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放大缺陷的工程显微镜

Alex Mendelsohn?? Test&Measurement; World特约技术编辑?? 2008年05月20日 ?? 收藏0

  早在17世纪,科学家 Anton van Leeuwenhoek就通过一架粗糙的显微镜观察微生物,从那时起就一直存在着对显微镜更高性能的需求。正如 Leeuwenhoek 的显微镜对那个时代科学的影响一样,今天的显微系统也影响着工程师开发与测试半导体元件和材料的方式,以及像微电子机械系统(MEMS)等技术。

  现在,破坏性与非破坏性的显微工具都是扫描电子显微镜(SEM)的补充,甚至超越了后者,成为装备良好的实验室的标志性设备。较新一代的仪器有合乎情理的定价和用户友好性,正在转向成像和分析工作,这些工作曾经外包回到制造环境。

  测量与观察

  随着半导体器件、光电器件和相关器件都从更小的外形尺寸和新材料(如SiGe)中获得好处时,对显微镜有了更多的需求。测量及观察的能力变得很有意义。

  Hyphenated Systems 是一家晶圆制造应用显微镜制造商,其副总裁兼总经理 Terence Lundy 解释说:“3D 成像尤为重要。3D 与计量的结合可以让人们看到并测出半导体特性的指标,如沟道和硅通孔(TSV),以及表面边缘和粗糙度等测量属性。”

  TSV 建立于晶圆制造过程或其后的组装和封装期间。TSV 为片芯与晶圆栈之间提供互连,进而消除连线压焊,从而获得高密度、小尺寸的器件。

  为使工程师能看到 TSV这类纳米技术,Hyphenated 的混合式 HS 系列 NanoScale Optical Profilers 将传统的白光光学技术与一种申请了专利的方法——先进共焦显微镜(ACM)相结合。ACM 采用一种开放架构,支持今后的改进。

  ACM 可以观察MEMS、喷墨、数字光处理器和电气测试探针卡中的倾斜或粗糙表面、埋入透明材料中的界面,以及高长宽比特性。软件可为成像、计量及自动化功能提供一个控制界面。另外,测量程序还能提取出临界尺寸。

图1微电子机械系统制造商寻找能够完成3D物理特性描述和计量的显微方法并且要有深亚微米的精度


  如有必要,ACM 还可以结合原子显微镜(AFM)、分光技术和干涉测量方法,这样不仅可满足成像和测量需求,而且还可满足分析要求。Hyphenated 系统的价格范围从大约 7.5 万美元 ~ 25 万美元。

  Lundy 指出,堆叠多芯片技术是 ACM 的新兴应用。他说:“IC 公司正在认真采用 3D 封装和互连。有些芯片设计者甚至使用中空 TSV。通过这些流道泵入的空气或气体会冷却一个栈的内部结构。”

  过去,3D 显微镜可能需要一种干涉测量、SEM 和 AFM 的组合。不幸的是,一系列固有缺陷阻止了这些技术在堆叠芯片封装上的应用。例如,SEM需要破坏待测器件(DUT),而干涉测量需要样品DUT绝对平坦。

  Lundy称:“在3D芯片封装中,完美的平面是不存在的。实际上,有些表面是故意以某些角度放置的。探测某种深度以外的有限能力,以及不能看透各个层,这是在 3D 芯片观察时采用干涉方法的一个障碍。”

  同样,AFM(实际上会触及 DUT 样品)也不能介入3D结构内部。Lundy说:“可以非常好地看到表面,但不是其下的结构。”

  与它们相反,共焦显微镜则不需要样品制备,也不用翻倒或倾斜DUT,可以用来穿透玻璃等透明介质。Hyphenated Systems的仪器将ACM分析与现成商用Nikon 白光检测显微镜相结合,可以保证低至5 nm的z轴分辨率。此外,与那些产生离子或电子束的显微镜不同,该公司的仪器不需要将样品置于麻烦的真空室内。

图2HS系列NanoScaleOpticalProfiler结合了3D成像及计量软件能在数秒内获取并呈现出样品的详细3D模型并有深亚微米的水平分辨率和近纳米的垂直分辨率


  Lundy 称:“5 nm 的分辨率超出了大多数 IC 制造商最大胆的梦想。过去使用 SEM 或 AFM 的人们现在可以使用 ACM,从而避免长时间的准备和破坏性测试。”

  采用ACM的Hyphenated Systems显微镜也能利用一个视轴完成测量。当需要进行后续测量时,片上x-y坐标可以精确地重新定位。

  检测探针痕

  除了提供IC的3D影像外,最新显微工具还能帮助工程师检查晶圆探头所致的损坏,包括用于较薄半导体材料和超小型压焊点的超小型探针和探针卡。随着芯片密度的飞速增长,晶圆探测需要更多的触点。如果接触一个焊盘的引脚不是共面的,则探针就会钻进表面材料中,损坏焊盘或扎进其他层。

  虽然用一个焊球可以压焊一个已损坏的焊盘,但经过一段时间后,下游很可能发生故障。Lundy说:“受到损伤的芯片可能在几个月后出现故障,焊球会从焊盘上脱开。在最终产品中,这将是灾难性的。”

  探针痕也是一个问题。探针痕来源于探针与焊盘的物理接触,这是相当常见的。但过多的印痕降低了良品率与器件可靠性。与穿通一样,大或深或误置的针痕会引起连线压焊不良,尤其是在高密度的多芯片封装中。

  有些压焊点的层和柱也会在探测时与材料分离,造成导电性微粒污染。IC制造商希望能够在将一块晶圆切割成芯片以前看到这些潜在的缺陷。


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工程显微镜? 检测探针痕? 破坏性与非破坏性?

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