FIB, SEM & EDX:
FIB, SEM & EDX

01 บทนำ: Fib Sem คืออะไร

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อน Failure Analysis (FA) หรือการวิเคราะห์ความล้มเหลวถือเป็นหัวใจสำคัญในการรักษา Yield ของการผลิต เมื่อชิปผ่านการทดสอบที่ Wafer Sort หรือ Final Test แล้วพบความผิดปกติ กระบวนการวิเคราะห์จะเริ่มต้นขึ้นเพื่อระบุ Root Cause ของปัญหาที่เกิดขึ้นในระดับนาโนเมตร

เทคนิค FIB (Focused Ion Beam) ร่วมกับ SEM (Scanning Electron Microscopy) เป็นเครื่องมือหลักที่วิศวกร FA ใช้ในการเจาะจงจุดบกพร่อง (Defect Localization) การตัดแต่งวงจร (Circuit Edit) และการเตรียมตัวอย่างสำหรับ TEM ซึ่งหากไม่มีกระบวนการ FA ที่แม่นยำ Fab จะไม่สามารถปรับปรุงกระบวนการผลิต (Process Feedback Loop) เพื่อลดความสูญเสียทางเศรษฐกิจมหาศาลได้

02 หลักการพื้นฐาน

หลักการของ FIB คือการใช้ลำไอออนของแกลเลียม (Ga+) พุ่งชนผิวหน้าของชิ้นงาน ทำให้เกิดการสปัตเตอร์ (Sputtering) ของอะตอมวัสดุออกไป การทำความเข้าใจพฤติกรรมนี้ต้องอ้างอิงถึง Sputter Yield (Y) ซึ่งขึ้นอยู่กับพลังงานของไอออนมุมตกกระทบ และมวลของอะตอมเป้าหมาย $ Y = K \cdot \frac{S_n(E)}{\rho} $ โดยที่ $S_n(E)$ คือ Nuclear Stopping Power ของวัสดุ

เมื่อใช้ร่วมกับ SEM ซึ่งใช้ลำอิเล็กตรอนในการสร้างภาพ จะทำให้เราสามารถเห็นโครงสร้างภายในด้วยความละเอียดระดับ sub-10nm กระบวนการนี้ยังรวมถึงการสะสมวัสดุแบบเลือกตำแหน่ง (Ion-beam Induced Deposition) โดยใช้ก๊าซ precursor เช่น Tungsten Hexacarbonyl ($W(CO)_6$) เพื่อซ่อมแซมเส้นสัญญาณที่ขาด หรือการทำ Isolation ในจุดที่ต้องการทดสอบไฟฟ้าเฉพาะส่วน

03 วิธีการและเทคนิค

กระบวนการ FA Flow เริ่มต้นจากการวิเคราะห์ด้วย EMMI (Emission Microscopy) เพื่อหาจุดรั่วไหลของกระแส (Hotspot) หลังจากนั้นตัวอย่างจะถูกนำไปทำ Decapsulation เพื่อเปิดหน้าชิป จากนั้นเข้าสู่ขั้นตอน FIB/SEM เพื่อทำการวิเคราะห์เชิงลึก:

• Cross-sectioning: การตัดชิ้นงานในแนวตั้งเพื่อตรวจสอบโครงสร้างชั้นโลหะ (Interconnect) และ Gate Oxide
• Circuit Edit: การใช้ FIB ตัดเส้นสัญญาณเดิม (Cut) หรือเชื่อมต่อใหม่ (Re-wire) เพื่อ Bypass จุดที่เสียและตรวจสอบการทำงานของวงจรหลังแก้ไข
• EDX Analysis: การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของสารปนเปื้อนที่พบในจุดบกพร่อง เพื่อระบุแหล่งที่มาของ Contamination ในห้อง Cleanroom

04 เทคนิคขั้นสูง

ในเทคโนโลยีการผลิตระดับ sub-5nm การทำ FA เผชิญกับความท้าทายอย่างมากจากโครงสร้าง Gate-All-Around (GAA) หรือ Nanosheet ที่มีความซับซ้อนเชิงเรขาคณิตสูง การตัด Cross-section ให้ได้ระนาบที่พอดีกับตัว Channel ของทรานซิสเตอร์จำเป็นต้องใช้ความแม่นยำในระดับพิโกเมตร

ปัญหาเรื่อง Parasitic Capacitance ที่เกิดจากการทำ Circuit Edit ก็เป็นเรื่องสำคัญ หากสายไฟที่ทำจาก FIB มีความต้านทานสูงเกินไป หรือเกิดผลข้างเคียงจากการสะสมของแกลเลียมไอออน (Gallium Implantation) จะทำให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าเปลี่ยนไป วิศวกรจึงต้องใช้วิธีการทำ Gas-Assisted Etching (GAE) ร่วมกับการควบคุมอุณหภูมิและสภาพแวดล้อมที่เข้มงวดเพื่อรักษา Integrity ของชิ้นงานให้ได้มากที่สุด

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

อุตสาหกรรม FA ในระดับชั้นนำเลือกใช้เครื่องมือที่มีความเสถียรสูงและมีระบบ Automation ที่ทรงพลัง ประกอบด้วย:

• FIB/SEM: FEI Helios / Thermo Fisher Scientific (Dual-beam system) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการวิเคราะห์นาโน
• Metrology & Analysis: FEI Talos TEM สำหรับงานวิเคราะห์ที่ต้องการความละเอียดในระดับอะตอม เพื่อดูความผิดปกติของ Crystal Lattice
• Emission Microscopy: Hamamatsu EMMI เพื่อระบุตำแหน่งการรั่วไหลของ Photons จากจุดที่เกิด Fault ภายในชิป
• Integration: การเชื่อมต่อข้อมูลกับ EDA Tools จาก Cadence หรือ Synopsys เพื่อเปรียบเทียบ Layout จริงกับ Design GDSII ช่วยให้การวิเคราะห์ตำแหน่ง Fault ทำได้รวดเร็วขึ้น

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำ เช่น TSMC, Intel และ Samsung ให้ความสำคัญกับ FA มากกว่าแค่การแก้ไขปัญหาทั่วไป แต่ใช้เป็นตัวขับเคลื่อน Yield Enhancement Strategy ผ่าน Feedback Loop ที่รวดเร็ว ข้อมูลจากห้องแล็บ FA จะถูกส่งกลับไปยังฝ่าย Process Engineering เพื่อปรับค่า Plasma Etching หรือ Chemical Mechanical Polishing (CMP) ในสายการผลิตทันทีที่พบรูปแบบความเสียหายซ้ำๆ

ในห่วงโซ่อุปทานระดับโลก ความสามารถในการวิเคราะห์ FA ได้อย่างรวดเร็วเป็นปัจจัยชี้ขาดความสำเร็จของ Time-to-Market ของผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ ยิ่งบริษัทสามารถระบุสาเหตุของความล้มเหลวได้เร็วเท่าใด ระยะเวลาในการ Ramp-up การผลิตไปสู่ Yield สูงสุดก็จะสั้นลงเท่านั้น ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อกำไรและความสามารถในการแข่งขันในตลาดหน่วยประมวลผลประสิทธิภาพสูงและ AI Chip