Từ Micro-CT đến Laser và FIB-SEM: Quy trình phân tích hỏng hóc thông minh hơn cho đóng gói bán dẫn tiên tiến

Đó chính là lý do tại sao sự kết hợp giữa Micro-CT, gia công laser siêu nhanh và FIB-SEM (Focus Ion Beam - Scanning Electron Microscopy) trở nên đặc biệt có giá trị.

Micro-CT cung cấp khả năng quan sát không phá hủy các cấu trúc nằm sâu bên trong mẫu và dữ liệu 3D thu được có thể đóng vai trò như một bản đồ dẫn đường để xác định chính xác vùng quan tâm (ROI).

Gia công laser cho phép tiếp cận nhanh chóng và có chủ đích đến các ROI này, đồng thời phải đảm bảo không gây hư hỏng cho mẫu trong quá trình xử lý.

FIB-SEM thực hiện bước gia công chính xác cuối cùng, cung cấp khả năng cắt, đánh bóng, chụp ảnh và phân tích chi tiết cần thiết cho quá trình điều tra chuyên sâu.

Khi được tích hợp thành một quy trình làm việc thống nhất, các công nghệ này giúp giảm thiểu việc phải làm lại, rút ngắn thời gian thu thập dữ liệu và nâng cao tính lặp lại cũng như độ tin cậy của các phân tích hỏng hóc tiên tiến.

1.  Tại sao các quy trình rời rạc làm chậm quá trình phân tích hỏng hóc?

Các cấu trúc đóng gói tiên tiến hiếm khi xuất hiện lỗi tại những vị trí đơn giản và dễ tiếp cận. Khuyết tật có thể nằm bên dưới các mối hàn, bên trong các chip xếp chồng, xung quanh các TSV (Through-Silicon Via) hoặc tại các giao diện vật liệu được bao quanh bởi kim loại, polymer và chất điện môi.

Trong các quy trình làm việc rời rạc, các kỹ sư thường phải liên tục định vị lại các cấu trúc nằm sâu bên trong khi chuyển đổi giữa nhiều thiết bị khác nhau. Điều này làm tăng thời gian chuẩn bị mẫu và gia tăng nguy cơ làm hỏng các cấu trúc nhạy cảm.

Một phương pháp tích hợp hơn sẽ kết hợp giữa định vị thể tích không phá hủy, loại bỏ vật liệu có chủ đích với tốc độ cao và gia công hoàn thiện ở cấp độ nano trong một quy trình thống nhất với bối cảnh không gian được chia sẻ giữa các thiết bị.

Các quy trình rời rạc không chỉ gây ra sự chậm trễ mà còn làm gia tăng nguy cơ tạo ra những sai lệch do chính quá trình chuẩn bị mẫu gây nên. Các biến đổi mẫu ở giai đoạn đầu, hiện tượng tái lắng đọng vật liệu (redeposition) hoặc hư hỏng do nhiệt có thể che khuất cơ chế hỏng hóc thực sự và làm giảm độ tin cậy của kết quả phân tích cuối cùng.

Do đó, phân tích hỏng hóc hiện đại đòi hỏi các quy trình có khả năng duy trì tính toàn vẹn của mẫu trong khi vẫn đảm bảo chuyển tiếp hiệu quả từ giai đoạn định vị không phá hủy sang chuẩn bị mẫu có mục tiêu và kiểm tra ở cấp độ nano.

2.  Bắt đầu bằng định vị không phá hủy với Micro-CT

Micro-CT cho phép kiểm tra thể tích 3D không phá hủy trước khi tiến hành các bước chuẩn bị mang tính phá hủy, giúp người dùng xác định các cấu trúc nằm sâu bên trong như lỗ rỗng trong mối hàn, khuyết tật TSV, vùng bong tách lớp (delamination) và các lỗi kết nối điện.

Mặc dù độ phân giải không gian và độ tương phản vật liệu có thể thay đổi tùy thuộc vào thành phần và kích thước của mẫu đóng gói, dữ liệu CT 3D vẫn cung cấp bối cảnh định vị rất giá trị, giúp giảm đáng kể việc thử nghiệm mang tính phá hủy trong các bước chuẩn bị tiếp theo.

Các quy trình bán dẫn của Tescan sử dụng Micro-CT để chụp ảnh 3D toàn bộ thiết bị, sau đó thực hiện các lần phóng đại có mục tiêu nhằm kiểm tra các cấu trúc bên trong trong trạng thái nguyên bản của chúng. Điều này giúp xác định chính xác vị trí cần cắt, vị trí cần tránh và cách bảo tồn tốt nhất vùng quan trọng nhất của mẫu.

Bước này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đóng gói tiên tiến, nơi vùng quan tâm có thể nằm sâu dưới nhiều lớp vật liệu. Việc có được cái nhìn tổng quan không phá hủy giúp giảm sự phỏng đoán và cung cấp điểm khởi đầu rõ ràng cho toàn bộ quy trình. Thay vì chuẩn bị mẫu trên diện rộng với hy vọng tiếp cận đúng vị trí cần phân tích, nhóm kỹ sư có thể tiến hành với một chiến lược tiếp cận chính xác và có cơ sở hơn.

3. Sử dụng gia công laser siêu nhanh để tiếp cận mục tiêu nhanh chóng

Sau khi xác định được mục tiêu, thách thức tiếp theo là làm thế nào để tiếp cận được vị trí đó.

FemtoChisel được thiết kế để giải quyết chính bước này.

Hệ thống hoạt động trong chế độ bóc tách vật liệu phi nhiệt (non-thermal ablation) và được phát triển để tiếp cận các vùng quan tâm nằm sâu bên trong mà không tạo ra vi nứt (microcracks), vùng nóng chảy (melt zones) hoặc hiện tượng tái lắng đọng vật liệu, đồng thời mang lại các kết quả có độ lặp lại cao và sẵn sàng cho phân tích trên các thiết bị bán dẫn tiên tiến.

Điều làm cho FemtoChisel đặc biệt phù hợp với đóng gói tiên tiến chính là sự kết hợp giữa tốc độ xử lý và khả năng bảo toàn bề mặt mẫu. FemtoChisel sử dụng công nghệ xử lý đa khí thông minh (intelligent multi-gas processing) cùng với lớp bảo vệ laser có thể tháo rời nhằm hỗ trợ quá trình bóc tách sạch hơn, giảm hiện tượng tái lắng đọng và duy trì tính toàn vẹn của thiết bị trong các cấu trúc vật liệu không đồng nhất bao gồm kim loại, polymer và nhiều vật liệu đóng gói khác.

Trong thực tế, điều này đồng nghĩa với việc bước xử lý bằng laser có thể tạo đường tiếp cận nhanh hơn đồng thời giảm đáng kể khối lượng công việc làm sạch mà FIB-SEM phải thực hiện sau đó.

Khả năng tương quan dữ liệu bằng thị giác máy (correlative machine vision) cùng với hệ thống giám sát độ sâu trong quá trình gia công cũng là những điểm mạnh quan trọng của FemtoChisel. Hệ thống có thể sử dụng dữ liệu CT, SEM hoặc ảnh quang học để định hướng và xác định vị trí gia công, trong khi cảm biến chiều cao confocal tích hợp với độ phân giải nano hỗ trợ kiểm soát chính xác điểm kết thúc trong quá trình xử lý.

4. Hoàn thiện bằng FIB-SEM tại những nơi đòi hỏi độ chính xác ở cấp độ nano

FIB-SEM vẫn là công cụ không thể thiếu trong giai đoạn cuối của quá trình phân tích hỏng hóc. Hệ thống cung cấp khả năng gia công, đánh bóng và chụp ảnh với độ chính xác cao cần thiết để quan sát các cấu trúc ở cấp độ nano cũng như chuẩn bị các mặt cắt ngang hoặc lamella chất lượng cao cho các phân tích tiếp theo.

Ngoài khả năng chụp ảnh độ phân giải cao và gia công chính xác bằng chùm ion, các hệ thống FIB-SEM hiện đại còn có thể tích hợp nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau nhằm cung cấp thông tin sâu hơn về vật liệu và cấu trúc ở cấp độ nano.

Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) cho phép phân tích nguyên tố và lập bản đồ thành phần hóa học; nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (EBSD) cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và định hướng hạt; trong khi phổ khối thời gian bay ion thứ cấp (TOF-SIMS) hỗ trợ phân tích hóa học và phân tử với độ nhạy rất cao.

Khi được kết hợp trong cùng một quy trình làm việc, các kỹ thuật này cho phép nhóm phân tích hỏng hóc không chỉ tiếp cận các cấu trúc nằm sâu bên trong với độ chính xác nanomet mà còn có thể tương quan đồng thời hình thái học, thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể và đặc tính hóa học trong cùng một vùng quan tâm.

Cách tiếp cận phân tích đa phương thức này ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực đóng gói bán dẫn tiên tiến, nơi các hư hỏng thường liên quan đến những tương tác phức tạp giữa vật liệu, giao diện và điều kiện chế tạo.

Các hệ thống FIB-SEM của Tescan kết hợp khả năng chụp ảnh SEM độ phân giải cao với công nghệ gia công bằng chùm ion chính xác nhằm hỗ trợ cả các ứng dụng đặc trưng cấu trúc lẫn các quy trình phân tích nâng cao. Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, người dùng có thể lựa chọn FIB Ga để đạt độ chính xác tối đa ở cấp độ nano hoặc Plasma FIB Xe để loại bỏ vật liệu khối lượng lớn với tốc độ cao hơn, từ đó tối ưu hóa quy trình theo yêu cầu về độ chính xác, năng suất hoặc sự cân bằng giữa cả hai yếu tố.

Trong các quy trình phân tích đóng gói tiên tiến, mức độ chính xác này chính là yếu tố biến khả năng tiếp cận vật lý thành những hiểu biết phân tích thực sự có giá trị. Các mặt cắt sạch và quá trình chuẩn bị mẫu đúng vị trí trên các cấu trúc như BGA, TSV, MEMS và OLED giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định nguyên nhân gốc rễ của hỏng hóc đồng thời giảm thiểu các sai lệch do chuẩn bị mẫu gây ra.

Khi FemtoChisel được tích hợp ở giai đoạn trước để tạo đường tiếp cận nhanh đối với khối vật liệu lớn, FIB-SEM có thể tập trung nhiều hơn vào các nhiệm vụ có giá trị cao như chụp ảnh độ phân giải cao, đánh bóng chính xác và phân tích chuyên sâu thay vì phải dành phần lớn thời gian cho việc loại bỏ vật liệu số lượng lớn và khắc phục các ảnh hưởng từ bước chuẩn bị mẫu trước đó.

5. Tại sao quy trình tích hợp lại quan trọng?

Điểm mạnh của quy trình này không chỉ nằm ở việc mỗi thiết bị hoạt động hiệu quả khi đứng riêng lẻ. Giá trị thực sự đến từ việc mỗi công nghệ đảm nhiệm chính xác phần công việc mà nó phù hợp nhất.

Micro-CT thực hiện việc định vị khuyết tật một cách không phá hủy.

FemtoChisel tạo đường tiếp cận nhanh chóng và sạch sẽ.

FIB-SEM hoàn thành các bước chuẩn bị cuối cùng và phân tích với khả năng kiểm soát ở cấp độ nanomet.

Khi kết hợp với nhau, các công nghệ này giúp giảm thiểu những trở ngại giữa các công đoạn, từ đó làm cho toàn bộ quy trình trở nên hiệu quả và đáng tin cậy hơn.

Đối với các nhóm kỹ thuật trong ngành bán dẫn đang chịu áp lực phải tăng năng suất, giảm số lần làm lại và bảo toàn tính toàn vẹn của thiết bị, sự thay đổi này mang ý nghĩa rất lớn. Quy trình không còn tập trung vào việc khắc phục các sai lệch do chuẩn bị mẫu gây ra, mà chuyển sang mục tiêu tìm ra câu trả lời nhanh hơn với độ tin cậy cao hơn đối với kết quả cuối cùng.

Kết luận: 

Phân tích hỏng hóc trong lĩnh vực đóng gói bán dẫn tiên tiến ngày nay không còn đơn thuần là câu chuyện về khả năng chụp ảnh hay độ phân giải của thiết bị. Đó là vấn đề về thiết kế quy trình làm việc.

Bằng cách kết hợp Micro-CT không phá hủy, công nghệ tiếp cận bằng laser siêu nhanh với bề mặt sạch và khả năng hoàn thiện chính xác bằng FIB-SEM, các nhóm kỹ sư bán dẫn có thể chuyển đổi hiệu quả hơn từ giai đoạn định vị khuyết tật nằm sâu bên trong đến quá trình phân tích nguyên nhân gốc rễ cuối cùng.

Đó chính là giá trị của một quy trình tích hợp: rút ngắn khoảng cách từ vấn đề đến lời giải mà không phải đánh đổi chất lượng mẫu trong suốt quá trình thực hiện.

Tương lai của phân tích hỏng hóc bán dẫn sẽ được định hình bởi các quy trình tích hợp có khả năng kết hợp tốc độ, độ chính xác và năng lực phân tích đa phương thức trên nhiều thang kích thước khác nhau.

Điểm mạnh độc đáo của Tescan nằm ở khả năng hợp nhất những năng lực này — từ chụp ảnh tia X không phá hủy, gia công laser siêu nhanh cho đến gia công nano bằng FIB-SEM và các kỹ thuật đặc trưng vật liệu tiên tiến — thành một quy trình làm việc thống nhất và được phối hợp chặt chẽ.

Bằng cách giảm thiểu các sai lệch phát sinh trong quá trình chuẩn bị mẫu như tái lắng đọng vật liệu, hư hỏng do nhiệt và những biến đổi ngoài ý muốn của mẫu, quy trình của Tescan giúp duy trì tính toàn vẹn của thiết bị trong suốt quá trình phân tích, từ đó nâng cao độ tin cậy của việc xác định nguyên nhân gốc rễ cuối cùng.

Đồng thời, việc giảm các điểm nghẽn trong quá trình chuẩn bị mẫu và loại bỏ sự phân mảnh giữa các công đoạn giúp các kỹ sư bán dẫn chuyển đổi hiệu quả hơn từ giai đoạn xác định khuyết tật nằm sâu bên trong đến việc thu được các dữ liệu phân tích độ phân giải cao trong những môi trường đóng gói tiên tiến ngày càng phức tạp.

Khám phá tổng quan về quy trình tích hợp

Tìm hiểu cách Micro-CT, gia công laser, FIB-SEM và 4D-STEM được kết nối với nhau trong các quy trình phân tích bán dẫn tiên tiến.

Xem tài liệu tổng quan quy trình bằng tiếng Anh (PDF).

Hỏi & Đáp (Q&A)

Tại sao nên bắt đầu phân tích hỏng hóc bằng Micro-CT?

Micro-CT cung cấp khả năng kiểm tra 3D không phá hủy đối với các cấu trúc đóng gói phức tạp và cho phép phóng đại có mục tiêu vào các cấu trúc bên trong. Điều này giúp các nhóm kỹ thuật định vị các khuyết tật nằm sâu bên trong trước khi bắt đầu các bước chuẩn bị mẫu mang tính phá hủy.

FemtoChisel mang lại giá trị gì trong quy trình này?

FemtoChisel cung cấp khả năng tiếp cận nhanh chóng đến các vùng quan tâm nằm sâu bên trong mẫu đồng thời giảm thiểu hư hỏng do nhiệt, hiện tượng tái lắng đọng vật liệu và các sai lệch khác phát sinh trong quá trình chuẩn bị mẫu, vốn có thể ảnh hưởng tiêu cực đến các bước phân tích tiếp theo.

So với các phương pháp chuẩn bị cơ học truyền thống, công nghệ laser siêu nhanh có thể loại bỏ vật liệu nhanh hơn đáng kể trên các cấu trúc vật liệu không đồng nhất phức tạp, đồng thời giảm nguy cơ kéo lê vật liệu (smearing), nứt gãy hoặc làm biến dạng cơ học các cấu trúc nhạy cảm.

So với việc chỉ sử dụng FIB-SEM cho quá trình loại bỏ vật liệu khối lượng lớn, FemtoChisel giúp giảm đáng kể lượng vật liệu cần gia công bên trong FIB. Điều này cho phép FIB-SEM tập trung vào các công việc có độ chính xác cao như đánh bóng cuối cùng, chụp ảnh và phân tích đặc trưng thay vì phải dành nhiều thời gian cho quá trình đào mở vật liệu.

Kết quả là năng suất được cải thiện, đồng thời độ tin cậy của việc xác định nguyên nhân gốc rễ cũng được nâng cao nhờ khả năng bảo toàn tính toàn vẹn của thiết bị trong suốt quy trình làm việc.

Tại sao FIB-SEM vẫn cần thiết?

FIB-SEM vẫn là bước cuối cùng mang tính quyết định trong phân tích hỏng hóc bán dẫn tiên tiến vì hệ thống này cung cấp độ chính xác ở cấp độ nanomet cần thiết cho việc tạo mặt cắt, đánh bóng, chụp ảnh và chuẩn bị mẫu tại vị trí xác định.

Mặc dù các công cụ ở giai đoạn trước như Micro-CT và FemtoChisel giúp định vị khuyết tật và nhanh chóng tiếp cận các cấu trúc nằm sâu bên trong, FIB-SEM mới là công cụ cho phép thực hiện các phân tích vật liệu và cấu trúc chi tiết cần thiết để hiểu đầy đủ cơ chế hỏng hóc.

Ngoài khả năng gia công chính xác và chụp ảnh SEM độ phân giải cao, các hệ thống FIB-SEM của Tescan còn hỗ trợ nhiều kỹ thuật phân tích tích hợp khác nhau.

• EDS cho phép lập bản đồ nguyên tố và phân tích thành phần hóa học.
• EBSD cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và định hướng hạt.
• TOF-SIMS cho phép phân tích hóa học và phân tử với độ nhạy rất cao.

Kết hợp lại, các công nghệ này cho phép kỹ sư tương quan đồng thời thông tin về cấu trúc, thành phần, tinh thể học và hóa học trong cùng một vùng quan tâm ở cấp độ nano.

Nhờ sử dụng FemtoChisel ở giai đoạn trước để loại bỏ nhanh vật liệu khối lượng lớn, FIB-SEM có thể giảm thời gian dành cho công việc đào mở vật liệu và tập trung nhiều hơn vào các hoạt động phân tích có giá trị cao, vốn đóng vai trò quyết định trong việc xác định chính xác nguyên nhân gốc rễ của hỏng hóc.

Những ứng dụng bán dẫn nào hưởng lợi nhiều nhất từ phương pháp này?

Quy trình tích hợp này đặc biệt có giá trị đối với các ứng dụng bán dẫn có cấu trúc đa lớp phức tạp, vùng quan tâm nằm sâu bên trong và các thiết bị có giá trị cao, nơi các sai lệch phát sinh trong quá trình chuẩn bị mẫu có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích cuối cùng.

Quy trình đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng phân tích hỏng hóc trong đóng gói tiên tiến như:

• BGA (Ball Grid Array)
• TSV (Through-Silicon Via)
• Chiplet
• Tích hợp dị thể (Heterogeneous Integration)
• Đóng gói 2.5D/3D
• Wafer-Level Packaging
• Hybrid Bonding

Ngoài ra, quy trình còn rất hữu ích cho:

• Định vị khuyết tật nằm sâu bên trong
• Delayering và reverse engineering
• Chuẩn bị lamella cho TEM
• Phát triển quy trình công nghệ
• Đặc trưng hóa vật liệu cần tương quan chính xác giữa thông tin cấu trúc, thành phần và tinh thể học

Bằng cách kết hợp khả năng định vị không phá hủy của Micro-CT, tiếp cận nhanh bằng laser siêu nhanh và phân tích FIB-SEM độ phân giải cao cùng các kỹ thuật phân tích tích hợp như EDS, EBSD và TOF-SIMS, quy trình này cho phép thực hiện phân tích nguyên nhân gốc rễ nhanh hơn và đáng tin cậy hơn, đồng thời giảm thiểu hư hỏng do chuẩn bị mẫu và rút ngắn đáng kể thời gian từ dữ liệu đến kết luận.

Biên soạn bởi:

Sina Shahbazmohamadi
Trưởng Bộ phận Công nghệ, Khối Kinh doanh Công nghệ Laser, Tescan

Source: https://tescan.com/news/advanced-packaging-failure-analysis-micro-ct-fib-sem?ct

 Xem thêm sản phẩm liên quan : Tescan FemtoChisel™: Nền tảng laser femtosecond thế hệ mới cho gia công vi mô, nano và chuẩn bị mẫu bán dẫn

Webinar:  FemtoChisel™: Định nghĩa lại công nghệ laser siêu nhanh trong phân tích bán dẫn