Dual-Beam FIB-SEM & EDX
Nanoscale Milling, TEM Lamella Lift-Out & In-Situ Circuit Edit
Dual-Beam FIB-SEM คือมีดผ่าตัดระดับนาโนเมตรที่ผสานพลังของลำไอออนรวม (Focused Ion Beam - FIB) สำหรับการกัดเฉือนวัสดุและเคลือบฟิล์มนำไฟฟ้า เข้ากับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Scanning Electron Microscope - SEM) สำหรับการถ่ายภาพความละเอียดสูงแบบเรียลไทม์ เป็นเครื่องมือหลักในการตัดหน้าตัดวิเคราะห์ความล้มเหลว เตรียมตัวอย่าง TEM และแก้บั๊กวงจรบนเวเฟอร์โดยไม่ต้องผลิตหน้ากากใหม่
ตั้งค่า Coincident Point, ปรับแต่งกระแสลำไอออน (1pA – 65nA), ขุดร่อง Trench, ใช้เข็ม OmniProbe ดึงชิ้นงาน Lamella, เจียรบาง (< 20nm) สำหรับ STEM และทำ In-Situ Circuit Edit ต่อสายโลหะ Pt
Industry Systems: Thermo Fisher Helios 5 DualBeam, ZEISS Crossbeam 550, TESCAN AMBER, Oxford Ultim Max EDS
Related: Failure Analysis (FA) Flow · Emission Microscopy (EMMI) · Lithography & Patterning · Layout Inspector Lab
Role: FIB-SEM Specialist / FA Laboratory Engineer / Physical Failure Isolation Lead
01 สถาปัตยกรรมเครื่อง Dual-Beam FIB-SEM
ในห้องสุญญากาศสูง (Ultra-High Vacuum) มีการติดตั้ง 2 ลำแสงทำมุมเอียง $52^\circ$ หรือ $54^\circ$ ส่องตรงมายังจุดเดียวกัน เรียกว่า Coincident Point (จุดโฟกัสร่วม):
- Vertical Column (SEM): ลำแสงอิเล็กตรอนแนวตั้ง ทำหน้าที่ตรวจสอบ ถ่ายภาพความละเอียดสูง และควบคุมการกัดกร่อนแบบเรียลไทม์โดยไม่ทำลายชิ้นงาน
- Tilted Column (FIB): ลำไอออนพลังงานสูง ($1-30\text{ keV}$) ทำหน้าที่สปัตเตอร์ดีดอะตอมของชิ้นงานออก (Milling) และเหนี่ยวนำปฏิกิริยาเคมีเคลือบฟิล์ม (Deposition)
02 ฟิสิกส์ลำไอออน $\text{Ga}^+$ / Plasma FIB vs ลำอิเล็กตรอน SEM
| ประเภทของลำอนุภาค | มวลและพลังงาน (Mass & Momentum) | การใช้งานหลักในห้องแล็บ FA |
|---|---|---|
| Electron Beam (SEM) | มวลเบามาก ($m_e \approx 9.1 \times 10^{-31}\text{ kg}$) | Non-destructive Imaging: ตรวจจับอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (SE) สำหรับดูภูมิประเทศผิว และ Backscattered Electrons (BSE) สำหรับดูความต่างของเลขอะตอม (Z-Contrast) |
| Gallium FIB ($\text{Ga}^+$ LMIS) | ไอออนเดี่ยว หนักกว่าอิเล็กตรอน $\approx 130,000$ เท่า | Nanoscale Precision: ขุดร่องขนาดเล็กระดับซับ 5 นาโนเมตร, เจียร Lamella ขั้นสุดท้าย, และทำ Circuit Edit |
| Plasma FIB ($\text{Xe}^+ / \text{Ar}^+$) | พลาสมาไอออนก๊าซเฉื่อย กระแสสูงถึง $2.5\ \mu\text{A}$ | Large-Volume Milling: กัดตัดก้อนชิ้นงานขนาดใหญ่ระดับร้อยไมครอนในชิป 2.5D/3D Package เร็วกว่า Ga-FIB ถึง $50-100\times$ |
03 การตัดหน้าตัด In-Situ Cross-Sectioning
ขั้นตอนการเปิดดูโครงสร้างชั้นใต้ดินของทรานซิสเตอร์:
- Deposition Protective Cap: ยิงก๊าซ Platinum ($\text{Pt}$) หรือ Carbon ($C$) เคลือบป้องกันผิวหน้าด้านบนไม่ให้ถูกไอออนทำลาย (Curtaining Effect)
- Rough Milling (Trench Cut): ยิงลำไอออนกระแสสูง ($5-30\text{ nA}$) ขุดแอ่งด้านหน้าเพื่อให้เห็นระนาบตัด
- Fine Polishing: ลดกระแสไอออนเหลือ $10-50\text{ pA}$ ค่อยๆ เจียรผิวหน้าตัดให้เรียบเนียนระดับอะตอม
- High-Resolution SEM Imaging: ปรับมุมมอง SEM ส่องดูรอยต่อ Contact, FinFET Gate, หรือรอยแตกใน Dielectric
04 เทคนิคเตรียมแผ่นตัวอย่าง TEM Lamella In-Situ Lift-Out
การเตรียมชิ้นงานส่งตรวจในกล้อง Transmission Electron Microscope (TEM):
- ใช้ FIB กัดเซาะด้านข้างของชิ้นงานจนกลายเป็นแผ่นฟิล์มบางที่ยังยึดติดอยู่กับเวเฟอร์
- เลื่อนเข็มนาโน OmniProbe / EasyLift Needle มาแตะที่ขอบ แล้วเชื่อมติดด้วยการเคลือบ Platinum
- สั่งตัดขั้วยึดสุดท้าย (Cut-off) แล้วยกชิ้นงานลอยขึ้นในสุญญากาศ
- นำไปวางเชื่อมลงบนเสาทองแดงของ TEM Half-Grid แล้วปลดเข็มออก
- เจียรบางขั้นสุดท้าย (Final Thinning ด้วยไอออนพลังงานต่ำ $2-5\text{ keV}$) จนแผ่นมีความหนา $< 20-30\text{ nm}$ เพื่อให้อิเล็กตรอนทะลุผ่านได้ 100%
05 การแก้ไขลายวงจรบนชิปจริง (FIB In-Situ Circuit Edit)
เมื่อพบ Bug ทางตรรกะใน Silicon Rev A การผลิตหน้ากากใหม่ (New Mask Set) ต้องใช้เงิน $5-15\text{ ล้านดอลลาร์}$ และรอเวลานานกว่า 3 เดือน FIB Circuit Edit สามารถแก้ไขวงจรบน Die ตัวอย่างได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง:
1. Laser/FIB Line Cut (ตัดสาย)
ยิงก๊าซ $\text{XeF}_2$ ช่วยเร่งการกัดกร่อน แล้วยิงลำไอออนตัดสายโลหะ Metal 2 หรือ Metal 3 ให้ขาดจากกันอย่างแม่นยำ
2. Metal Jumper Deposition (ต่อสายใหม่)
ขุดรู Via ลึกลงไปหาโหนดเป้าหมาย แล้วเคลือบสารแพลตตินัม/ทังสเตน ($\text{Pt/W}$) ลากเป็นสะพานเชื่อมข้ามโหนดเพื่อบายพาสวงจรที่มีปัญหา
06 ระบบหัวฉีดก๊าซ Gas Injection System (GIS Precursors)
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีที่กระตุ้นด้วยลำไอออน (Ion-Beam-Induced Chemistry):
- Metal Deposition Precursors: $\text{MeCpPtMe}_3$ (สำหรับการพอกสาร Platinum Conductor) และ $\text{W(CO)}_6$ (สำหรับ Tungsten Conductor)
- Insulator Deposition: ก๊าซผสม Siloxane $+ \text{O}_2$ สำหรับสร้างฉนวน $\text{SiO}_2$ กั้นสายไม่ให้ชอร์ต
- Enhanced Chemical Etching: $\text{XeF}_2$ สำหรับกัดฉนวน $\text{SiO}_2/\text{Si}_3\text{N}_4$ เร็วกว่าปกติ 10 เท่า และ $\text{I}_2 / \text{Cl}_2$ สำหรับกัดทองแดงโดยไม่เกิดสารตกค้าง
07 การวิเคราะห์ธาตุเชิงปริมาณด้วย EDX / EDS Spectroscopy
เมื่อลำอิเล็กตรอน SEM ชนอะตอมของชิ้นงาน อิเล็กตรอนชั้นในจะหลุดออก ทำให้อิเล็กตรอนชั้นนอกตกลงมาแทนที่และปลดปล่อย Characteristic X-Ray (รังสีเอกซ์เอกลักษณ์) เครื่องตรวจวัด Silicon Drift Detector (SDD) จะวัดระดับพลังงาน ($K_\alpha, L_\alpha, M_\alpha$) เพื่อแสดงแผนที่ธาตุ (Elemental Mapping):
- ตรวจจับการแพร่ซึมของทองแดง ($Cu$) ทะลุชั้น Barrier Layer
- ตรวจจับธาตุแปลกปลอมปนเปื้อน (เช่น $Fe, Na, Cl$) ในรอยต่อ FinFET Channel
- วิเคราะห์ความหนาและสัดส่วนของชั้น High-k Dielectric ($\text{HfO}_2 / \text{ZrO}_2$)
08 ปฏิบัติการจำลองบน Layout & Multi-Layer Inspector Lab
คุณสามารถฝึกสำรวจโครงสร้างเลย์เอาต์ชิปหลายชั้น และทดลองวางพิกัดจุดตัด Cross-Section ในแล็บจำลองของ SemiMatrix:
IC Layout & Multi-Layer GDSII Inspector
สำรวจพิกัดเลย์เอาต์, ตรวจสอบตำแหน่ง Metal Traces และจำลองมุมมอง FIB Cross-Section ในเบราว์เซอร์