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Halbleiterindustrie Stories

User Stories "Halbleiterindustrie"

Die Produktion von Halbleitern zeichnet sich durch eine weiter fortschreitende Miniaturisierung der Bauelemente aus, was hohe Anforderungen sowohl an die inline-Messtechnik als auch Fehleranalyse durch optische Bauteilkontrolle angeht. Spiegelnde metallische Oberflächen, streuende Kunststoffoberflächen und immer kleinere Strukturen führen herkömmliche Messsysteme an ihre Grenzen. Optische Sensoren von Precitec Optronik messen transparente Beschichtungen, bestimmen Lackdicken und überwachen mechanische und chemische Abtragprozesse in Echtzeit. Die modularen Sensoren unterstützen hohe Taktraten, indem sie von einer Seite aus sowohl Dicke als auch Oberflächenstrukturen erfassen können. Neue Liniensensoren, die sich nicht durch einen Messpunkt sondern durch eine Messlinie auszeichnen, erfassen in kürzester Zeit ausgedehnte Topografien auf Waferoberflächen.

HALBLEITERCHIPS BERÜHRUNGSLOS MESSEN

DIE SCHNELLSTEN LINIENSENSOREN MESSEN KLEINSTE STRUKTUREN

Weltweit feiern alle Halbleiterchips dieses Jahr ein Jubiläum der besonderen Art: ein Gesetz, das nur für sie gilt, wird 50. Die Rede ist vom Mooreschen Gesetz (engl. Moore´s Law) welches besagt, dass sich die Komplexität (manchmal auch Integrationsdichte) integrierter Schaltkreise regelmäßig verdoppelt. Je nach Quelle spricht man hier von 18 oder 24 Monaten. Parallel und fast genauso ungestüm wie die digitale Revolution die dieses Gesetz auslösen half, entwickelte sich auch die optische Messtechnik für Halbleiter weiter. Realisiert auf der Basis chromatisch-konfokaler Technologie sind heutzutage Liniensensoren der aktuelle Stand der Entwicklung. Dieser Bericht beschreibt Technologie und Ergebnisse dieser Messtechnik für kleinste Strukturen im Mikrometerbereich.

Anfassen gilt nicht: Berührungsloses Messen

Will man Oberflächen von Halbleiterchips (Wafer) messen oder untersuchen, müssen 3D-Daten mit einer Auflösung gewonnen werden, die eine Untersuchung von Strukturen und Geometrien der Schaltkreise auf der Oberfläche ermöglicht. Heutige Chiptechnologien erfordern dazu Auflösungen im Nanobereich in axialer Richtung, bzw. von wenigen Mikrometern in lateraler Richtung. Dass die empfindlichen Bauteile zum Messen nicht berührt werden dürfen, versteht sich; also kommt berührungslose Messtechnik zum Einsatz. Und da es um Oberflächen geht, um ausgedehnte Bereiche mit kleinsten Strukturen die es zu überprüfen gilt, ist auch der Zeitfaktor wesentlich, denn das Messsystem muss sich dazu über die Oberfläche bewegen. Bezogen auf gängige Größenverhältnisse wäre ein vollständiger Waferscan gleichbedeutend mit der Aufgabe, eine Fläche von 1 Kilometer Durchmesser mit einem Lackierpinsel anzustreichen. Hier kommen die neuen Liniensensoren ins Spiel: Mit 192 gleichzeitig ausgelesenen Messpunkten sind sie genau 192 Mal so schnell wie konventionelle Sensoren, die mit nur einem Messpunkt arbeiten.

Trotz der großen Geschwindigkeiten von Liniensensoren konzentriert man sich bei Oberflächen-untersuchungen daher auf einige repräsentative Bereiche, um Zeit zu sparen. Die interessierenden Regionen werden in der Regel durch den Fertigungsprozess vorgegeben; umso mehr ist man daran interessiert, möglichst genaue und aussagekräftige Ergebnisse dieser Teilbereiche zu bekommen.

Bild 1: 3D-Wafer-Topografie, gemessen mit einem Liniensensor. Die Strukturen haben eine Höhe von 9 µm gegenüber der inneren Kreisfläche (gelb). Der dargestellte Bereich wurde in einer Zeit von unter 1 Sekunde gescannt © Precitec Optronik

Chromatisch-konfokale Messtechnik

Chromatisch-konfokale Sensoren nutzen die Eigenschaft einer Optik, weißes Licht nicht in einem Punkt zu fokussieren, sondern nach Wellenlänge separiert in unterschiedlichen Entfernungen. Der blaue Fokus liegt dabei näher an der Optik, der rote ist weiter entfernt. Dazwischen fokussieren alle anderen sichtbaren Wellenlängen. Deshalb benötigt ein chromatisch-konfokaler Sensor auch keine Abtastbewegung entlang der optischen Achse. Das Verfahren eignet sich besonders auch für die polierten und häufig spiegelnden Oberflächen von Wafern.

Liniensensoren

Liniensensoren stellen den aktuellen Stand der Entwicklung der chromatisch-konfokalen Messtechnik für Halbleiterchips dar. Im Gegensatz zu Punktsensoren messen sie viele dicht nebeneinander liegende Punkte gleichzeitig, so dass der Messkopf in gleicher Zeit eine viel größere Fläche überstreichen kann als mit Einzelpunkten. Die aktuelle Generation von Liniensensoren der Firma Precitec Optronik arbeitet mit 192 Messpunkten, die je nach Messkopf auf einer Linie von1 mm bis annähernd 5 mm angeordnet sind.

Bild 2: Ein CHRocodile CLS Liniensensor von Precitec Optronik mit seinen unterschiedlichen Messköpfen für Messbereiche von 200 µm bis 4 mm. Die Auflösung in axialer Richtung reicht hier von 20 nm bis 320 nm. © Precitec Optronik

Drei auswechselbare Messköpfe bieten je nach Messbereich Genauigkeiten von 80 nm bis 1,2 µm.

3D-Daten in kürzester Zeit

Die vom Sensor gelieferten Rohdaten werden je nach Einsatz verwendeter Software zur Erkennung regelmäßiger Muster und Strukturen für 2D- und 3D-Bilder aufbereitet. Häufig benutzt man grafisch codierte Höhenansichten, um die Strukturen auf dem Wafer hinsichtlich Höhen, Abstände, Radien und Durchmesser zu untersuchen und Defekte zu erkennen. Eine weitere Darstellung ist das Höhenprofil (Bild 4), ein Schnitt durch die gescannten Strukturen, der nach der Messung in beliebiger Richtung gelegt und durch die Software ausgeführt wird.

Bild 3: 2D-Höhendarstellung mit Ausschnittvergrößerung (rechts), gemessen mit einem Liniensensor. Die Außen-durchmesser der kreiswallartigen Strukturen (Bumps auf einem LED-Chip) betragen 230 µm. © Precitec Optronik
Bild 4: Höhenprofil. Ein durch Software ausgeführter Schnitt durch die gescannten Strukturen, der die Höhenlinie zeigt.

.. und es geht weiter

Weitere Anwendungen für Liniensensoren ergeben sich aus neuentwickelten chromatisch-konfokalen Messköpfen mit größeren Messbereichen und hoher Apertur. Um dem Wunsch nach noch höheren Geschwindigkeiten nachzukommen, gibt es weitere Stellschrauben: So kann die Messfrequenz weiter erhöht werden, was allerdings den Effekt hat, dass sich der Messbereich um den gleichen Faktor reduziert. Die aktuellen Liniensensoren von Precitec arbeiten mit einer Messfrequenz von 2 KHz. Im Bereich der Wafer-Topologiemessungen für diesen Bericht wurden mit diesen Systemen mittels erhöhter Messfrequenzen über eine Million Punkte je Sekunde erfasst; da Waferstrukturen relativ flach sind, kommt die Einschränkung des Messbereichs hier nicht zum Tragen. Diese Liniensensoren sind derzeit die schnellsten Systeme überhaupt, mit denen Halbleiter-Topografie in 3D-Technik erfasst werden kann. Und für sie gilt ebenso wie auch schon für das Mooresche Gesetz, dem man in den letzten Jahren bereits mehrfach ein nahes Ende voraussagte (das man jetzt erst 2030 erwartet): Ein Ende der rasanten Weiterentwicklung ist derzeit nicht abzusehen.

Link zu begleitendem Youtube-Video:

https://www.youtube.com/watch?v=3EOOPXnMO6U&feature=youtu.be

Bild 1
Bild 2
Bild 3a
Bild 3b
Bild 4

TOPOGRAPHIEMESSUNGEN BEI HALBLEITERCHIPS

HÖHE UND FORM VON BUMPS ZUR KONTAKTIERUNG VON HALBLEITERCHIPS

3D-Wafer-Topografie, gemessen mit einem Liniensensor. Die Strukturen haben eine Höhe von 9 µm gegenüber der inneren Kreisfläche (gelb). Der dargestellte Bereich wurde in einer Zeit von unter 1 Sekunde gescannt

Der hier dargestellte Bereich eines Halbleiter-Chips wurde mit einem Precitec Liniensensor in nur 0,11 Sekunden gemessen. Die Messungen werden durchgeführt, um Höhe und Form von Bumps zur Kontaktierung von Halbleiter-Chips zu ermitteln. Zum Messen der Höhenprofile können beliebige Schnitte durch die Topografie gelegt werden. Der neue, kompakte chromatischer Liniensensor, der 192 Punkte gleichzeitig misst, ist ideal geeignet zum Messen dieser Topografien. Indem er 192 Messpunkte gleichzeitig ausliest ist er um diesen Faktor schneller als konventionelle Messsysteme, die nur über einen Messpunkt verfügen.

Die hier eingesetzte chromatisch-konfokale Messtechnik nutzt Spezialoptiken, die weißes Licht nicht in einem Punkt fokussieren, sondern nach Wellenlänge separiert in unterschiedlicher Entfernung. Eine Abtastbewegung entlang der optischen Achse ist nicht erforderlich. Die Liniensensoren von Precitec Optronik erzeugen eine Messlinie, die je nach Messkopf 1 mm bis annähernd 5 mm lang ist. Das Verfahren eignet sich auch  für polierte, transparente und spiegelnde Oberflächen.

Zusammenfassung
Schnelle Topografieerfassung von Halbleiterchips durch berührungslos arbeitenden Liniensensor

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FLÜSSIGVERKAPSELUNG VON ELEKTRONISCHEN BAUTEILEN

DISPENSING-MASCHINEN MIT 3D-INLINE-MESSTECHNIK (DAM AND FILL)

 

 

 

 

Graues Viereck in der Mitte des Bauteile: Das ist der Damm aus einer zähfließenden Vergussmasse, dessen Höhe gemessen werden muss.

Ein gutes Beispiel für Inline-3D-Messtechnik ist die Erfassung von 3D-Mikrostrukturen auf Leiterplatten durch optische Sensoren für chromatisch-konfokale Messtechnik. Ihre Fähigkeit, Höhenprofile mit hohen Auflösungen direkt auf dem Chip messen zu können führte zu Entwicklung von mit optischer Inline-Messtechnik ausgestatteten Dispensing-Maschinen, die Schutzschichten und Verkapselungen auf Sensoren aufbringen. Unter Flüssigverkapselung werden unterschiedliche Verfahren zusammengefasst, die dazu dienen, elektronische Bauteile mit einer bei Raumtemperatur flüssigen Substanz
produktspezifische Werkzeuge zu vergießen. Nach dem Vergießen sind die Komponenten dann vor mechanischer Belastung und Umwelteinflüssen geschützt.
 
Bei einem „Dam and Fill“ genannten Verfahren wird zunächst auf der Leiterplatte ein Damm aus einer hochviskosen (zähfließenden) Vergussmasse errichtet, der den Chip vollständig umschließt; in das Flächeninnere des Damms appliziert dann die Maschine ein Material möglichst geringer Viskosität (dünnflüssiger), das feine Strukturen und Drähte besonders gut vollständig und blasenfrei umhüllen kann, bis das Bauteil vollständig abgedeckt ist. Optische Sensoren messen anschließend die Höhe dieser Dämme aus Chipvergussmasse berührungslos auf wenige Mikrometer genau. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Dammhöhe für den nachfolgenden Verguss des inneren Bereichs ausreichend ist und der Schutzlack nicht ungeschützte Bereiche überläuft. Das Verfahren wird immer dann eingesetzt, wenn für den Verguss nur einen begrenzte Fläche oder Höhe zur Verfügung steht. Die Schnelligkeit des Messverfahrens ermöglicht die 100%-Kontrolle aller produzierten Bauteile; das Vergießen von Komponenten ist dadurch auch für eine hochvolumige und vollautomatisierte Fertigung geeignet.

Zusammenfassung:
Inline-3D-Messtechnik für Leiterplattenfertigung: Chromatisch-konfokale Sensoren messen in-line in Dispensing-Maschinen berührungslos die Dammhöhe aus hochviskoser Vergussmasse.

 

 

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