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扫描电子显微镜是分析芯片内部结构最常用的工具之一，能够提供纳米级分辨率的高清图像。但要看清芯片内部的细微结构，需要专业的样品制备和正确的成像参数设置。本文将详细介绍如何通过SEM分析芯片内部结构。
SEM通过聚焦电子束扫描样品表面，激发二次电子或背散射电子成像。对于芯片分析，SEM可以观察金属互连线、通孔、晶体管结构、缺陷形貌等。
第一步：样品开封
芯片被封装材料包裹，SEM分析前必须去除封装，暴露芯片表面。
| 封装类型 | 开封方法 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 塑封 | 化学开封：发烟硝酸或浓硫酸加热溶解 | 控制温度和时间，避免损伤芯片铝层 |
| 陶瓷封装 | 机械开封：研磨或切割打开盖板 | 避免碎屑污染芯片表面 |
| 金属封装 | 机械切割+化学腐蚀 | 需保护内部键合线 |
开封后的样品需要清洗干净，去除残留的封装材料和反应产物。
第二步：截面制备
如果需要对芯片进行截面观察，需要制备平整的截面样品。
- 机械研磨：
- 将芯片镶嵌在树脂中，用砂纸逐级研磨
- 可从任意角度磨到目标位置
- 适用于观察多层结构、通孔、焊点
- FIB切割：
- 用聚焦离子束在指定位置切割，精度可达纳米级
- 适用于观察特定失效点或微小结构
- 可制备TEM样品
第三步：样品导电处理
芯片材料多为半导体或绝缘体，SEM观察时需要导电性良好，避免电荷积累。
- 直接观察：如果芯片表面金属层暴露，可直接观察
- 镀膜处理：
- 喷金：适用于低倍率观察，金颗粒较粗
- 喷碳：适用于高倍率观察和EDS分析
- 喷铂：适用于超高分辨率观察
第四步：SEM成像参数设置
根据观察目标，选择合适的成像条件。
| 成像模式 | 工作原理 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 二次电子像 | 检测样品表层激发的二次电子 | 高分辨率形貌观察，适合看表面细节 |
| 背散射电子像 | 检测弹性散射电子，对原子序数敏感 | 区分不同材料，观察金属间化合物 |
关键参数：
- 加速电压：
- 高电压：5-20kV，穿透力强，适合观察深层结构，但细节可能模糊
- 低电压：1-3kV，表面敏感，适合观察精细结构，减少电荷效应
- 工作距离：短工作距离提高分辨率，长工作距离增加景深
- 束斑尺寸：小束斑提高分辨率，但信号弱，需平衡
第五步：典型结构的SEM观察
金属互连线观察：
- 可观察铝线或铜线的宽度、厚度、间距
- 检查电迁移导致的空洞或小丘
- 观察腐蚀或过流烧毁痕迹
通孔/接触孔观察：
- 截面样品可观察通孔底部接触情况
- 检查通孔侧壁覆盖度
- 观察钨塞或铜柱的填充质量
晶体管结构观察：
- 平面MOSFET可观察栅极长度
- FinFET可观察鳍片形貌
- 需要高分辨率SEM或FIB制备截面
键合线观察：
- 检查键合点形貌、球焊质量
- 观察键合根部裂纹
- 测量线弧高度
第六步：能谱分析
SEM通常配备EDS能谱仪，可进行微区成分分析。
- 点分析：对特定点进行成分鉴定，如异物、腐蚀产物
- 线扫描：沿一条线分析成分变化，如界面扩散
- 面分布：绘制元素分布图，显示成分分布
芯片SEM分析的典型应用
| 应用场景 | SEM观察内容 |
|---|---|
| 失效分析 | 观察ESD损伤、过流烧毁、电迁移空洞 |
| 工艺验证 | 检查刻蚀形貌、薄膜台阶覆盖 |
| 反向工程 | 观察电路布局、结构尺寸 |
| 质量检验 | 检查键合质量、金属化缺陷 |
汇策晟安检测的SEM分析服务
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- 芯片开封与截面制备
- 高倍率形貌观察
- 微区成分分析
- 失效点微观观察
- 结构尺寸精确测量
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