diện tích lớn nhưng vẫn duy trì chất lượng bề mặt;
• Dừng chính xác tại lớp chứa khuyết tật;
• Chuẩn bị mẫu TEM ngay tại vùng lỗi;
• Hạn chế tối đa hư hại hoặc nhiễm bẩn lên cấu trúc cần quan sát.

Những yêu cầu trên khiến tốc độ loại bỏ vật liệu, chất lượng mặt cắt và khả năng xác định chính xác vị trí gia công trở thành các yếu tố quyết định hiệu quả của toàn bộ quy trình Physical Failure Analysis (PFA).

Tescan SOLARIS X™ 2 – Plasma FIB-SEM được phát triển cho Advanced Packaging

Được thiết kế dành cho các phòng thí nghiệm phân tích hỏng hóc và nghiên cứu vật liệu tiên tiến, Tescan SOLARIS X™ 2 là hệ thống Plasma FIB-SEM kết hợp giữa cột ion Mistral™ Xe Plasma FIB và cột điện tử Triglav™ UHR-SEM, mang lại khả năng gia công tốc độ cao đồng thời duy trì chất lượng hình ảnh ở cấp nanomet.

Khác với việc chỉ tập trung vào tốc độ bóc vật liệu, SOLARIS X™ 2 được phát triển nhằm đáp ứng toàn bộ quy trình phân tích, từ cắt mặt cắt diện tích lớn, xác định vị trí khuyết tật, chuẩn bị lá mỏng TEM cho đến kiểm tra cấu trúc với độ phân giải cao trên cùng một nền tảng.

Nhờ sử dụng nguồn ion Xe Plasma FIB, hệ thống có thể xử lý lượng vật liệu lớn nhanh hơn so với các nguồn ion dòng thấp truyền thống, trong khi vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt phục vụ cho các bước phân tích tiếp theo như SEM, TEM, STEM, EDS hay EBSD.

Điểm nổi bật của SOLARIS X™ 2 không nằm ở việc thay thế hoàn toàn các hệ thống Ga FIB, mà ở khả năng mở rộng phạm vi ứng dụng sang các cấu trúc package có kích thước lớn và độ phức tạp ngày càng cao của ngành bán dẫn hiện đại.

Deep Cross Sectioning là gì?

Deep Cross Sectioning là kỹ thuật tạo mặt cắt sâu xuyên qua các cấu trúc nhiều lớp để quan sát trực tiếp các vùng nằm bên trong linh kiện hoặc package bán dẫn.

Khác với việc chỉ cắt một lớp vật liệu mỏng gần bề mặt, Deep Cross Sectioning có thể yêu cầu loại bỏ hàng trăm micromet hoặc thậm chí gần một milimet vật liệu trước khi tiếp cận được vị trí chứa khuyết tật. Đây là một bước quan trọng trong quá trình Package Failure Analysis và Root Cause Analysis, đặc biệt đối với các công nghệ đóng gói hiện đại.

Các ứng dụng phổ biến của Deep Cross Sectioning bao gồm:

• Phân tích các package HBM nhiều lớp.
• Kiểm tra liên kết trong Chiplet và 2.5D/3D IC.
• Đánh giá chất lượng TSV và Redistribution Layer (RDL).
• Phân tích các lớp Hybrid Bonding.
• Kiểm tra hiện tượng nứt, bong tách lớp hoặc lỗ rỗng bên trong package.

Để thực hiện hiệu quả, hệ thống FIB cần vừa có khả năng loại bỏ lượng vật liệu lớn với tốc độ cao, vừa duy trì độ phẳng và chất lượng bề mặt nhằm hạn chế các giả ảnh như Curtaining Effect hoặc Terracing, vốn có thể ảnh hưởng đến việc đánh giá cấu trúc thực của mẫu.

End-pointing – Dừng đúng vị trí quyết định chất lượng phân tích

Trong phân tích hỏng hóc bán dẫn, việc loại bỏ vật liệu nhanh chưa phải là yếu tố quan trọng nhất. Thách thức lớn hơn là dừng quá trình gia công đúng tại lớp hoặc vị trí chứa khuyết tật.

Quá trình này được gọi là End-pointing.

Nếu dừng quá sớm, vùng lỗi vẫn còn bị che khuất bởi các lớp vật liệu phía trên. Ngược lại, nếu cắt quá sâu, các cấu trúc quan trọng như micro-bump, TSV, RDL, Hybrid Bond, hay thậm chí chính vùng khuyết tật có thể bị phá hủy, khiến việc phân tích trở nên khó khăn hoặc không còn giá trị.

Vì vậy, một hệ thống Plasma FIB-SEM hiện đại không chỉ cần khả năng gia công tốc độ cao mà còn phải cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao ngay tại điểm hội tụ giữa chùm ion và chùm điện tử. Điều này cho phép người vận hành theo dõi trực tiếp quá trình gia công và xác định chính xác thời điểm cần dừng, góp phần nâng cao độ tin cậy của kết quả phân tích.

Delayering – Bóc tách từng lớp để tìm nguyên nhân gốc

Bên cạnh Deep Cross Sectioning, Delayering là một kỹ thuật quan trọng khác trong Physical Failure Analysis (PFA) và Reverse Engineering.

Thay vì tạo một mặt cắt xuyên qua toàn bộ cấu trúc, Delayering tập trung vào việc loại bỏ từng lớp vật liệu theo trình tự, từ lớp trên cùng xuống các lớp bên dưới. Phương pháp này giúp kỹ sư quan sát chi tiết từng tầng của linh kiện hoặc package mà không làm mất thông tin về cấu trúc liên kết giữa các lớp.

Đối với các công nghệ đóng gói tiên tiến, Delayering thường được áp dụng để kiểm tra:

• Các lớp kim loại (Metal Layers).
• Lớp điện môi (Dielectric Layers).
• Redistribution Layer (RDL).
• Through-Silicon Via (TSV).
• Micro-bump.
• Hybrid Bonding Interface.
• Các lớp passivation và interconnect.

Khi kết hợp với khả năng gia công thể tích lớn của Plasma FIB và hệ thống quan sát SEM độ phân giải cao, Delayering giúp rút ngắn thời gian phân tích, đồng thời hỗ trợ xác định chính xác nguyên nhân gốc của các lỗi phát sinh trong quá trình chế tạo và đóng gói bán dẫn.

HBM, Chiplet, CoWoS và Hybrid Bonding – Những công nghệ đang thay đổi ngành đóng gói bán dẫn

Sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI), điện toán hiệu năng cao (HPC), trung tâm dữ liệu (Data Center) và xe tự hành đang tạo ra nhu cầu chưa từng có về hiệu suất xử lý và băng thông truyền dữ liệu. Trong khi việc tiếp tục thu nhỏ transistor ngày càng gặp nhiều giới hạn về kỹ thuật và chi phí, Advanced Packaging đã trở thành một trong những hướng phát triển quan trọng nhất của ngành công nghiệp bán dẫn.

Thay vì tích hợp toàn bộ chức năng lên một khuôn chip (monolithic die), các nhà sản xuất đang chuyển sang kết nối nhiều chip chuyên biệt trong cùng một package nhằm tối ưu hiệu năng, cải thiện khả năng mở rộng và giảm chi phí chế tạo. Đây chính là nền tảng cho sự ra đời của các công nghệ như HBM, Chiplet, CoWoS và Hybrid Bonding.

Mặc dù mang lại nhiều ưu điểm về hiệu suất, các kiến trúc này cũng làm tăng đáng kể độ phức tạp của quá trình phân tích hỏng hóc. Nhiều khuyết tật không còn nằm trên bề mặt mà xuất hiện sâu bên trong package, giữa các lớp kết nối hoặc tại các giao diện liên kết có kích thước chỉ vài micromet.

HBM – Bộ nhớ băng thông cao với cấu trúc xếp chồng nhiều lớp

HBM (High Bandwidth Memory) là công nghệ bộ nhớ hiệu năng cao được sử dụng rộng rãi trong các bộ xử lý AI, GPU và hệ thống HPC. Thay vì bố trí các chip nhớ trên cùng một mặt phẳng như DDR truyền thống, HBM xếp chồng nhiều die DRAM theo phương thẳng đứng và kết nối chúng thông qua Through-Silicon Via (TSV).

Nhờ khoảng cách truyền dữ liệu ngắn hơn và số lượng đường truyền lớn hơn, HBM mang lại băng thông vượt trội cùng mức tiêu thụ điện năng thấp hơn. Tuy nhiên, việc tích hợp nhiều lớp silicon trong một không gian rất nhỏ cũng làm tăng nguy cơ phát sinh các lỗi như:

• Lỗ rỗng (Void) trong quá trình hàn hoặc liên kết.
• Nứt (Crack) do ứng suất nhiệt.
• Bong tách lớp (Delamination).
• Sai lệch TSV hoặc lỗi kết nối giữa các die.
• Khuyết tật tại micro-bump.

Để xác định chính xác nguyên nhân của những lỗi này, kỹ sư cần tạo các mặt cắt sâu xuyên qua toàn bộ cụm bộ nhớ mà vẫn giữ nguyên hình dạng của các TSV, micro-bump và giao diện liên kết. Đây là một trong những ứng dụng điển hình của kỹ thuật Deep Cross Sectioning bằng Plasma FIB.

Chiplet – Hướng tiếp cận mới trong thiết kế vi mạch

Một trong những xu hướng nổi bật của ngành bán dẫn hiện nay là chuyển từ thiết kế chip đơn khối sang kiến trúc Chiplet.

Thay vì sản xuất một vi mạch kích thước lớn chứa tất cả các khối chức năng, Chiplet chia hệ thống thành nhiều khuôn chip nhỏ hơn như CPU, GPU, bộ nhớ đệm, bộ điều khiển I/O hoặc bộ tăng tốc AI. Các chip này sau đó được tích hợp trong cùng một package bằng các công nghệ kết nối tốc độ cao.

Mô hình này mang lại nhiều lợi ích:

• Tăng tỷ lệ thành phẩm (Yield).
• Giảm chi phí sản xuất.
• Cho phép kết hợp các tiến trình công nghệ khác nhau trong cùng một package.
• Rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mới.

Tuy nhiên, số lượng giao diện kết nối giữa các chip tăng lên đáng kể, kéo theo nhiều dạng khuyết tật mới như:

• Lỗi kết nối giữa các Chiplet.
• Sai lệch vị trí khi lắp ráp.
• Nứt hoặc bong tách tại lớp kết dính.
• Khuyết tật trong Redistribution Layer (RDL).

Do các vùng cần phân tích thường nằm sâu dưới nhiều lớp vật liệu, việc tiếp cận bằng các phương pháp cắt cơ học hoặc mài truyền thống trở nên khó khăn. Plasma FIB cho phép bóc tách vật liệu theo đúng vị trí mong muốn, đồng thời duy trì độ chính xác cần thiết để quan sát các giao diện liên kết ở cấp vi mô.

CoWoS – Nền tảng đóng gói cho GPU AI thế hệ mới

CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) là công nghệ đóng gói tiên tiến do TSMC phát triển, hiện được sử dụng rộng rãi trong các bộ xử lý AI và GPU hiệu năng cao.

Trong kiến trúc này, nhiều chip logic và HBM được gắn trên cùng một silicon interposer, sau đó liên kết với đế nền (substrate). Nhờ vậy, khoảng cách truyền tín hiệu giữa các thành phần được rút ngắn đáng kể, giúp tăng hiệu suất truyền dữ liệu.

Tuy nhiên, cấu trúc nhiều lớp với diện tích lớn khiến CoWoS đặt ra nhiều thách thức trong quá trình kiểm tra và phân tích hỏng hóc:

• Cần loại bỏ lượng vật liệu lớn để tiếp cận vùng lỗi.
• Phải duy trì độ phẳng của mặt cắt trên diện tích rộng.
• Tránh tạo ra các giả ảnh như Curtaining hoặc Terracing.
• Xác định chính xác vị trí của silicon interposer và các giao diện kết nối.

Trong những trường hợp này, hệ thống Plasma FIB với dòng ion cao có thể rút ngắn đáng kể thời gian gia công so với các phương pháp sử dụng dòng ion thấp, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan sát và đánh giá các cấu trúc bên trong.

Hybrid Bonding – Kết nối trực tiếp ở cấp độ nguyên tử

Nếu CoWoS đại diện cho xu hướng tích hợp nhiều chip trên cùng một package, thì Hybrid Bonding lại mở ra một thế hệ kết nối mới giữa các die bán dẫn.

Khác với công nghệ micro-bump truyền thống, Hybrid Bonding tạo liên kết trực tiếp giữa đồng (Cu-Cu) và lớp điện môi của hai bề mặt wafer hoặc die. Phương pháp này giúp:

• Tăng mật độ kết nối.
• Giảm điện trở tiếp xúc.
• Cải thiện tốc độ truyền tín hiệu.
• Giảm kích thước package.
• Tăng hiệu quả tản nhiệt.

Tuy nhiên, do kích thước các điểm liên kết rất nhỏ, chỉ một sai lệch nhỏ trong quá trình chế tạo cũng có thể gây ra các lỗi như:

• Void tại bề mặt liên kết.
• Nhiễm bẩn (Contamination).
• Sai lệch vị trí (Misalignment).
• Không đồng đều bề mặt.
• Tách lớp tại giao diện liên kết.

Để đánh giá chính xác chất lượng của Hybrid Bonding, hệ thống phân tích cần tạo được mặt cắt có độ nhẵn cao, hạn chế tối đa hư hại do chùm ion và đảm bảo dừng đúng tại vùng giao diện cần quan sát. Đây là những yêu cầu đòi hỏi sự kết hợp giữa khả năng gia công chính xác và hệ thống quan sát có độ phân giải cao.

Những thách thức mới trong Package Failure Analysis

Sự phát triển của HBM, Chiplet, CoWoS và Hybrid Bonding cho thấy quá trình Package Failure Analysis (PFA) không còn đơn thuần là việc cắt một mặt cắt để quan sát cấu trúc bên trong. Ngày nay, kỹ sư phải giải quyết đồng thời nhiều yêu cầu:

• Tiếp cận các khuyết tật nằm sâu hàng trăm micromet hoặc gần một milimet bên trong package.
• Bảo toàn hình dạng thực của các cấu trúc như TSV, micro-bump và RDL.
• Hạn chế hiện tượng curtaining, tái lắng đọng vật liệu (redeposition) và hư hại do chùm ion.
• Chuẩn bị lá mỏng TEM chính xác ngay tại vùng chứa khuyết tật.
• Thực hiện phân tích lặp lại với độ tin cậy cao để phục vụ R&D và kiểm soát chất lượng sản xuất.

Điều này cũng lý giải vì sao các hệ thống Plasma FIB-SEM ngày càng được sử dụng nhiều trong các trung tâm nghiên cứu và dây chuyền phát triển bán dẫn. Khả năng kết hợp giữa Deep Cross Sectioning, End-pointing, Delayering và chuẩn bị mẫu TEM trên cùng một nền tảng giúp rút ngắn quy trình phân tích, đồng thời cung cấp dữ liệu có độ chính xác cao cho các bước đánh giá tiếp theo.

Plasma FIB và Ga FIB – Hai công nghệ bổ sung cho nhau trong phân tích hỏng hóc bán dẫn

Trong nhiều năm, Ga FIB (Gallium Focused Ion Beam) đã trở thành công cụ tiêu chuẩn trong các phòng thí nghiệm Physical Failure Analysis (PFA) nhờ khả năng gia công chính xác ở kích thước nano. Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho các tác vụ như chuẩn bị lá mỏng TEM, chỉnh sửa vi cấu trúc hoặc gia công các vùng có kích thước rất nhỏ.

Tuy nhiên, sự xuất hiện của các công nghệ đóng gói tiên tiến như HBM, Chiplet, 2.5D/3D IC và CoWoS đã làm thay đổi đáng kể yêu cầu đối với hệ thống FIB. Các kỹ sư giờ đây không chỉ cần gia công với độ chính xác cao mà còn phải loại bỏ lượng vật liệu lớn trong thời gian ngắn, đồng thời duy trì chất lượng mặt cắt trên diện tích rộng.

Đây chính là lý do Plasma FIB ngày càng được sử dụng nhiều trong lĩnh vực Package Failure Analysis.

Điều quan trọng cần lưu ý là Plasma FIB không thay thế hoàn toàn Ga FIB. Hai công nghệ này được phát triển để giải quyết những bài toán khác nhau và trong nhiều phòng thí nghiệm hiện đại, chúng thường được sử dụng bổ trợ lẫn nhau.

Nguyên lý hoạt động của Ga FIB và Plasma FIB

Cả hai hệ thống đều sử dụng chùm ion hội tụ để bóc tách vật liệu với độ chính xác rất cao. Điểm khác biệt chủ yếu nằm ở nguồn phát ion.

Ga FIB

Ga FIB sử dụng Liquid Metal Ion Source (LMIS) với gallium nóng chảy làm nguồn ion. Công nghệ này tạo ra chùm ion có kích thước rất nhỏ, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao ở cấp độ nano.

Ưu điểm của Ga FIB là khả năng gia công các cấu trúc cực nhỏ với độ ổn định cao, vì vậy vẫn được sử dụng rộng rãi trong:

• Chuẩn bị mẫu TEM kích thước nano.
• Circuit Edit.
• Nanofabrication.
• Phân tích transistor.
• Gia công các cấu trúc có kích thước vài chục nanomet.

Tuy nhiên, dòng ion tối đa của Ga FIB tương đối thấp. Khi cần loại bỏ lượng vật liệu lớn, thời gian gia công có thể kéo dài đáng kể. Ngoài ra, trong một số ứng dụng, ion gallium có thể bị cấy vào mẫu, làm thay đổi thành phần hoặc ảnh hưởng đến các phép phân tích tiếp theo.

Plasma FIB

Plasma FIB sử dụng nguồn plasma để tạo ion, trong đó Xenon (Xe) là loại khí được sử dụng phổ biến nhất nhờ tính trơ về mặt hóa học và khả năng tạo dòng ion lớn.

Nhờ nguồn plasma, hệ thống có thể đạt dòng ion ở mức microampere, cao hơn nhiều so với Ga FIB. Điều này cho phép loại bỏ thể tích vật liệu lớn trong thời gian ngắn, đặc biệt hữu ích khi làm việc với các package bán dẫn nhiều lớp hoặc các cấu trúc có kích thước lớn.

Do sử dụng ion Xe trơ, Plasma FIB cũng giảm nguy cơ cấy ion gallium vào mẫu – một yếu tố có thể quan trọng trong một số nghiên cứu vật liệu hoặc khi chuẩn bị mẫu cho các kỹ thuật phân tích như TEM, STEM hoặc EDS.

So sánh Ga FIB và Plasma FIB

Bảng trên cho thấy hai công nghệ không đối đầu trực tiếp mà phục vụ các nhu cầu khác nhau. Việc lựa chọn hệ thống phù hợp phụ thuộc vào kích thước vùng cần gia công, tốc độ xử lý mong muốn và mục tiêu phân tích.

Vì sao Plasma FIB trở nên quan trọng trong Advanced Packaging?

Ở các package bán dẫn thế hệ mới, lượng vật liệu cần bóc tách có thể lớn gấp nhiều lần so với các thiết bị truyền thống. Một mặt cắt đi qua toàn bộ cụm HBM, silicon interposer hoặc nhiều Chiplet thường có kích thước hàng trăm micromet đến gần một milimet.

Nếu sử dụng dòng ion thấp, thời gian chuẩn bị mẫu sẽ tăng lên đáng kể và làm giảm hiệu suất của phòng thí nghiệm. Với Plasma FIB, việc gia công các mặt cắt lớn trở nên nhanh hơn, tạo điều kiện để kỹ sư tập trung vào bước phân tích thay vì dành phần lớn thời gian cho quá trình bóc tách vật liệu.

Đây là lý do các hệ thống Plasma FIB ngày càng được triển khai trong các trung tâm Failure Analysis, Process Development và R&D của ngành bán dẫn.

Tescan SOLARIS X™ 2 – Tối ưu cho quy trình phân tích hiện đại

Trong số các hệ thống Plasma FIB hiện nay, Tescan SOLARIS X™ 2 được thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của phân tích hỏng hóc và nghiên cứu vật liệu.

Hệ thống kết hợp cột Mistral™ Xe Plasma FIB với cột Triglav™ UHR-SEM, cho phép vừa gia công tốc độ cao vừa quan sát hình ảnh có độ phân giải nanomet tại điểm hội tụ giữa chùm ion và chùm điện tử. Thiết kế này giúp người vận hành dễ dàng theo dõi quá trình bóc tách vật liệu, xác định chính xác vùng cần dừng gia công và giảm số lần phải xử lý lại mẫu.

Bên cạnh tốc độ gia công, SOLARIS X™ 2 còn tích hợp nhiều công nghệ hỗ trợ nâng cao chất lượng mặt cắt:

• TRUE X-sectioning giúp cải thiện độ phẳng và tính đồng đều của mặt cắt trên nhiều loại vật liệu.
• Rocking Stage™ giảm hiện tượng Curtaining, đặc biệt khi gia công các mẫu có độ cứng hoặc thành phần không đồng nhất.
• Giao diện Essence™ hỗ trợ căn chỉnh tự động và hướng dẫn thao tác, góp phần giảm thời gian thiết lập cũng như sai khác giữa các người vận hành.
• Khả năng tích hợp TEM AutoPrep™ Pro và EXLO™ giúp tự động hóa nhiều bước trong quy trình chuẩn bị lá mỏng TEM, nâng cao năng suất và tính lặp lại.

Những đặc điểm này giúp SOLARIS X™ 2 không chỉ phù hợp cho Deep Cross Sectioning, mà còn hỗ trợ hiệu quả các quy trình End-pointing, Delayering, chuẩn bị mẫu TEM, cũng như các phân tích cấu trúc và thành phần bằng SEM, EDS, EBSD hoặc STEM trên cùng một nền tảng.

Ứng dụng thực tế của Tescan SOLARIS X™ 2 trong nghiên cứu và phân tích hỏng hóc

Sự phát triển của Plasma FIB-SEM không chỉ mở rộng khả năng gia công vật liệu mà còn thay đổi cách các phòng thí nghiệm thực hiện Failure Analysis, Process Development và Materials Characterization. Thay vì sử dụng nhiều thiết bị riêng biệt cho từng bước chuẩn bị mẫu, cắt mặt cắt và quan sát cấu trúc, nhiều quy trình hiện nay có thể được thực hiện trên cùng một hệ thống.

Với sự kết hợp giữa Mistral™ Xe Plasma FIB, Triglav™ UHR-SEM và các công cụ tự động hóa, Tescan SOLARIS X™ 2 đáp ứng nhiều yêu cầu trong các lĩnh vực bán dẫn, khoa học vật liệu và nghiên cứu tiên tiến.

Physical Failure Analysis (PFA) cho bán dẫn và Advanced Packaging

Đây là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của SOLARIS X™ 2.

Khi một vi mạch hoặc package không đáp ứng yêu cầu về điện hoặc cơ học, mục tiêu của Physical Failure Analysis (PFA) là xác định chính xác nguyên nhân gây lỗi để hỗ trợ cải tiến thiết kế, tối ưu quy trình sản xuất hoặc nâng cao độ tin cậy của sản phẩm.

Trong các package hiện đại như HBM, Chiplet, 2.5D/3D IC và CoWoS, vùng chứa khuyết tật thường nằm sâu dưới nhiều lớp vật liệu và có thể chỉ rộng vài micromet. Các lỗi phổ biến bao gồm:

• Nứt (Crack).
• Lỗ rỗng (Void).
• Bong tách lớp (Delamination).
• Sai lệch vị trí (Misalignment).
• Hỏng liên kết micro-bump.
• Khuyết tật tại TSV hoặc RDL.
• Lỗi giao diện Hybrid Bonding.

Trong các trường hợp này, Plasma FIB cho phép tạo mặt cắt diện tích lớn để tiếp cận nhanh vùng nghi ngờ, trong khi hệ thống SEM hỗ trợ quan sát liên tục nhằm xác định chính xác vị trí cần phân tích.

Điều này giúp rút ngắn thời gian tìm nguyên nhân gốc (Root Cause Analysis), đồng thời giảm nguy cơ làm hỏng vùng chứa lỗi trong quá trình gia công.

Chuẩn bị mẫu TEM cho phân tích cấu trúc ở độ phân giải nguyên tử

Các kỹ thuật như TEM, STEM, EDS và EBSD yêu cầu mẫu có độ dày rất nhỏ, thường dưới 100nm, đồng thời phải được lấy đúng tại vùng quan tâm.

Đây là một trong những công việc đòi hỏi độ chính xác cao nhất của hệ thống FIB.

Đối với các linh kiện bán dẫn nhiều lớp hoặc vật liệu có cấu trúc phức tạp, quá trình chuẩn bị mẫu thường bao gồm:

• Xác định chính xác vùng cần lấy mẫu.
• Loại bỏ vật liệu xung quanh.
• Gia công thô với dòng ion lớn.
• Làm mỏng đến độ dày yêu cầu.
• Đánh bóng cuối nhằm giảm lớp hư hại do chùm ion.

SOLARIS X™ 2 hỗ trợ quy trình này thông qua TEM AutoPrep™ Pro, kết hợp với hệ thống EXLO™, giúp tự động hóa nhiều bước trong quá trình chuẩn bị lá mỏng TEM. Điều này không chỉ cải thiện năng suất mà còn nâng cao tính lặp lại giữa các lần chuẩn bị mẫu.

Phân tích và phát triển thiết bị MEMS

Các cảm biến MEMS, gia tốc kế, con quay hồi chuyển và cơ cấu vi cơ điện tử thường có cấu trúc ba chiều phức tạp với nhiều lớp vật liệu khác nhau.

Trong quá trình nghiên cứu hoặc đánh giá chất lượng, kỹ sư cần quan sát:

• Hình học của vi cấu trúc.
• Độ dày từng lớp.
• Chất lượng liên kết.
• Biến dạng cơ học.
• Khuyết tật phát sinh sau quá trình chế tạo.

Nhờ khả năng cắt mặt cắt lớn với chất lượng bề mặt cao, Plasma FIB giúp bộc lộ các cấu trúc nằm sâu bên trong MEMS mà vẫn hạn chế hiện tượng Curtaining và tái lắng đọng vật liệu.

Điều này đặc biệt hữu ích đối với các cảm biến áp suất, cảm biến quán tính hoặc MEMS dùng trong ô tô và hàng không.

Khoa học vật liệu và nghiên cứu vật liệu tiên tiến

Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, việc quan sát cấu trúc ba chiều của kim loại, gốm kỹ thuật, hợp kim, vật liệu năng lượng hoặc vật liệu composite đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu cơ chế phá hủy và tối ưu tính chất vật liệu.

SOLARIS X™ 2 cho phép:

• Gia công các mặt cắt lớn.
• Chuẩn bị mẫu TEM tại đúng vị trí quan tâm.
• Phân tích cấu trúc vi mô và nano.
• Hỗ trợ các nghiên cứu ăn mòn, khuếch tán và chuyển pha.

Việc sử dụng ion Xe cũng giúp giảm nguy cơ ảnh hưởng đến thành phần hóa học của một số loại vật liệu nhạy cảm với ion gallium.

Công nghệ màn hình thế hệ mới

Sự phát triển của MicroLED, OLED và TFT kéo theo yêu cầu ngày càng cao đối với việc kiểm tra chất lượng các lớp màng mỏng và cấu trúc nhiều lớp.

Trong các thiết bị này, kỹ sư thường cần đánh giá:

• Cấu trúc pixel.
• Các lớp điện cực.
• Màng dẫn trong suốt.
• Giao diện tiếp xúc.
• Lớp encapsulation.
• Các khuyết tật phát sinh trong quá trình chế tạo.

Khả năng tạo mặt cắt rộng với độ đồng đều cao giúp Plasma FIB cung cấp hình ảnh trực quan về toàn bộ cấu trúc của màn hình, hỗ trợ hiệu quả cho hoạt động R&D và kiểm soát chất lượng.

Thiết bị quang điện tử (Optoelectronics)

Các linh kiện như:

• LED.
• MicroLED.
• VCSEL.
• Laser diode.
• Photonic Integrated Circuit (PIC).

đều yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt về hình học và chất lượng giao diện giữa các lớp vật liệu.

Thông qua việc kết hợp Plasma FIB với SEM có độ phân giải cao, kỹ sư có thể đánh giá:

• Độ đồng đều của lớp epitaxy.
• Chất lượng liên kết giữa các lớp.
• Khuyết tật trong vùng phát quang.
• Sai lệch hình học của waveguide.
• Tình trạng của các lớp phủ quang học.

Đây là những thông tin quan trọng để tối ưu hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị quang tử.

Khoa học sự sống (Life Science)

Mặc dù Plasma FIB thường được biết đến nhiều trong lĩnh vực bán dẫn, công nghệ này cũng đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nghiên cứu sinh học.

Đối với các mẫu sinh học đông lạnh (Cryo) hoặc mô mềm, yêu cầu đặt ra là phải loại bỏ lượng vật liệu lớn mà vẫn bảo toàn cấu trúc tự nhiên của mẫu.

Kết hợp với hệ thống Cryo và quy trình Correlative Microscopy, SOLARIS X™ 2 hỗ trợ:

• Chuẩn bị mẫu Cryo-TEM.
• Định vị vùng quan tâm bằng tín hiệu huỳnh quang.
• Gia công chính xác các lá mỏng sinh học.
• Phục vụ tái tạo cấu trúc ba chiều ở độ phân giải cao.

Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng của Plasma FIB từ khoa học vật liệu sang các nghiên cứu về sinh học tế bào, virus học và cấu trúc protein.

Một nền tảng cho nhiều quy trình phân tích

Điểm nổi bật của Tescan SOLARIS X™ 2 không chỉ nằm ở từng tính năng riêng lẻ mà ở khả năng tích hợp nhiều bước của quy trình phân tích trên cùng một hệ thống.

Từ Deep Cross Sectioning, End-pointing, Delayering, chuẩn bị TEM Lamella, cho đến quan sát bằng SEM và phân tích bằng EDS hoặc EBSD, người dùng có thể thực hiện liên tục trong một môi trường làm việc thống nhất. Điều này giúp giảm thời gian chuyển mẫu giữa các thiết bị, hạn chế rủi ro nhiễm bẩn và cải thiện tính nhất quán của dữ liệu.

Trong bối cảnh các kiến trúc bán dẫn ngày càng phức tạp, một hệ thống có khả năng kết hợp gia công tốc độ cao, độ chính xác nanomet và quy trình làm việc tự động sẽ mang lại nhiều lợi thế cho cả hoạt động nghiên cứu lẫn sản xuất.

Kết luận

Sự chuyển dịch từ các kiến trúc chip truyền thống sang Advanced Packaging đang đặt ra những yêu cầu mới đối với các kỹ thuật phân tích hỏng hóc và đặc trưng vật liệu. Các công nghệ như HBM, Chiplet, CoWoS và Hybrid Bonding không chỉ đòi hỏi khả năng cắt mặt cắt sâu, mà còn yêu cầu xác định chính xác vùng phân tích, chuẩn bị mẫu TEM chất lượng cao và hạn chế tối đa ảnh hưởng đến cấu trúc mẫu.

Trong bối cảnh đó, Tescan SOLARIS X™ 2 mang đến một nền tảng Plasma FIB-SEM tích hợp, kết hợp giữa tốc độ bóc tách vật liệu, chất lượng hình ảnh và các công cụ hỗ trợ tự động hóa. Thay vì thay thế hoàn toàn Ga FIB, hệ thống mở rộng năng lực phân tích đối với các cấu trúc có kích thước lớn và độ phức tạp cao, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của nghiên cứu vật liệu và ngành công nghiệp bán dẫn.

Chi tiết sản phẩm:  Tescan SOLARIS X 2 - Kính hiển vi điện tử quét chùm ion hội tụ Plasma FIB-SEM