FAILURE ANALYSIS — OPTICAL FA & HOTSPOT ISOLATION

Emission Microscopy (EMMI) & OBIRCH
Photon Emission, InGaAs FPA & Backside Laser Fault Isolation

InGaAs Sensor ($900 - 1700\text{ nm}$) OBIRCH / TIVA 1342nm Laser Silicon Backside Transparency Solid Immersion Lens (SIL $NA > 2.5$)

ในขณะที่ชิปกำลังทำงาน กระแสไฟฟ้ารั่วไหลที่ผิดปกติ รอยต่อลัดวงจร หรือการพังทลายของชั้นฉนวนเกตออกไซด์ จะปลดปล่อยโฟตอนแสงย่านใกล้อินฟราเรด (Near-Infrared Photons) และสร้างความร้อนเฉพาะจุดระดับไมโครวัตต์ Emission Microscopy (EMMI) และ OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change) คือดวงตาทิพย์ที่ส่องทะลุเนื้อซิลิคอนเพื่อชี้เป้าพิกัดความเสียหายได้อย่างแม่นยำระดับซับไมครอน

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 08 — FAILURE ANALYSIS & FAULT LOCALIZATION: Optical Fault Isolation Systems
จ่ายไฟไบแอสชิปในห้องมืด, สแกนจับภาพการแผ่โฟตอนด้วยกล้อง InGaAs EMMI, ใช้เลเซอร์ 1342nm หาจุด Metal Bridge ด้วย OBIRCH, ใช้เลนส์ SIL ขยายกำลังขยายและส่งต่อพิกัด $(X, Y)$ ไปยังเครื่อง FIB-SEM
Industry Equipment: Hamamatsu PHEMOS-X / C15700, Thermo Fisher Meridian Elite, Checkpoint Technologies InfraScan
Related: Failure Analysis Flow · Dual-Beam FIB-SEM · Wafer Sort & ATE Testing · Layout Inspector Lab
Role: Optical Fault Isolation Engineer / Advanced FA Specialist / Silicon Debug Physicist

01 ทำไมการจำกัดวงด้วยแสง (Optical Fault Isolation) จึงขาดไม่ได้?

ในการวิเคราะห์ชิปที่มีขาเชื่อมต่อหลายพันพินและบรรจุทรานซิสเตอร์นับพันล้านตัว เครื่องทดสอบ ATE อาจบอกได้เพียงว่า "Vector #4092 FAILED at Pin OUT_DATA[15]" แต่ไม่สามารถบอกได้ว่าความเสียหายทางกายภาพอยู่ตรงจุดไหนบนพื้นที่ชิป เทคนิค Optical Fault Isolation (EMMI & OBIRCH) จะทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อม เปลี่ยนข้อมูลความล้มเหลวทางตรรกะให้กลายเป็น พิกัดกายภาพ $(X, Y)$ ที่แม่นยำ เพื่อให้วิศวกรนำเครื่อง FIB เจาะลงไปดูข้อบกพร่องได้ทันที

02 ฟิสิกส์การแผ่โฟตอน (Photon Emission Mechanisms)

แสงที่แผ่ออกมาจากชิปเกิดจาก 3 กลไกทางควอนตัมฟิสิกส์:

BAND-TO-BAND RADIATIVE RECOMBINATION IN SILICON

\lambda_{\text{emission}} = \frac{h \cdot c}{E_g} = \frac{1.24\ \mu\text{m}\cdot\text{eV}}{1.12\text{ eV}} \approx 1,107\text{ nm} \quad (\text{Near-Infrared SWIR})

เมื่อกระแสไฟฟ้ารั่วไหลผ่านรอยต่อ PN Junction ในทิศทางไบแอสตรง พาหะอิเล็กตรอนและโฮลจะรวมตัวกันใหม่ (Interband Recombination) พร้อมกับปลดปล่อยโฟตอนที่มีความยาวคลื่น $\approx 1,100\text{ nm}$ ออกมา

กลไกการแผ่โฟตอน	ลักษณะความยาวคลื่นสเปกตรัม ($\lambda$)	ข้อบกพร่องทางกายภาพที่บ่งชี้
Forward-Biased Junction / Latch-up	ยอดสเปกตรัมคมชัดที่ $\approx 1,100\text{ nm}$ (Bandgap Peak)	SCR Latch-up Trigger, ESD Diode Damage, Substrate Injection
Hot-Carrier Bremsstrahlung (Saturation)	สเปกตรัมบรอดแบนด์กว้าง $900 - 1,600\text{ nm}$	ทรานซิสเตอร์ MOSFET ติดค้างในสภาวะ Saturation, High-Field Leakage
Dielectric Breakdown (Oxide Pinhole)	แสงสว่างจ้าต่อเนื่องและสเปกตรัม Thermal Infrared	Gate Oxide Rupture, Fowler-Nordheim Tunneling Path ลัดวงจร

03 เทคโนโลยีเซนเซอร์ตรวจจับ: Si-CCD vs InGaAs vs SNSPD

Silicon CCD ($400 - 1000\text{ nm}$)

เซนเซอร์ยุคเก่า ไม่สามารถมองเห็นแสง Bandgap ของซิลิคอนที่ $1100\text{ nm}$ ได้ดี และไม่สามารถส่องทะลุ Silicon Backside ได้ ปัจจุบันแทบไม่นิยมใช้ในงานขั้นสูง

InGaAs FPA ($900 - 1700\text{ nm}$) — มาตรฐานหลัก

เซนเซอร์สารประกอบอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ระบายความร้อนด้วย Peltier หรือไนโตรเจนเหลว ($-60^\circ\text{C}$) มีความไวต่อโฟตอนซิลิคอน สูงกว่า Si-CCD ถึง $1,000\times$ สามารถจับภาพ Hotspot กระแสรั่วระดับนาโนแอมแปร์ได้

04 เทคนิคเลเซอร์กระตุ้นความร้อน: OBIRCH & TIVA

สำหรับจุดบกพร่องที่ ไม่แผ่แสงโฟตอน เช่น สายโลหะลัดวงจรแตะกัน (Metal Bridge Shorts) หรือรอยขาดของเวีย (Open Vias):

OBIRCH LASER-INDUCED THERMAL CURRENT VARIATION

\Delta I = - \frac{V_{\text{bias}}}{R^2} \cdot \Delta R = - I_0 \cdot \alpha_T \cdot \Delta T

ระบบจะยิงลำแสงเลเซอร์อินฟราเรดความยาวคลื่น $1,342\text{ nm}$ สแกนไปทั่ว Die ลำแสงเลเซอร์จะถูกดูดกลืนเฉพาะที่เส้นโลหะ ทำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุด $\Delta T$ หากจุดนั้นเป็นจุดลัดวงจร ค่าความต้านทาน $R$ จะเปลี่ยน ส่งผลให้กระแสไฟเลี้ยงจากแหล่งจ่ายกระเพื่อม ($\Delta I$) เครื่องตรวจวัดความไวสูงจะบันทึก $\Delta I$ สัมพันธ์กับพิกัด $(X, Y)$ ของหัวสแกนเลเซอร์ สร้างเป็นภาพแผนที่จุดชอร์ตได้อย่างแม่นยำ

05 การส่องทะลุ Silicon Backside & หน้าต่างความโปร่งใสอินฟราเรด

ในชิปบรรจุภัณฑ์ Flip-Chip ยุคใหม่ ด้านหน้าของ Die จะถูกปิดทับด้วยเลเยอร์โลหะ $15-20$ ชั้น (Metal Stack) ทำให้แสงไม่สามารถส่องผ่านด้านหน้าได้ แต่เนื่องจากซิลิคอนมีคุณสมบัติพิเศษคือ โปร่งใสต่อแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่น $\lambda > 1,050\text{ nm}$ (เนื่องจากพลังงานโฟตอนต่ำกว่า Bandgap จึงไม่ถูกดูดกลืน) วิศวกรจึงขัดเจียรซิลิคอนด้านหลังให้บางลงและขัดเรียบแบบกระจกเงา (Mirror Polish) เพื่อส่องกล้อง InGaAs EMMI ทะลุเนื้อเวเฟอร์เข้าหาทรานซิสเตอร์ได้โดยตรง 100%

06 เลนส์ Solid Immersion Lens (SIL) ทะลุขีดจำกัดแสง

ตามกฎการเลี้ยวเบนของแสง ขีดจำกัดความละเอียดเชิงพื้นที่ถูกจำกัดด้วย $\text{Resolution} = \frac{0.61 \lambda}{NA}$ เนื่องจากแสงอินฟราเรดมี $\lambda \approx 1300\text{ nm}$ ความละเอียดของเลนส์อากาศทั่วไปจะอยู่ที่ $\approx 1.5\ \mu\text{m}$ ซึ่งไม่เพียงพอต่อโหนดต่ำกว่า 10nm การวาง เลนส์ทรงครึ่งทรงกลมทำจากซิลิคอนบริสุทธิ์ (Silicon Solid Immersion Lens - SIL ดัชนีหักเห $n \approx 3.5$) แนบสนิทกับด้านหลังของ Die จะขยายค่า Numerical Aperture พุ่งสูงขึ้นเป็น $NA > 2.5 - 3.1$ ช่วยเพิ่มความละเอียดในการแยกแยะจุดบกพร่องลงเหลือเพียง $< 0.15 - 0.2\ \mu\text{m}$

07 กรณีศึกษา: การแยกแยะความเสียหายในห้องปฏิบัติการจริง

กรณี CMOS Latch-up: ภาพ EMMI จะสว่างจ้าเป็นรูปตัว 'U' หรือขอบสี่เหลี่ยมตามแนวรอยต่อ N-Well / P-Substrate Guard Ring พร้อมกันหลายจุด
กรณี Gate Dielectric Breakdown: ภาพ EMMI จะเป็นจุดแสงสว่างเข้มเฉพาะจุดเดียว (Point Source Hotspot) และจะสว่างขึ้นเมื่อเพิ่มแรงดันเกต $V_{GS}$
กรณี Metal 1 Particle Short: ภาพ EMMI จะไม่แสดงผล แต่ภาพ OBIRCH เลเซอร์จะแสดงเส้นสัญญาณสีดำ-ขาวชัดเจนตรงจุดที่เศษโลหะแตะสัมผัสกัน

08 ปฏิบัติการจำลองบน Layout & Multi-Layer Inspector Lab

คุณสามารถฝึกฝนการค้นหาพิกัดเลย์เอาต์ชิปหลายชั้น และเปรียบเทียบตำแหน่ง Hotspot กับโครงสร้าง GDSII ได้ในห้องแล็บจำลองของ SemiMatrix:

IC Layout & Multi-Layer GDSII Inspector

สำรวจพิกัดเลย์เอาต์, ตรวจสอบตำแหน่ง Metal Traces และจำลองมุมมองการทาบภาพ EMMI Hotspot ทับบนเลย์เอาต์ในเบราว์เซอร์

เปิดห้องแล็บเลย์เอาต์ →