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表面組裝檢測技術向高密度組裝技術挑戰
2010-08-26
設備供應商在維持設備生產效率的同時,正在艱難的開發新的方法與技術,檢測更小尺寸的元件以及可見和不可見的缺陷。圍繞當今電子組裝件的小型化和高密度化,本文從宏觀和微觀的角度對檢測技術以及不可見缺陷的檢測採用的設備及方法進行了論述,特別是業界一些知名企業的專家對檢測技術的現狀進行了探討。

 

 

 

 

  電子組裝業不斷向更小幾何尺寸邁進,隨之而來的新材料和新工藝對器件和工藝的影響正逐漸成為人們討論的焦點。最近二十年來,光學的理論極限迫使光刻技術不斷地進步,與之相反,作為良品率管理(圖1)核心的缺陷檢測領域則是在近幾年來逐漸感受到了這種壓力。

 

 

 


  傳統的檢測設備採用光學光源,通過檢測光線的反應來獲取缺陷的信息。隨後,採用更高分辨率的SEM來獲得缺陷的圖像。而進一步的檢測是通過X射線能譜(EDX)分析來確定形成缺陷的材料特性。宏觀檢測設備,用來代替人眼的視覺檢測,或者具有很高分辨率的微觀檢測都有可能成為構成缺陷檢測系統的一部分。通常的宏觀檢測設備的檢測速率為每小時80~150片晶圓(wph),比微觀檢測設備的速度快了近30倍,並且分辨率固定在5~10μm之間。

 


  儘管如此,目前對於小尺寸顆粒的檢測以及更高的檢測速度提出了新的要求。並且隨非可見缺陷(NVD)以及掩膜版缺陷(圖2)逐漸成為制約良率提升的重要問題,傳統的光學檢測設備以及現有的SEM和EDX技術已經無法完全勝任未來對缺陷檢測手段的要求。本文主要針對未來將會應用於22nm半線寬技術節點上的缺陷檢測技術展開討論。

 

 

 圖2.通過采用與光刻機相識的光學設備形成虛像并與掩模版上圖案的重疊來檢測掩模版上的缺陷

 


宏觀和微觀


  當今的經濟環境促使設備製造商提高這些價值幾百萬美元設備的功能性。對於像Rudolph Technologies Inc.(新澤西州,Flanders)這樣的先驅者,在同一台宏觀缺陷檢測設備上集成了5種不同的功能,可以分別用於檢測尺寸為10、5、2、1以及0.5μm的缺陷。這樣在同一台設備既可以檢測尺寸為2~3μm的蝕刻清洗工藝的殘余物,又可以用於檢測尺寸為5μm的CMP工藝的劃痕。這種配置可以進一步延緩由於技術節點的更迭所導致的設備淘汰。

 


  Sematech(德州,奧斯汀)缺陷測量部門的經理Dillp Patel表示:“目前業界所面臨的最大挑戰是如何從大量冗余缺陷中找到那些尺寸很小且與良率相關的缺陷。”明場缺陷檢測系統通常用於含有圖形的晶圓檢測。但是其很難檢測到位於接觸孔或者通孔底部殘留物這樣的缺陷。到目前為止,沒有任何一種檢測設備能夠在保持較高檢測速度的情況下完成這種三維結構或者高縱橫比結構的缺陷檢測。相反,雖然電子束缺陷檢測方法可以通過電勢起伏的方法檢測這種類型的缺陷,但其檢測速度非常慢。在製造中仍然使用一些破壞性的實驗方法來確認器件失效的原因,但這些方法既費時又昂貴。

 


非可見缺陷(NVD)


  Qcept Technologies(亞特蘭大)公司市場開拓與應用部門副總裁Robert Newcomb表示:“幾何尺寸的縮小早已經不是簡單的等比例縮小。”新材料、新工藝以及複雜器件結構都影響到IC工藝,其中包括缺陷檢測。傳統的光學檢測設備無法識別NVD,例如:亞分子層類型的殘余物以及清洗工藝可能產生的電荷吸附,其中殘余物可能來自濺射產生的金屬或者有機物原子或者分子。

 


  Newcomb表示:NVD可能占缺陷總數的30%以上,並且無論是光學設備還是SEM都無法確定其在晶圓上的空間分佈。因此,根據缺陷檢測與檢查的概念,有必要拓寬新的檢測設備的應用範圍,可將其用於NVD類型缺陷的檢測和相關分析,例如:全反射X射線熒光分析(TXFR)或者飛行時間二次離子質譜分析,以便檢測和測量金屬和有機物沾汙。

 


  一種NVD檢測系統採用金屬探針來檢測功能的變化,用於分析材料非均勻性或者某些化學特性。Qcept與Semitool(蒙大拿州,Kalispell)的合作項目確定了晶圓中心區域的良率損失與清洗工藝之間的依賴關係,這與某種有機材料排氣產生的殘余物有相關性。新的清洗工藝可以解決這種殘余物問題(圖3)。

 

 

 

                                               未经优化                                                                       已优化

 

圖3 NVD檢測系統發現通孔刻蝕工藝後的清洗工藝會在晶圓中心區域產生有機物排氣,從而造成相關的良率損失(左圖)。對單晶圓清洗設備進行改進可以消除這種類型的非可見缺陷(右圖)。(來源:Qcept Technologies和Semitool)

 

         類似的情況還有,採用TOF-SIMS分析確認RCA清洗工藝後,會在產品晶圓圖形上產生表面濃度為5 × 1011粒子/cm2的銅殘余物。更有諷刺意味的是,由於濃度很低,光學方法無法檢測到非銅工藝製造中晶圓上的銅殘余物。

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