放大缺陷的工程显微镜

2008-05-28 19:34:40来源: 半导体国际

  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。

  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。

  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。

  SEM和 AFM通常用于检查穿通和探针痕,但这种观察可能要花数小时甚至数天时间。这对要全天候生产IC的晶圆代工厂来说不是最佳的方法。Lundy说:“芯片制造商想要的是闭环计量方法。人们希望能对数百万个探测触点作快速的趋势分析。”ACM就支持这种分析。

  连接的生成与破坏

  除了完成故障分析和确定器件特性外,有些显微镜还可提供辅助并发式开发周期功能。例如,FEI的聚焦离子束(FIB)产品就提供了一种交互式技术,供公司调用V600 Circuit Edit。

  V600 Circuit Edit可以识别并修正元件上由于电气连接的中断与生成而造成的纳米级问题。实际上,它可以产生功能原型,使制造商能够在完成产品开发验证的同时,进行65 nm以下器件的掩膜校正。

  FEI产品系列中的六款FIB显微产品现在具备了Circuit Edit特性。该公司产品营销经理 Peter Carleson解释说,这些产品可提供各种分辨率能力。该公司的Expida 1255S晶圆 DualBean可用于故障分析,它结合了晶圆级扫描/透射式电子显微镜(STEM)样品制备与高分辨FIB成像和分析。

  这些多技术仪器利用聚焦离子在样品上钻孔,典型孔径大约为10mm×10mm。该工具用一个电子束钻入孔内,以探查深层有无短路或开路。从自动测试设备(ATE)的测试向量可以得到故障的位置和地点。

  Carleson解释说:“可以用离子束切出一个断面,同时用电子束观察,以定位缺陷。SEM还使用比可见光系统更短的波长束,因此分辨率也较高。”

  另一个好处是改善了景深。Carleson指出:“光学显微镜的景深在数微米量级,而 SEM 和离子束的景深则是10mm~50mm。”在检查MEMS器件时景深很关键,此时在 z 高度上有一个相当大的变化。多技术显微镜可以看到整个样品,同时所有东西都能聚焦。

  如果需要更高的分辨率,离子束显微镜也可以对样品切片。通常情况下,一个50 nm厚的切片被放入一台透射式电子显微镜(TEM)。TEM很像一台幻灯片投影仪,然后用原子级分辨率呈现一幅图像。

  最后,FEI的Expida 1255S 晶圆DualBean这类仪器也可以用于电气探测。Carleson表示:“这是一个快速发展的应用领域。”

  

  弥补差异

  FEI的台式Phenom显微镜拓宽了在工程显微方面的应用,据称它弥补了光学显微镜和 SEM之间的间隙。与 Hyphenated用于3D特性描述和针痕计量、探针和通孔的ACM不同,Phenom主要面向质量控制应用。

  Carleson说:“它是一种后端工具,可以为其他显微方法制备样品。”Phenom 采用触摸屏操作,可提供10X~20000X的放大倍率(比光学显微镜大约高20倍)。

  该产品还带有一个光学相机,用于所谓“永不丢失”的导航,另外还有一个电子显微镜。样品通过一种自动真空技术装入,它优于麻烦的真空室。不需要隔离外界振动,样品装入时间不到 30s。

  Phenom重量刚刚超过120磅,还提供120X数字变焦,具有高达2000×2000像素的图像分辨率,图像可保存在U盘中。

  FEI预计,Phenom与SEM类似的性能将吸引那些付不起 25万多美元用来购买一台 SEM 的工作室,何况还有培训SEM操作人员和专用设施所需的成本。一台7.2万美元的Phenom显微镜可以用于检查封装缺陷,如互连和晶须故障。

  Carleson说:“这些类型的故障都极其微小,但并非不一定需要SEM的分辨率和放大倍率才能看到它们。在许多应用中,一台Phenom就可以补足SEM。”

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

制造精度

  至少有一家带电粒子制造商正在超越SEM技术,开始转向氦离子束显微技术。Carl Zeiss SMT 的董事会常务董事Dirk Stenkamp 博士说:“IC 制造业现在有一种范例式的转移。显微镜必须跟上。”

  Stenkamp表示,材料的进步与更严格的工艺控制正推动着对制造中更高精度测量的需求。“现在,材料是 IC 制造中的关键因素。”

  复杂的材料(如 SiGe、高 k 和低 k 电介质,以及用于互连的新型金属)需要新型工具。SEM 这类传统技术在这里失去了优势。

  Stenkamp将Zeiss的Orion显微镜称为一种突破。该显微镜起价约100万美元,现在美国标准与技术研究所(NIST)运行。

  Orion显微镜采用一个氦离子束生成信号,而不是电子束。这些仪器能够观测到小于一个微米的特征,可用于故障分析、临界尺寸测量、缺陷观察以及材料识别

  氦离子显微镜还可以提高空间分辨率。SEM分辨率在1.5 nm和2 nm之间,而氦离子显微镜可达0.2 nm分辨率,高大约一个数量级。Stenkamp说:“该工具很好地弥补了SEM 与TEM之间的间隙。它还弥补了TEM的0.2 nm分辨率状态。”

  Stenkamp还指出,氦离子显微技术能够使用反向散射(back-scattered)离子生成 SEM无法得到的对比度特性。“它能清楚地看到一个样品中不同类型的材料。氦离子显微技术还能提供比SEM高大约一个数量级的景深。”

  分析纳米级样品

  热场发射(FE)电子探针微量分析仪(EPMA)走得更远。JEOL USA 的 EPMA 将 SEM 分辨率与 X 射线分析相结合。JEOL的 JXA-8500F机型价格不到100万美元,采用一只透镜式(in-lens)肖特基 FE 电子枪提供高探针电流。它产生的探针直径是传统探针的十分之一。与Zeiss的Orion显微镜一样,JEOL 的产品现在正由 NIST 用于故障分析和质量控制应用的跟踪测试,而不仅用于 R&D。

  EPMA 的波长色散 x 射线分光计(WDS)能够完成从 40X ~ 300000X 的图像放大。此外,它还不需要超高真空室。

  JEOL 副总裁兼产品经理Charlie Nielsen解释说:“随着尺寸的缩小,必须减少电子束的渗透,这就为较低电压系统提供了用武之地。”他指出,高电压的前代显微镜通常要求样品尺寸在一立方微米量级,而EPMA可以用于只有100 nm尺寸的样品。

  JEOL 的非破坏性显微镜可以同时部署一个分光计和多达五个 WDS。Nielsen称:“致力于纳米技术的供应商(如 MEMS 材料和硬盘衬垫薄膜)可以用这种技术让显微技术走出R&D实验室,进入质量控制领域。”

 

关键字:显微镜  SEM  射线分光计  聚焦离子束  材料识别  电子探针  共面  多芯片封装  x

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/0528/article_705.html
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