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Semiconductor industry stories

ユーザーストーリー "半導体産業"

半導体製造においては、インライン計測で高精密度が要求されております。構成要素の小型化と光学的手法による半導体の材料の検査故障分析能力を増やすことによって、材料の特徴を正確に取得することができます。 また金属反射表面、プラスチックの粗い表面、またより小さな構造物は、限界を越えて大部分の光学的測定システムを進めております。 Precitecの光学センサーは、透明な塗布、厚みを測定が可能です; これらは、リアルタイムモニタリングとして装置に組込み、ウェットエッチングプロセスとして厚み変化をモニターできます。 モジュールタイプセンサーは高速でデータ収集を可能にします。そして、片側からのウェハの厚みと表層構造の測定が可能です。 新しいラインセンサーでは、より高速にウエハ面形状で広範囲に取り込みができます。

NONCONTACT MEASUREMENT OF SEMICONDUCTOR CHIPS

FASTEST LINE SENSORS MEASURING TINIEST STRUCTURES

Semiconductor technology is celebrating a very special global jubilee: the law that is only valid for semiconductors turns 50 - Moore’s Law - it states that the complexity (sometimes also the level of integration) of integrated circuits doubles, depending on the source, every 18 to 24 months. In parallel and almost as impetuously as the digital revolution, which triggered this law, is the ongoing development of optical measurement techniques for semiconductors. Line sensors based on chromatic-confocal technology are nowadays state of the art. This report describes the technology and the results of this measurement technique for the smallest structures in the micrometer range.

 

No touching allowed: noncontact measurements

 

For the surface of a semiconductor chip (wafer) to be measured or analysed, 3D-data has to be collected of sufficient resolution to allow the examination of structures or geometries of the circuits on its surface. Today’s chip technologies require nanoscale resolution in the axial direction and a few micrometers in lateral direction. It goes without saying that the fragile parts should not be touched during the measurement and so the only option is to measure in a noncontact mode. More often than not semiconductor profiling comes down to the need to deliver high density 3D data from a large surface area that contains the finest structures. With a conventional chromatic confocal sensor this is likely to be a very time consuming business akin to painting an area of 1 square kilometer with a conventional paintbrush. With new range of chromatic confocal line sensors 192 measuring points simultaneously profile the surface in 5.2x10-3 (1/192) of the time needed compared to conventional sensors, which use only one measuring point.

 

Despite high measurement speed of the line sensors focusing on representative sectors can save even more time. These regions are usually defined by the manufacturing process; but nonetheless, it is most important to receive precise and descriptive results of those areas.

 

 

Figure1: 3D-Wafer-Topography, measured with a line sensor. The structures are 9 μm high compared to the inner circle area (yellow). The displayed area was scanned in less than a second. © Precitec Optronik

The Chromatic-confocal Measurement Principle

 

In their operation chromatic-confocal sensors exploit an optical aberration, not focusing the white light to a single point, but focusing the different wavelengths along the optical axis. Blue focuses closest to the optic, red furthest away with a continuum of visible wavelengths in between. As long as the surface remains within this working range a chromatic-confocal sensor will not need any optical axis movement to profile it. This method is especially suitable for polished and mostly specular wafer surfaces but is equally useful on ground and rough surfaces too.

 

Line Sensors

 

Line sensors are the latest chromatic-confocal measuring devices for semiconductor chips. These sensors measure numerous points close to each other so that the optical probe can cover a much larger area in a given time compared to a point sensor. The current generation of line sensors from Precitec Optronik operates with 192 measuring points, which measure, depending on the probe, in a line from 1 mm up to 5 mm in length.

 

 

Figure 2: A CHRocodile CLS Line sensor from Precitec Optronik with its different optical probes for measuring ranges between 200 μm and 4 mm. Resolution in the axial direction ranges from 20 nm up to 320 nm. © Precitec Optronik

Depending on the measuring area, three interchangeable optical probes provide accuracy ranging from 80 nm to 1,2 μm

 

3D-Data within the shortest time

 

The raw data delivered by the sensor can be processed in software to detect periodic patterns and structures. Most frequently used are coded height views to detect faults by observing the height, radii, diameters and gaps in structures. Another display possibility is the height profile, showing a cut through the scanned structure, which can be manipulated in software after the measurement has been made.

 

 

Figure 3: 2D-Height-view measured by a line sensor with an enlarged section shown to the right. The outer diameter of the circular embankment-like structures (bumps on an LED-Chip) is 230 μm. © Precitec Optronik

.. and it still goes on

 

Additional applications for the line sensors will emerge as chromatic-confocal optical probes with bigger measuring ranges and higher apertures are developed. The dream of higher scanning velocities requires additional adjustment options: The measuring frequency can be increased but this results in a decrease in measuring range by the same factor as the frequency. The current line sensors from Precitec Optronik operate with a measuring frequency of 2 kHz. The wafer topology measurements for this report were acquired at an enhanced frequency of over one million points per second. The decreased measuring range does not appear too severe because wafer structures are relatively flat. Line sensor systems are currently the fastest way of acquiring three dimensional semiconductor topographies. It is repeatedly reported that Moore’s Law will soon expire, but this has had to be revised several times (it is now said to end around 2030). This could also be said to apply to our line sensors, because, as with Moore's Law there appears to be no end in sight for the rapid advancement of either.

Figure 1
Figure 2
Figure 3a
Figure 3b
Figure 4

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    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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