Inspection HBM et WLP : séparer la métrologie 3D de la revue 2D des défauts

Divulgation des sources : cette page est un guide d'ingénierie indépendant, fondé sur les informations publiques de la société OPTIVE. Il ne s'agit ni d'un cas client, ni d'une référence d'installation, ni d'une approbation, ni d'une déclaration de compatibilité vérifiée. Le capteur de la caméra, les références d'objectifs et tout lien d'achat avec POMEAS sont UNKNOWN.

Un empilage HBM et un boîtier au niveau de la tranche (WLP) sont jugés tous deux sur deux questions à la fois : quelle est sa hauteur, et a-t-il un aspect correct. La première question est quantitative et exige une référence de hauteur étalonnée quelque part dans la chaîne. La seconde est qualitative et exige contraste, couleur et un grandissement suffisant pour classer un défaut. Les achats fusionnent les deux en « optiques d'inspection » puis découvrent, généralement à la recette, que la station qui mesure bien la coplanarité ne voit pas le défaut qui compte, et que la station qui image magnifiquement le défaut n'a aucune sortie de hauteur traçable.

La séparation n'est pas une affaire d'achat d'un meilleur objectif. Elle vient du principe de mesure : une chaîne d'imagerie 2D produit une coordonnée latérale par pixel, et rien d'autre, tandis qu'une chaîne de hauteur produit une coordonnée axiale rapportée à une référence. Cette page expose ce que chaque chaîne doit contenir, fait l'arithmétique qui décide du grandissement, et indique où s'arrête une station de revue en lumière visible et où un autre instrument doit prendre le relais.

Un empilage collé n'est pas un échantillon plan

Un empilage HBM fini est un composite : une puce logique de base, des puces DRAM empilées, des vias traversant le silicium, des micro-bumps ou liaisons hybrides entre elles, de l'underfill et souvent une coiffe de moulage. La surface supérieure que voit une caméra de revue peut être du silicium, un compound de moulage ou un couvercle, et chacun renvoie la lumière différemment. Les détails qui comptent sont à trois échelles simultanément : des repères d'alignement à l'échelle puce mesurés en dizaines de micromètres, des réseaux de bumps au pas de quelques dizaines de micromètres, et des défauts de particules ou de rayures de quelques micromètres.

Les tranches ajoutent une seconde complication. Une tranche de 300 mm n'est jamais plane au degré de profondeur de champ d'un objectif à fort grandissement, donc soit la platine suit la mise au point champ par champ, soit le champ doit être assez petit pour que l'inclinaison locale soit tolérable. Ce sont deux décisions mécaniques qui contraignent l'optique, et aucune n'apparaît dans un nombre de grandissement sur une fiche technique.

Trois tâches optiques, pas une seule station

La première tâche est la vue d'ensemble et la localisation : trouver la puce, trouver le champ, décider où regarder. Elle veut un grand champ, une profondeur de champ généreuse, de la tolérance aux variations de hauteur, et elle n'a pas besoin d'une résolution au micromètre. Un objectif bi-télécentrique 1.0X avec un champ objet de 18.4 mm est l'instrument typique ici, car un champ télécentrique maintient l'échelle d'image constante quand la hauteur de l'empilage varie sur la tranche.

La seconde tâche est la revue à fort grandissement : classer le défaut, mesurer le détail, décider conforme ou non. C'est là que l'ouverture numérique décide de ce qui existe dans l'image, et que la profondeur de champ devient assez faible pour que la mise au point doive être maintenue activement. Un objectif 5X ou 10X plan apochromatique est la classe habituelle, et le choix entre les deux est une décision d'ouverture avant d'être une décision de grandissement.

La troisième tâche est la hauteur : coplanarité des bumps, inclinaison de puce, épaisseur de moulage, dégagement de via. Aucune chaîne optique 2D ne la produit, aussi fin soit son pixel. Elle exige un principe de mesure avec référence axiale, ce qui en pratique signifie confocal, interférométrie en lumière blanche, ou un capteur laser de triangulation ou de déplacement à échelle étalonnée. La station de revue 2D peut être excellente et ne rien apporter à ce chiffre.

Ce que l'OEM externe divulgue réellement

OPTIVE décrit publiquement des optiques de métrologie 3D pour HBM, WLP et 3DIC, le développement d'optiques 3D grand format, l'inspection macro à haute vitesse et la revue automatisée des défauts. C'est la description d'un ensemble de capacités d'une société, utile comme carte des problèmes que le marché considère comme liés. Cela n'établit ni quel capteur de caméra est utilisé, ni quelle référence d'objectif se trouve à l'intérieur, ni qu'une optique POMEAS est achetée ou interchangeable. Ces champs restent UNKNOWN, et une spécification rédigée comme s'ils étaient connus inventerait des faits.

Arithmétique de résolution : d'abord l'ouverture, ensuite les pixels

Commencez par l'optique. Pour un système limité par la diffraction dans l'air, le plus petit détail résolvable est de l'ordre de 0.61 fois la longueur d'onde divisée par l'ouverture numérique. En prenant une longueur d'onde nominale de 0.5 µm pour l'arithmétique, les ouvertures publiées des objectifs POMEAS correspondent aux limites suivantes.

Vérifiez ensuite l'échantillonnage, car c'est habituellement le chiffre cité et celui qui induit en erreur. Avec un pixel de caméra de 1.1 µm et un grandissement de 5X, l'échantillonnage objet vaut 1.1 divisé par 5, soit 0.22 µm par pixel (dérivé) : un détail de 2 µm couvre environ neuf pixels. Neuf pixels semblent confortables. Face à une limite de diffraction de 2.18 µm, ces neuf pixels échantillonnent une image que l'objectif a déjà floutée : l'échelle de pixel est environ dix fois plus fine que la limite optique. Augmenter encore la résolution de la caméra ne change rien.

Ce suréchantillonnage n'est pas inutile — l'ajustement de bord sous-pixel et la mesure de centroïde en profitent — mais ce n'est pas une capacité gratuite. Une spécification qui cite l'échelle de pixel sans l'ouverture, ou la résolution de la caméra sans l'objectif, décrit la moitié d'une chaîne d'imagerie, et en revue HBM c'est généralement la moitié la moins importante.

La profondeur de champ impose la mécanique, pas l'optique

La profondeur de champ décroit grossièrement avec le carré de l'ouverture numérique, donc les objectifs qui résolvent un défaut de 2 µm sont ceux qui n'ont presque aucune tolérance en hauteur. Les valeurs POMEAS publiées montrent la tendance sur la gamme : 18.75 mm à 0.16X, 1.00 mm à 1.0X avec une résolution de 8.39 µm, 0.28 mm à 10X pour la classe 1.2 µm, et une profondeur de champ de l'ordre de quelques micromètres à NA 0.55 selon la même estimation. Sur un empilage dont la surface supérieure varie de dizaines de micromètres sur une puce, un champ 5X ou 10X ne peut pas être imagé sans suivi de mise au point.

Les conséquences pratiques sont ingrates et décisives. Si la platine n'a pas d'axe Z, le grandissement atteignable est plafonné par la planéité de la pièce. Si la platine a un axe Z mais que la recherche de mise au point est lente, le débit de revue est fixé par la recherche et non par la caméra. Si la pièce repose sur un porteur dont l'épaisseur varie, cette variation entre dans la mesure comme une erreur de mise au point plutôt que comme une erreur de dimension, ce qui est pire, parce qu'elle est invisible dans les données.

La hauteur est une chaîne d'instruments différente

Un résultat de hauteur doit être traçable à un étalon. Cela signifie un capteur à réponse axiale étalonnée, une surface de référence mesurée dans la même session, et un bilan d'incertitude qui inclut le capteur, la platine, la température et l'algorithme. Une station de revue 2D qui rapporte une position de mise au point rapporte une coordonnée machine, pas une hauteur, et les deux ne sont convertibles que si la chaîne entière a été caractérisée.

POMEAS couvre le côté hauteur avec des familles de produits séparées : l'interférométrie en lumière blanche pour la topographie de surface, telle que la géométrie des bumps et des plots, et la mesure confocale de déplacement pour la hauteur et les marches en ligne. Ce sont des instruments avec leurs propres spécifications et leurs propres exigences d'étalonnage, pas des accessoires d'une caméra de revue. Quand l'exigence est la coplanarité sur une puce, l'architecture honnête est un capteur 3D mesurant une grille échantillonnée plus une station 2D passant en revue les défauts signalés par la grille, les deux jeux de données étant joints par les coordonnées de puce et de champ plutôt que par un seul instrument prétendant faire les deux.

Architecturer la séparation

Un zoom motorisé mérite d'être considéré pour le rôle de navigation précisément parce qu'il change de champ sans changer de station : une plage 0.68X-5.0X avec 80 mm de distance de travail couvre vue d'ensemble et grandissement intermédiaire dans un seul chemin optique. La condition est que la position de zoom soit répétable et étalonnée, car un zoom dont le grandissement n'est connu qu'à quelques pour cent près est une aide visuelle, pas un instrument de mesure. Pour les applications qui exigent un comportement télécentrique à travers le zoom, le macro zoom télécentrique 0.5X-1.0X maintient la distorsion sous 0.02 pour cent et la distance de travail dans la bande 75-106 mm : c'est la classe à regarder quand la stabilité d'échelle compte plus que la plage.

Matrice de recette technique

Avant que quoi que ce soit soit chiffré, six entrées doivent exister sur papier : la surface active et le pas de pixels de la caméra, l'ouverture et la distance de travail de l'objectif, les longueurs d'onde et la géométrie d'éclairage, la taille de détail et la hauteur de défaut d'intérêt, la planéité et le gauchissement de la tranche ou du panneau, et l'incertitude requise avec l'artefact d'étalonnage qui la démontrera. Deux points sont habituellement oubliés : la vitesse de revue par champ, qui fixe les exigences de platine et de mise au point, et la responsabilité du repère de coordonnées qui joint les résultats de revue 2D aux résultats de hauteur 3D.

La validation doit couvrir tout le champ et les coins, pas seulement le centre, car la courbure de champ et la distorsion croissent vers l'extérieur, et un test d'acceptation limité au centre valide des optiques qui échouent en production. Les métriques latérales et axiales doivent être enregistrées séparément et jamais moyennées en un seul chiffre de « précision », car elles viennent de références physiques différentes et échouent pour des raisons différentes.

Questions fréquentes

Un objectif zoom peut-il remplacer un objectif de métrologie 3D ?

Non. Un zoom change le grandissement et le champ ; il ne crée pas de référence de mesure axiale. Remplacer un objectif 3D signifie remplacer le principe de mesure de hauteur, avec son propre étalonnage, sa taille de spot et son bilan d'incertitude. Un zoom peut servir la navigation et la revue 2D dans la même station, ce qui est une simplification utile, mais le chiffre de hauteur doit toujours venir d'un capteur confocal, interférométrique ou de triangulation étalonné par rapport à un étalon.

Un pixel objet plus petit signifie-t-il une meilleure précision en hauteur ?

Non. La taille de pixel objet est un chiffre d'échantillonnage latéral. La précision en hauteur dépend du principe de mesure axial, de son étalonnage et de sa stabilité, et de la référence de planéité utilisée pendant la mesure. Une caméra au pixel objet de 0.11 µm à 10X n'a aucune sortie axiale tant que l'axe de mise au point n'est pas étalonné, et même alors le résultat est une coordonnée machine plutôt qu'une hauteur traçable.

Quel grandissement faut-il pour passer en revue un défaut de 2 µm ?

Partez de l'ouverture plutôt que du grandissement. À une longueur d'onde nominale de 0.5 µm, les ouvertures POMEAS publiées donnent une limite de diffraction d'environ 2.18 µm à NA 0.14 et d'environ 1.09 µm à NA 0.28. Un défaut de 2 µm est donc à la limite à 5X et couvre environ deux éléments de résolution à 10X, là où il devient classable et non plus seulement visible. Confirmez sur des échantillons réels avec l'éclairage de production avant de vous engager.

Un seul objectif peut-il couvrir la vue d'ensemble et la revue des défauts ?

Seulement avec un zoom, et seulement avec des compromis acceptés. Un zoom motorisé 0.68X-5.0X couvre les deux champs dans un seul chemin optique, à 80 mm de distance de travail, mais l'échelle aux positions intermédiaires doit être étalonnée si des mesures y sont prises. Un objectif fixe 1.0X bi-télécentrique est le meilleur instrument de vue d'ensemble parce que son échelle ne bouge pas avec la hauteur, et un objectif fixe 5X ou 10X est le meilleur instrument de revue parce que son ouverture rend le défaut résolvable.

Prochaine étape

Envoyez la coupe de l'empilage, la liste des défauts avec leurs tailles, l'exigence de hauteur et de coplanarité, le capteur de la caméra et la planéité de la tranche ou du panneau entrant. La première réponse sépare les exigences dans les trois chaînes ci-dessus, pour que le devis chiffre le capteur de hauteur et les optiques de revue comme les instruments différents qu'ils sont. Pour le côté revue, le guide des objectifs télécentriques pour l'inspection des semi-conducteurs couvre la stabilité d'échelle et la profondeur de champ, et la comparaison SiC entre zoom et objectif avec autofocus laser traite la décision de suivi de mise au point qui domine la revue à fort grandissement. Pour le travail d'empilage au niveau panneau, la comparaison des méthodes de métrologie d'empilage au niveau panneau met côte à côte balayage ligne, interférométrie en lumière blanche et épaisseur de couche, et le guide de mesure flash au niveau tranche couvre le cas où l'échantillon est assez plan pour une seule exposition étalonnée. L'objectif PMS-MPO5 5X, l'objectif PMS-MPO10 10X et l'objectif bi-télécentrique PMS-10VP110C111T 1.0X portent les données actuelles des modèles ; la page contact est l'endroit où envoyer le plan.