传统工具，新技巧:光学三维检测

堆积芯片使得发现现有的和潜在的缺陷，以及检查诸如模具移位、其他工艺的剩余颗粒、凹凸的共面性以及不同材料(如电介质)的附着力等问题变得更加困难。

主要有以下几个问题:

• 不是所有的东西都能从一个角度看到，特别是当使用垂直结构时;
• 各种结构，如柱子或插入物上的3D结构(3D- ic，高级扇出，5.5D)会投射阴影或其他模糊的细节，因此必须用新的检查方法补充传统的检查工具;
• 不同的材料具有不同的反射率，在异构的多芯片实现中，未能充分检查设备可能会导致缺陷溜走。

一种似乎正在获得关注的解决方案是一种被称为干涉测量法的传统技术，这种技术将光分离并重新组合以形成干涉图案。由于白光干涉测量法(WLI)是非破坏性的，并且可以穿透很深的地方，因此随着行业向先进的包装发展，它开始发挥更重要的作用。

WLI是光学剖面仪的一个子集，是包括x射线和椭圆偏振在内的几种方法中的一种，这些方法在过去由于被认为太慢而在很大程度上被边缘化。但随着在最先进节点上开发的芯片的价值上升，以及其中一些芯片被用于安全和关键任务应用，芯片制造的经济状况正在发生变化。

此外，这些工具本身也变得更快更好。所有这些方法都是非破坏性的，与原子力显微镜(AFMs)和扫描电子显微镜(sem)等其他方法相比，它们可以在生产过程中提供相对快速的结果。尽管如此，每个工具都有一个特定的，有时重叠的利基，每个晶圆厂和OSAT都利用一个或多个，这取决于他们的特定需求。

Lam Research的高级计量经理Xiaosheng Wang表示:“光学轮廓仪已广泛应用于晶圆级封装应用(如铜柱铜轮廓等)，由于其具有无损测量和快速吞吐量的优势(与触控笔类型相比)。”“在白光共聚焦、激光共聚焦、白光三角测量等技术中，白光干涉测量具有出色的z分辨率和合理的吞吐量。对于HVM(大容量制造)应用中的全晶圆检测来说，它可能不够快，但它非常适合于研发环境，用其他技术交叉检查全晶圆检测结果。”

一些主要的供应商提供检查工具，包括Bruker, Camtek, KLA, Nova, Park和Zygo。一些公司，如KLA，是光学和电子束专家，而其他公司，如Bruker，提供补充仪器，如AFMs和x射线工具。

“在90年代，由于晶体管尺寸的缩小，FEOL已经被原子力显微镜(AFM)主导，”塞缪尔·莱斯科(Samuel Lesko)说，该公司的技术和应用开发总监力量．“然而，随着先进包装的兴起，有效地进行横向测量变得极其重要。白光干涉测量提供了足够的横向和垂直测量，以成功地检查先进的包装。因此，例如，WLI可以检查芯片到芯片的堆叠、芯片到晶圆、芯片的异构集成以及所有的扇出过程。”

在先进的封装中，WLI可以检测横向和纵向的细节凸点。(参见图1)。

然而，它不能检查空隙，因为可见光不能通过。为此，需要一种不同的技术，如x射线检查。

图1:包装中的WLI检验。来源:力量

干涉测量法如何工作
干涉测量法的基本原理自1881年以来就没有改变过，当时物理学家阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)发明了一种分束器，将一束光分成两束垂直的光束。类似地，在今天的商业干涉仪中，现在用精密电子器件制造，来自LED的光束被分成参考光束，进入镜子，和测量光束，将光聚焦在样品上。参考光束总是移动相同的距离，但测量光束的路径长度随着扫描样品的轮廓而变化。两束光被组合成重叠的干涉条纹，表现为明暗交替的条纹。的莫尔条纹的干涉条纹可以通过计算机分析甚至肉眼来发现异常。

“这基本上是一个光学显微镜，”莱斯科说。“你可以看到灰度级别的图像。例如，我们使用该图像自动提取横向尺寸(CD)，如内径和外径以及两者之间的相对位置，这是包装的关键覆盖参数。就横向尺寸而言，我们能看到的最小细节在0.5 μ m范围内。我们可以看到精确到0.02微米。在高度上，我们可以达到0.1纳米，这只是一层原子。”

图2:左侧，WLI原理图。右边是moiré模式。来源:力量

现代干涉仪(被认为是光学剖面仪的一个子集)也可以在广谱白光和单色光(如绿光)之间切换，允许检测在速度和精度之间取得平衡。基于白光的干涉测量法使用更宽的光谱，这对于测量高度轮廓很有用，但需要额外的努力。

Lesko说:“单色光适用于平坦光滑的表面，你需要高通量测量。”“白光用于将moiré缩小到特定的高度，使您能够集中在缺陷上。我们的物镜以恒定的速度连续运动，相机大约每秒100帧。因此，我们能够在更宽的垂直范围内，从微米到毫米，为相机捕捉到的每个像素推导出z位置。”

但所有这些都产生了大量的数据，这反过来又产生了另一个问题。“对于每一种设备，无论是传感器还是其他设备，限制因素通常是数据传输。CyberOptics．“你每秒能提取多少数据往往会成为分辨率和准确性的限制因素。在后台，我们使用最先进的图形处理器，但我们正在处理1亿像素的数据，每秒100帧，这需要4到5个摄像头来完成。也就是每秒几十千兆比特。我们必须能够从数据中获取信息，并抛弃其他信息。”

行前端的用例
由于其能够相对快速和无损地跟踪地形，WLI的典型用例是确保模具平直度。在FEOL，它被用于CMP过程的故障分析和优化。“WLI在监测和改进300mm晶圆的化学机械平面化(CMP)方面发挥了关键作用。这种CMP控制对于倒装芯片和晶圆级封装等集成过程至关重要，”CEA Leti的一位研究人员表示。300mm晶圆的巡检时间为几分钟。

另一个用例涉及混合键合。例如，在CMP过程中，铜会比电介质腐蚀得更厉害，造成碟形效应。目前，该配置文件的大部分检查都是用afm完成的，但这个过程可能很慢。Lesko说:“人们有5到10微米直径的铜和10万条路径，他们想要检查，以确保它们都没有出现会阻碍连接的关键凹槽。”“如果你错过了一个连接，整个模具组装将无法工作。没有其他方法，只能将衬垫的形状测量到亚纳米级。常规的检查工具在这里无法使用。通过WLI和软件包，您可以在大约两小时内自动测量完整的模具。”

一旦发现缺陷，提供高横向分辨率的AFM或SEM EDX可以用于更详细的检查，以了解缺陷的根本原因。

图3:横向和纵向数据处理显示CMP隐窝(蓝色)和突出(红色)。来源:力量

行后端的用例
虽然WLI在FEOL中没有内联使用，但对于后端处理，它可以完全自动化并全天候使用，允许计量驱动下一个工艺层的生产。例如，考虑TSV工艺，其中每个蚀刻的深度和准确性都需要评估。有时这种测量是通过TEM的横截面进行的，但这种技术是破坏性的，因此不可扩展。相比之下，WLI可以直接在晶圆上查看必要的未填充深度，作为内联工艺的一部分，不会牺牲良好的模具或生产时间。如果有问题，晶圆可以被送回工艺设备进行额外的蚀刻，然后返回WLI系统以确认修正。

对于扇出包装，使用再分配层由多层互连组成，需要对准正确的电气连接。WLI剖面仪在一次测量中提供了聚酰亚胺层的通孔深度、厚度以及顶层与之前处理过的底层之间的叠加。它方便地结合了地形和强度图像测量，自动提取CD和叠加，这反过来用于纠正后续的光刻步骤。

不同的技术
其他依赖于用例的技术与其说是与WLI竞争，不如说是与它并肩作战。例如，在垂直分辨率下，WLI可以发现材料是否差了一个原子。然而，它很少用于测量亚纳米级的粗糙度。更快的选择是使用散射测量法的工具。

散射测量工具供应商Nova解释说:“光学散射测量是一种通过测量物体对宽带光的反射来表征样品未知性质的方法。反射因波长(颜色)、偏振和入射角而异。”像大多数光学技术一样，散射测量法是非破坏性的。它在工厂的独特优势是速度特别快。

WLI并不是目前用于检验和计量的唯一传统技术。另一种方法是椭圆偏振法。“椭偏仪是相当简单的，”尼克凯勒说，高级技术上的创新．“它已经存在了100多年。基本上，你要做的就是投射入射光，比如，近红外线，然后探测样品的偏振变化。

正如凯勒在a中更详细地解释的那样最近的文章“使用具有高亮度光源的中红外椭圆计，其工作范围约为5 μ m至11 μ m，中红外波长范围利用用于制造3D NAND的常见介电材料中的固有吸收带，以实现蚀刻孔的超高z维保真度(埃级不确定性)。”

结论
有一系列的工具可以满足各种需求，但一个工具不能做所有的事情。对于一个完整的检查，每种方法都有优缺点。与afm等触控笔分析器不同，WLIs可以在不接触表面的情况下检查表面，从而消除了损坏的风险。它们还可以更快地生成图像。然而，与AFMs不同的是，它们只能检测0.5微米。

“AFM将用于内联前端，以测量芯片和NAND/DRAM存储器的质量，具有前所未有的能力来测量具有挑战性的高纵横比的窄开口。x射线通过结构测量，”Lesko说。“所以他们检查堆栈:堆栈之间是否有空白?凹凸处有空隙吗?WLI可以覆盖比AFM更大的区域，也更快，以及非破坏性。AFM被限制在大约100 x 100微米的扫描范围内，高度为10微米。WLI与AFM重叠，因为它检测的最小范围在横向上接近50 × 50微米，在横向上可以扩大到数十平方毫米，在垂直上可以扩大到数百微米。”

某些AFMs还可以用于推动原子，并在掩模上修复纳米级光刻误差。与此同时，光学工具比AFMs具有更高的吞吐量和更大的深度范围。

“不可否认，AFM测量并不是最快的，”美国公园系统公司总裁斯蒂芬·凯默(Stefan Kaemmer)说。“另一方面，我们有一个例子，光学计量几个月都没有结果，而我们的AFM在三个小时内就得到了结果。所以你必须根据具体情况来处理。”

同样的建议也适用于决定使用哪种检查工具。询问并测试供应商声称的深度和分辨率仍然很重要。但是记住，没有万能的答案。由于必须安装几台大型机器，这可能会导致晶圆厂的占地面积问题。认识到这一点，一些供应商提供组合仪器，以更好地适应空间需求。其他供应商声称，组合的仪器在每个单独的功能上可能不如单独的仪器好。目前，还没有明确的答案，只有竞争激烈的答案。但好消息是，多层结构的内部不再不受检查的影响。

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