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非破坏性3D成像方案支援高精准度先进封装量测

  来自德国的百年大厂蔡司(ZEISS)推出可支援次微米解析度的3D成像解决方案,诉求能以非破坏性方式支援先进封装元件内部体积与线性量测,且精确度超越物理横切面、2D X-ray及micro计算机断层扫描等传统破坏性方法。

  随着半导体製程继续挑战个位数字奈米节点,以及「超越摩尔定律」(More than Moore)的3D封装技术持续演进,传统半导体量测技术已经难以因应结构越来越微小且复杂度不断提升的新一代元件开发流程需求;为此来自德国的百年大厂蔡司(ZEISS)推出可支援次微米解析度的3D成像解决方案,诉求能以非破坏性方式支援先进封装元件内部体积与线性量测,且精确度超越物理横切面、2D X-ray及micro计算机断层扫描等传统破坏性方法。

  蔡司半导体製造技术部门(SMT)製程控制解决方案事业群资深行销总监Raleigh Estrada表示,在光学技术领域拥有悠久歷史与国际知名度的蔡司集团,旗下包含工业品质与研究、医疗技术、消费性市场及半导体製造技术(SMT)四大业务领域;SMT业务部门除了提供如极紫外光(EUV)微影设备光学元件的半导体製造光学事业、光罩系统事业,还包含製程控制解决方案(PCS)事业,专注于检验/检视、3D缺陷分析、电路修补/奈米探针量测(nanoprobing)与尺寸度量解决方案的开发。

  目前半导体元件正朝向採用新材料与具有高深宽比(HAR)的3D结构发展,如堆叠式DRAM、垂直NAND快闪记忆体及FinFET电晶体等等,这带来了更高的製程变异性以及对全新失效分析与製程控制方法的需求;此外晶片封装技术也不断创新,堆叠式晶片架构产生新的缺陷机制与结构变异,像是错位、銲料润湿与接合线厚度变异等。为因应复杂半导体元件量测挑战,蔡司PCS提供的高解析度成像技术包括多离子聚焦离子束(Multi-ion FIB)、聚焦离子束电子显微镜(FIB-SEM)、多电子束电子显微镜(Multi-beam SEM),还有新的3D X-ray显微镜(XRM)。

  蔡司SMT业务发展总监Thomas Gregorich表示,晶圆厂在过去过50年来,晶圆厂已将小的电路板从微米缩小至奈米尺寸,这是透过精密的检验与量测系统才能达成的转变。而由于製程微缩已经接近极限,封装技术成为晶片效能提升关键,互连密度则是封装微缩的关键因素;在50微米的高频宽记忆体(HBM)与2.5D互连,密度为每平方毫米(mm) 400 I/O,要以既有的检验与量测系统控制其组装良率会非常困难。

  Gregorich还指出,未来的记忆体与「小晶片」(Chiplet)技术,将使封装互连间距降至20微米或更小,使得互连密度达到每平方毫米2,500~10,000 I/O,这类封装会需要达到后段製程 (BEOL)或晶圆厂等级的互连密度与良率;「过去IC封装产业高度倚赖物理横切面来检视、量测并定义深埋在封装内的结构,这种方法对先进封装已不足够,需要新的检验与量测技术。」蔡司新推出的Xradia 620 Versa RepScan量测系统能支援复杂的小间距3D架构设计验证、产品开发、製程化与品保/品管(QA/QC),包含2.5D中介层(Interposer)、具备硅穿孔(TSV)与微凸块(microbump)的高频宽记忆体堆叠、层叠封装(package-on-package)互连及单一堆叠中内含多晶片的超薄记忆体。

  该系统内含蔡司经验证的Versa 3D XRM功能,能以次微米解析度的非破坏性方法成像并量测深埋在结构内的晶片,并运用重建的3D资料集撷取出关键的3D资讯。除了能执行各种线性及体积量测,亦能对硅穿孔与微凸块、銲料体积与形状、接合线厚度、晶粒翘曲(warpage)、3D空隙分析与其他的量测进行各方面的分析,仅需準备小样;远距高解析(RaaD)技术则能在样本尺寸提高的情况下依然维持高解析度。半自动化的工作流程提供可重复的量测,确保不会因横切面误差导致成像遗失,并将手动操作导致的量测变异性降至低;经验证的500奈米空间解析度且像素低于40奈米,提供高于传统microCT的解析度。

  Versa RepScan系统依据不同零件尺寸可同时容纳70个样本,会自动传送扫描结果至另一个工作站,并在该工作站上进行各种半自动化的量测。该系统支援蔡司第叁方合作伙伴Volume Graphics的工业用断层扫描(CT)分析软体VGSTUDIO MAX;Gregorich表示,蔡司专注于硬体设备的开发,在短期之内并没有自行开发CT分析软体的计画,而他认为这套新系统将有助于晶圆厂、半导体封测业者、半导体IDM或是开发创新3D晶片结构的工程师,缩短新一代复杂半导体元件的开发流程并提升良率。

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