铜柱互连等先进工艺技术的诞生，极大地推动了现代电子设备三维微型化进程，加速了相关电子设备性能提升；随之而来的挑战则是相关芯片产品的故障分析工作。对于先进封装来说，故障定位所需的加工深度可能超过100 μm，此时采用传统的镓离子(Ga+)FIB(Focused Ion Beam,聚焦离子束)难以实现快速的故障定位加工。这是因为Ga+ FIB在30 keV下的最大加工电流为~100 nA，加工一个500μm2需要数十小时，而PFIB(Plasma FIB，等离子体聚焦离子束)则采用了氙离子(Xe+)作为离子源，其30 keV下的最大加工电流可达~2.5 μA，加工效率是镓离子FIB的20倍以上。这意味着PFIB可以解决传统镓离子FIB的瓶颈问题：超大尺寸区域的快速加工。
什么是PFIB?
等离子体聚焦离子束显微镜(PFIB)是将氙离子束和高分辨扫描电子束集成在一台显微镜上，再加装气体注入系统(GIS)和纳米机械手等配件，从而实现刻蚀、材料沉积、微纳加工、微区去层分析等许多功能的仪器。
其中，氙离子束的工作原理是：将氙气从气瓶引入等离子体室，通过射频(RF)发生器和螺旋天线施加高频电磁场，使气体原子(Xe)电离，剥离外层电子，形成 Xe⁺ 离子等离子体。拔出电极(Extractor Plate)被施加负偏压，以吸引带正电的 Xe⁺ 离子，使其通过光阑孔进入离子束镜筒的后续部分。Xe⁺离子束在高压电场作用下加速，通过静电透镜系统聚焦成纳米级束斑；再通过扫描偏转系统(电磁或静电偏转器)精确控制Xe⁺离子束在样品表面扫描。高能 Xe⁺离子在扫描过程中与样品发生相互作用，通过物理溅射(Sputtering)移除材料，进而实现材料的微纳加工(如横截面切割、TEM 样品制备等)。PFIB和传统的Ga+ FIB 的主要区别如表1所示。值得一提的是，虽然PFIB的离子束图像分辨率为~20nm(30kV)，和Ga+ FIB 的4 nm相比偏低，但是由于采用了相同的高分辨电子束镜筒，因此PFIB的电子束SEM图像分辨率并未折损。
表1 传统FIB和PFIB的比较(注：图像分辨率以ThermoFisher Scientific, Helios 5 CX/CXe系列为例)
PFIB采用氙离子替代镓离子源，除了带来更快的加工速率，还可以从根本上解决传统FIB加工存在的某些问题。首先，某些材料用传统FIB加工时存在镓离子注入/偏聚的问题，例如铝合金，由于镓在铝合金中溶解度较低，因此用传统Ga+ FIB制备铝合金透射样品时，镓离子会在铝合金晶界偏聚，严重影响制样效果[1]；而相同电压条件下，氙离子在铝合金中的注入深度更浅，且不存在晶界偏聚的问题，因此用PFIB可以制备出高质量、无偏析的铝合金透射样品。另外，PFIB在加工含Ga材料时，也有极大优势，例如GaN、 GaAs等，PFIB可以制备出无损的含Ga材料透射样品[2]。
PFIB案例分享
① TSV截面形貌和EBSD晶体取向分析
利用PFIB的快速大体积截面加工功能，可以对2.5D/3D先进封装的关键工艺结构TSV(硅通孔)进行快速、准确的截面形貌分析。同时利用外部EBSD探头设备可以进行截面的晶体取向分析，如图1所示。
图1 a)2.5D/3D封装的关键工艺结构:TSV(Through Silicon Via)的截面SEM图像；
b)EBSD分析(IPF-Y mapping)(Images courtesy：ThermoFisher Scientific)
② 3D NAND样品大尺寸超薄透射样品制备（Planview平面制样）
PFIB另一个重要功能是制备大尺寸透射样品超薄切片。广电计量目前可以实现长度&宽度均为50μm以上的定点透射样品超薄切片，满足原子级分辨率的TEM观测要求。
图2大尺寸透射样品超薄切片制样过程(样品：3D NAND；平面制样提取尺寸~50μm)：
a)挖坑；b)底部切断并提取； c)转移至铜网；d)减薄
广电计量PFIB服务能力
广电计量无锡集成电路测试与分析实验室最新配备的PFIB为赛默飞Helios 5系列，该系列是目前市场上Xe-FIB系列。该系列能实现1nm以下的SEM成像分辨率，并且比上一代(Helios G4)双束电镜的离子束性能和自动化程度进一步优化。广电计量的PFIB配备了纳米机械手，气体注入系统(GIS)和EDX能谱探头(元素分析)，能够满足各种基本和高阶的半导体失效分析需求。
作为半导体物性失效分析的有力工具， PFIB可以进行超大体积快速定点截面加工，在FIB 加工的同时用纳米级分辨率的扫描电子束实时观察截面微观形貌和进行成分分析；实现不同的金属材料(钨，铂等)和非金属材料(碳，SiO2)的沉积；还可以定点制备大尺寸TEM超薄切片，能满足原子级的超高分辨率观测要求。配置的Auto Slice & View软件还可以进行大体积三维数据的高质量、全自动采集。
广电计量还将持续不断地投入先进电子显微分析设备，不断提升和扩充半导体失效分析相关能力，为客户提供细致且全面深入的失效分析解决方案。
图3 广电计量配置的PFIB，型号：ThermoFisher Scientific Helios 5 PFIB CXe
广电计量半导体服务优势
● 工业和信息化部“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台”。
● 工业和信息化部“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台”。
● 国家发展和改革委员会“导航产品板级组件质量检测公共服务平台”。
● 广东省工业和信息化厅“汽车芯片检测公共服务平台”。
● 江苏省发展和改革委员会“第三代半导体器件性能测试与材料分析工程研究中心”。
● 上海市科学技术委员会“大规模集成电路分析测试平台”。
● 在集成电路及SiC领域，我们已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证，并支持完成多款型号芯片的工程化和量产。
● 在车规领域拥有AEC-Q及AQG324服务能力，获得了近50家车厂的认可，出具近400份AEC-Q及AQG324报告，助力100多款车规元器件量产。
● 在卫星互联网领域，获委任为空间环境地面模拟装置用户委员会委员单位，建设了行业射频高精度集成电路检测能力。
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