Ứng dụng của KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT TRONG Điện tử - Bán dẫn

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với chùm ion hội tụ (FIB) là một kỹ thuật lý tưởng đồng hành cùng với sự phát triển của công nghiệp bán dẫn bằng khả năng phân tích tuyệt vời cho độ chính xác cao.

Công nghiệp bán dẫn đang tham gia vào một cuộc chạy đua gay gắt với mục tiêu là khả năng tích hợp cao, mật độ cao và sự thu nhỏ của thiết bị. Kết quả từ sự phát triển của nhiều công nghệ mới như 3D IC giúp tích hợp nhiều chức năng vào thiết bị nhỏ, khả năng xử lý nhanh và tiêu thụ điện năng ít. Tuy nhiên, để làm được mạch tích hợp phức tạp này thì đòi hỏi cần những công cụ tinh vi cho việc phát triển, tạo mẫu, kiểm tra và phân tích các lỗi sai.

Kính hiển vi điện tử quét đóng vai trò vô cùng quan trọng của từng lĩnh vực trong công nghiệp bán dẫn như: mạng lưới bi hàn (Ball grid array), hệ thống vi cơ điện tử, through silicon vias, công nghệ màn hình,...

👉 Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét trong Mạng lưới bi hàn

Mạng lưới bi hàn (Ball grid array - BGA) là một công nghệ đóng gói lắp ráp bề mặt gồm một dãy các bi hàn ở mặt dưới của bó chip. Mạng lưới bi hàn -Ball grid array được phát triển để đáp ứng xu hướng trong ngành công nghiệp bán dẫn theo hướng thu nhỏ các mạch tích hợp (IC) cho mật độ cao hơn, tích hợp tốt hơn và cải thiện nhiều chức năng.

Hệ thống của TESCAN đáp ứng tốt cho việc kiểm tra và phân tích những lỗi sai tồn tại trong mạng lưới bi hàn.

✔ Đầu dò EBIC của TESCAN có thể được sử dụng để kiểm tra dòng điện trong các bi hàn. Nhiều thử nghiệm yêu cầu khắt khe cho việc phân tích tính chất này của các bi hàn.

✔ Đầu dò BSE của TESCAN cung cấp độ tương phản cao cho quan sát rõ ràng các hợp chất liên kim loại và các lớp luyện kim dưới vết lồi. Việc kiểm tra và xác định đặc tính của mỗi nối bi hàn trong BGA là nhiệm vụ quan trọng để xác định độ tin cậy của mạch gắn với bảng mạch in (printed circuit board - PCB) và cũng rất quan trọng trong việc xác định chất lượng của quá trình hàn và xác định nguyên nhân của các lỗi sai.

✔ Hệ thống FIB-SEM Plasma của TESCAN cho phép thực hiện cắt ngang viên bi hàn có đường kính lên tới hàng trăm um (micro-met) chỉ trong thời gian ngắn.

✔ Ngoài ra, các phép vi phân tích 3D (3D EDX, 3D EBDS) cho thấy các lỗ hổng, các vết gãy, vết nứt hoặc cấu trúc dạng cây được thực hiện với tốc độ phún xạ cực cao mà chỉ FIB Plasma Xe mới có thể làm được.

A cross-section of a solder ball milled from the board side
Cross-section of a solder ball with a diameter of 400 μm completed in 4 hours using Xe Plasma FIB and Rocking Stage for a curtaining-free surface
A detailed image showing grain contrast in the pad metal and under-bump metallurgy layers
A cross-section of a solder ball milled from the board side
BSE image of a cross-section of a solder ball showing intermetallic compounds between the solder and metal pad, polyimide passivation, and underlying IC layers
Overview of a solder ball array

👉 Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS)

Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là một công nghệ có thể định nghĩa một cách tổng quan nhất đó là các phần tử cơ điện tử được thu nhỏ và thường được làm từ chất nền Si, được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn hóa học và phương pháp quang khắc.

Các công tắc vi cơ trong mạch dùng để chuyển đổi tín hiệu - pha hay gương cỡ micro dùng để chuyển đổi ánh sáng hoặc điều chỉnh sự biến dạng của ánh sáng. Đó là những ví dụ điển hình của Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).

MEMS xuất hiện hàng ngày trong cuộc sống chúng ta như túi khí trong xe ô tô, cảm biến điều hướng trong các phương tiện, đầu máy phun mực,...

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một "thiết bị lý tưởng" với các "kỹ thuật hiện đại" để chúng ta có thể kiểm soát và khoanh vùng các lỗi sai hay nguyên nhân gốc rễ của lỗi sai trong MEMS.

✔ Với các mẫu có "bề mặt phức tạp" như MEMS thì SEM của TESCAN là một thiết bị tuyệt vời phục vụ cho việc quan sát mẫu nhờ vào khả năng cho độ phân giải cao và độ sâu tiêu cự lớn.

✔ Cột điện tử của TESCAN MIRA có năng suất cao cho phép kiểm tra các vết nứt, gãy hoặc các vết mỏi hoặc mòn trong MEMS với các bộ phận chuyển động hoặc bề mặt va chạm.

Deep trench milled in a MEMS with plasma FIB
FIB cross-section through a MEMS feature
Series of windows made by FIB on the MEMS’s lid cut by FIB and opened with nanomanipulator

👉 Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét trong Kiểm tra hàn dây, hàn chíp (Wire bonding)

Để tạo các liên kết của các mô-đun đa chíp với mật độ cao trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử thì việc sử dụng dây dẫn liên kết siêu mịn của đồng và vàng vẫn là phương pháp được sử dụng rộng rãi hiện nay.

Tuy nhiên, để đạt được chất lượng cao trong liên kết cần có những yêu cầu về tính đồng nhất về đặc điểm dây dẫn, đồng nhất về thành phần hóa học và tính chất cơ học ổn định. Các đặc tính đó của dây có thể bị biến đổi hoặc bị ảnh hưởng bởi tác dụng nhiệt trong quá trình hàn dây dẫn vào miếng đệm dây dẫn. Do vậy, cần có kỹ thuật chuyên dụng để thực hiện kiểm tra, phân tích giúp tạo ra mạch tích hợp tối ưu, đạt hiệu suất tốt.

TESCAN cung cấp Kính hiển vi điện tử quét (SEM) - là thiết bị tuyệt vời phục vụ trong lĩnh vực này.

✔ Kỹ thuật SEM cho phép thực hiện các thử nghiệm khác nhau trên các dây dẫn liên kết. Với trường quan sát rộng (Wide Field Optics) cho phép chụp ảnh những mẫu cực lớn chẳng hạn như toàn bộ bó chíp với các liên kết dây dẫn ở độ phóng đại thấp mà không làm biến dạng ảnh.

✔ TESCAN MIRA – với cột điện tử có hiệu suất cao có khả năng cho dòng điện tử cao, thuận lợi cho việc thực hiện các kỹ thuật phân tích như EDX, WDX. Đây là những điều cần thiết cho các nghiên cứu luyện kim dẫn điện của các sợi dây dẫn để kiểm tra các lớp liên kim loại tại bề mặt dây dẫn liên kết hoặc ảnh hưởng của sự phân bố kích thước hạt lên quá trình liên kết.

✔ Hệ thống FIB-SEM của TESCAN mở rộng khả năng phân tích bằng các kỹ thuật micro, nano với khả năng dùng chùm ion để cắt ngang bề mặt dây dẫn và chùm điện tử để thực hiện chụp ảnh bề mặt.

✔ Kết quả thu được từ hệ thống FIBSEM có thể được sử dụng để nghiên cứu những ảnh hưởng của nhiệt độ cao lên các dây dẫn liên kết như thay đổi luyện kim, các lỗ trống và giảm chiều dài liên kết.

Cross-section ball bonds embedded in resin

Magnified image of Cu bond showing a crack at the interface causing failure

Crosssection of a ball bond and bond pad

👉 Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét trong công nghệ Through silicon vias

Through-silicon vias (TSV) là một công nghệ liên kết 3D tiên tiến và là một bộ phận chủ yếu để làm vật liệu đệm 3D tích hợp. Các tấm mạch được kết nối theo chiều dọc TSV giúp cải thiện nâng cao hiệu suất điện, tiêu thụ điện năng thấp.

TESCAN cung cấp cho công nghiệp bán dẫn với nhiều mô-đun phần mềm đa chức năng, hệ thống phân tích, đầu dò đa dạng để thực hiện các kỹ thuật quan sát, phân tích trong nghiên cứu ứng suất và sự nhô ra của Cu trong TSV.

✔ Kính hiển vi điện tử quét (SEM) của TESCAN có hiệu suất cao cho phép chụp ảnh với độ phân giải siêu cao của sự đùn vật liệu trong TSV và thực hiện kiểm tra vật lý trên mặt cắt của nó.

✔ Hệ thống chùm tia kép (FIBSEM) cho phép chỉ rõ vị trí lỗi, có thể kiểm tra từng khu vực cụ thể trên mẫu và xác định đặc điểm của những lỗi sai chỉ với một thiết bị. Hệ thống FIBSEM Xe plasma của TESCAN cung cấp tốc độ và năng lượng cần thiết để thực hiện phân tích với thông lượng cao trong TSV.

✔ FIBSEM giúp thực hiện cắt ngang những bề mặt có diện tích lớn chỉ trong thời gian ngắn, cho phép tìm và kiểm tra các khoảng trống, sự tách lớp, vết nứt và các khuyết tật khác có trong TSV.

✔ Phép phân tích EDX và EBDS có thể được sử dụng để nghiên cứu vi cấu trúc của Cu và sự phân bố kích thước các hạt khác nhau trong TSV.

Bottom part of a TSV imaged with the BSE detector for grain contrast
Cross-section of 2.5D stacked-die showing a solder ball and two TSVs
BSE cross-sectional view of 2.5D stacked-die showing two Cu TSVs passing through silicon interposer in order to connect upper metal layers to additional backside metal layers
Magnified image of a Cu TSV showing the solder bump, passivation layer, mold compound and liner oxide layer
Upper part of a TSV imaged with the SE detector
EBSD maps of a set of 4 × 50 μm copper TSVs polished by plasma FIB showing an overlay of a SE image with the IPF orientation maps. Image taken from T.Hrncir, et.al. ISTFA 2014, p. 136

👉 Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét trong Phân tích lỗi sai của mạch tích hợp

Mạch tích hợp là cấu trúc đa lớp với thành phần chính là các transistor đa cổng, trong đó có một kênh nguồn được bao quanh bởi một cổng 3D.

Trong việc phân tích lỗi sai trong mạch tích hợp, Kính hiển vi điện tử quét (SEM) đóng vai trò vô cùng quan trọng. Đồng thời hệ thống FIBSEM còn hỗ trợ cho việc chuẩn bị mẫu một cách hoàn hảo nhất để đo TEM.

✔ Quy trình phân tích lỗi sai của các mạch tích hợp liên quan đến delayering và dò điện nano. Sau khi phát hiện ra khu vực bị lỗi, một lớp mỏng bao gồm các lỗi đó sẽ được chuẩn bị để tiến hành đo TEM.

✔ Hệ thống FIB-SEM của TESCAN thực hiện phân tích cấu trúc 3D, tái tạo lại cấu trúc và đồng thời hỗ trợ cho việc chuẩn bị mẫu để đo TEM.

Phân tích các lỗi trong mạch tích hợp bao gồm:

✔ Phân tích các lội từ việc tách lớp (delayering) và dò điện trong công nghệ nodes của thế hệ trước

✔ Phân tích cấu trúc 3D với FIB-SEM thực hiện chụp cắt lớp (dựng lại cấu trúc 3D BSE)

✔ Hỗ trợ cho việc chuẩn bị mẫu để đo TEM.

✔ Tách biệt lỗi điện (EBIC, EBAC)

✔ Thực hiện đo SEM với điện áp thấp

14 nm technology node Intel processor. Rocking Stage helps to mitigate curtaining on the TEM lamella by consecutive tilts of the sample to +/- 15° during lamella thinning
A 14 nm technology node Intel processor. A cross-section showing the transistor layers (“Gate-cut”) imaged at 5 keV with the In-Beam detector.
A 14 nm technology node Intel processor. A side-view (“Fin-cut”) of a lamella during thinning, the final lamella was prepared just in the middle of a single fin (thickness less than 20 nm)

👉 Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét trong Công nghệ màn hình

Công nghệ màn hình đang phát triển nhanh chóng, màn hình chất lượng cao đem đến những hình ảnh sắc nét và tươi sáng hơn, với góc nhìn rộng, màu sắc rực rỡ, tất cả đều nằm trong một lớp cảm ứng.

Màn hình có thể chia thành hai loại: màn hình tinh thể lỏng (TFT –LCD) và màn hình phát quang hợp chất hữu cơ (OLED) đều cung cấp hình ảnh chất lượng cao với năng lượng tiêu thụ thấp.

Màn hình LCD và OLED kết hợp cả vật liệu cứng (molybdenum and titanium nitride) và vật liệu mềm (hợp kim của bạc). Phân tích SEM của những cấu trúc này rất phức tạp vì độ dày lớn của lớp nền thủy tinh (hoặc nhựa), các lớp xen kẽ hữu cơ và màn hình cảm ứng.

TESCAN luôn cung cấp một chuỗi các thiết bị phù hợp cho công nghệ màn hình.

BSE image showing microstructures of the various AMOLED conductive and insulating layers
Cu bumps and metallization between thick Si and glass layers in a TFT panel
OLED display layer inspection: an underfilled layer at the top

🔎 Xem thêm chi tiết ứng dụng của Kính hiển vi điện tử quét trong Điện tử - bán dẫn: https://mtechnology.vn/vi/ung-dung-cua-kinh-hien-vi-dien-tu-quet-va-micro-ct/dien-tu-ban-dan.html