Контроль HBM и WLP: отделяйте 3D-метрологию от 2D-просмотра дефектов

Раскрытие источников: эта страница — независимое инженерное руководство, основанное на общедоступной информации о компании OPTIVE. Это не кейс заказчика, не заявление об установленной базе, не одобрение и не подтверждённое заявление о совместимости. Сенсор камеры, номенклатурные номера объективов и любые закупочные отношения с POMEAS — UNKNOWN.

Стек HBM и корпусирование на уровне пластины оцениваются одновременно по двум разным вопросам: какой он высоты и правильно ли он выглядит. Первый вопрос количественный и требует калиброванной опоры высоты где-то в канале. Второй — качественный и требует контраста, цвета и достаточного увеличения для классификации дефекта. Закупки сворачивают оба в «оптику для контроля», а затем обнаруживают — обычно на приёмке, — что станция, хорошо измеряющая копланарность, не видит важный дефект, а станция, красиво изображающая дефект, не имеет прослеживаемого выхода по высоте вовсе.

Разделение — не вопрос покупки лучшего объектива. Оно следует из принципа измерения: 2D-канал изображения даёт латеральную координату на пиксель и ничего более, тогда как канал высоты даёт осевую координату относительно опоры. Эта страница излагает, что должен содержать каждый канал, выполняет расчёты, определяющие увеличение, и указывает, где останавливается станция просмотра на видимом свете и где должен вступать другой прибор.

Соединённый стек — не плоский образец

Готовый стек HBM — композит: логический базовый кристалл, уложенные друг на друга кристаллы DRAM, сквозные кремниевые виа, микробампы или гибридные соединения между ними, андервилл и часто формовочная крышка. Верхняя поверхность, которую видит камера просмотра, может быть кремнием, формовочным компаундом или крышкой, и каждая из них возвращает свет по-разному. Важные элементы существуют одновременно в трёх масштабах: метки совмещения уровня кристалла, измеряемые десятками микрометров, решётки бампов с шагом в десятки микрометров и дефекты в виде частиц или царапин размером в несколько микрометров.

Пластины добавляют второе осложнение. Пластина 300 mm никогда не бывает плоской в пределах глубины резкости объектива большого увеличения, поэтому либо стол отслеживает фокус по каждому полю, либо поле должно быть достаточно малым, чтобы локальный наклон был допустим. Оба решения — механические решения, ограничивающие оптику, и ни одно из них не отражается числом увеличения в спецификации.

Три оптические задачи, а не одна станция

Первая задача — обзор и локализация: найти кристалл, найти поле, решить, куда смотреть. Ей нужно большое поле, щедрая глубина резкости и терпимость к изменению высоты, а микрометрового разрешения ей не нужно. Типичный инструмент здесь — бителецентрический объектив 1.0X с объектным полем 18.4 mm, потому что телецентрическое поле сохраняет масштаб изображения при изменении высоты стека по пластине.

Вторая задача — просмотр при большом увеличении: классифицировать дефект, измерить элемент, решить годен или негоден. Именно здесь числовая апертура решает, что вообще существует в изображении, а глубина резкости становится настолько малой, что фокус приходится поддерживать активно. Обычный класс здесь — планапохроматический объектив 5X или 10X, и выбор между ними — это сначала решение по NA, а потом по увеличению.

Третья задача — высота: копланарность бампов, наклон кристалла, толщина формовки, вскрытие виа. Ни один 2D-оптический канал этого не даёт, сколь бы мелким ни был его пиксель. Ей нужен принцип измерения с осевой опорой, что на практике означает конфокал, белосветовую интерферометрию или лазерный триангуляционный или позиционный датчик с калиброванной шкалой. Станция 2D-просмотра может быть превосходной и всё равно не вносить ничего в это число.

Что фактически раскрывает внешний OEM

OPTIVE публично описывает оптику 3D-метрологии для HBM, WLP и 3DIC, разработку крупноформатной 3D-оптики, высокоскоростной макроконтроль и автоматизированный просмотр дефектов. Это описание набора возможностей компании, полезное как карта того, какие задачи рынок считает родственными. Оно не устанавливает, какой сенсор камеры используется, какой номер объектива внутри или что какая-либо оптика POMEAS закуплена или взаимозаменяема. Эти поля остаются UNKNOWN, и спецификация, написанная так, будто они известны, изобретала бы факты.

Арифметика разрешения: сначала NA, потом пиксели

Начните с оптики. Для дифракционно-ограниченной системы в воздухе разрешимый порядок величины — примерно 0.61 длины волны, делённой на числовую апертуру. Приняв номинальную длину волны 0.5 µm для расчёта, опубликованные апертуры объективов POMEAS дают следующие пределы.

Затем проверьте дискретизацию — обычно именно это число цитируют, и именно оно вводит в заблуждение. При пикселе камеры 1.1 µm и увеличении 5X объектная дискретизация равна 1.1, делённому на 5, то есть 0.22 µm на пиксель (расчётное), и элемент 2 µm занимает около девяти пикселей. Девять пикселей звучит комфортно. Но при дифракционном пределе 2.18 µm эти девять пикселей дискретизируют изображение, которое объектив уже размыл: масштаб пикселя примерно в десять раз мельче оптического предела. Дальнейшее повышение разрешения камеры не меняет вообще ничего.

Такая передискретизация не бесполезна — субпиксельная аппроксимация кромок и измерение центроида от неё выигрывают, — но это не бесплатный ресурс. Спецификация, в которой указан масштаб пикселя без NA или разрешение камеры без объектива, описывает половину канала изображения, и в работе просмотра HBM это обычно менее важная половина.

Глубина резкости задаёт механику, а не оптику

Глубина резкости падает примерно пропорционально квадрату числовой апертуры, поэтому объективы, разрешающие дефект 2 µm, — это объективы почти без запаса по высоте. Опубликованные данные POMEAS показывают тенденцию по диапазону: 18.75 mm при 0.16X, 1.00 mm при 1.0X с разрешением 8.39 µm, 0.28 mm при 10X для класса 1.2 µm и глубина резкости порядка пары микрометров при NA 0.55 по той же оценке. На стеке, верхняя поверхность которого меняется на десятки микрометров поперёк кристалла, поле 5X или 10X нельзя снять без отслеживания фокуса.

Практические последствия прозаичны и решающи. Если у стола нет оси Z, достижимое увеличение ограничено плоскостностью детали. Если ось Z есть, но поиск фокуса медленный, пропускная способность просмотра задаётся поиском, а не камерой. Если деталь лежит на носителе с переменной толщиной, эта переменная входит в измерение как ошибка фокуса, а не как ошибка размера — что хуже, потому что она невидима в данных.

Высота — это другой канал прибора

Результат по высоте должен быть прослеживаем к эталону. Это означает датчик с калиброванным осевым откликом, опорную поверхность, измеренную в том же сеансе, и бюджет неопределённости, включающий датчик, стол, температуру и алгоритм. Станция 2D-просмотра, выдающая позицию фокуса, выдаёт машинную координату, а не высоту, и они сопоставимы, только если охарактеризован весь канал.

POMEAS закрывает сторону высоты отдельными семействами продуктов: белосветовая интерферометрия для площадной топографии поверхности — геометрия бампов и контактных площадок — и конфокальное позиционное зондирование для измерения высоты и ступеней в линии. Это приборы со своими спецификациями и своими требованиями к калибровке, а не аксессуары к камере просмотра. Когда требование — копланарность по кристаллу, честная архитектура — это 3D-датчик, измеряющий выбранную сетку, плюс 2D-станция, просматривающая дефекты, которые сетка пометила, с объединением двух наборов данных по координатам кристалла и поля, а не одним прибором, делающим вид, что выполняет обе задачи.

Построение разделения

Моторизованный трансфокатор стоит рассмотреть именно для роли навигации, потому что он меняет поле без смены станций: диапазон 0.68X-5.0X с рабочим расстоянием 80 mm покрывает обзор и среднее увеличение в одном оптическом канале. Условие — повторяемость и калиброванность позиции трансфокатора: объектив с увеличением, известным с точностью до нескольких процентов, — это средство просмотра, а не измерительный прибор. Для задач, где телецентричность нужна во всём диапазоне, телецентрический макротрансфокатор 0.5X-1.0X удерживает дисторсию ниже 0.02 процента и рабочее расстояние в полосе 75-106 mm — это класс, на который стоит смотреть, когда стабильность масштаба важнее диапазона.

Матрица инженерной приёмки

До цитирования любого из этого шесть входных данных должны существовать на бумаге: активная площадь камеры и шаг пикселей, NA объектива и рабочее расстояние, длины волн и геометрия освещения, размер элемента и высота дефекта интереса, плоскостность и коробление пластины или панели, требуемая неопределённость с калибровочным артефактом, которым она будет подтверждена. Два пункта обычно забывают: скорость просмотра на поле, задающая требования к столу и фокусу, и владение системой координат, объединяющей результаты 2D-просмотра с результатами 3D-высоты.

Валидация должна охватывать всё поле и углы, а не только центр: кривизна поля и дисторсия растут от центра наружу, и приёмка только по центру пропускает оптику, которая откажет в производстве. Латеральные и осевые метрики следует записывать раздельно и никогда не усреднять в одно число «точности», поскольку они происходят от разных физических опор и отказывают по разным причинам.

Часто задаваемые вопросы

Может ли трансфокатор заменить объектив 3D-метрологии?

Нет. Трансфокатор меняет увеличение и поле; он не создаёт осевую опору измерения. Замена 3D-объектива означает замену принципа измерения высоты — с собственной калибровкой, размером пятна и бюджетом неопределённости. Трансфокатор может служить навигации и 2D-просмотру в одной станции, что полезное упрощение, но число высоты всё равно должно приходить от конфокального, интерферометрического или триангуляционного датчика, калиброванного по эталону.

Означает ли меньший объектный пиксель лучшую точность по высоте?

Нет. Размер объектного пикселя — латеральная характеристика дискретизации. Точность по высоте зависит от осевого принципа измерения, его калибровки и стабильности, а также от опоры плоскостности, использованной при измерении. Камера с объектным пикселем 0.11 µm при 10X не имеет осевого выхода вовсе, если не калибрована ось фокуса, и даже тогда результат — машинная координата, а не прослеживаемая высота.

Какое увеличение нужно для просмотра дефекта 2 µm?

Исходите из апертуры, а не из увеличения. При номинальной длине волны 0.5 µm опубликованные апертуры POMEAS дают дифракционный предел около 2.18 µm при NA 0.14 и около 1.09 µm при NA 0.28. Дефект 2 µm, таким образом, на пределе при 5X и примерно два элемента разрешения поперёк при 10X — там, где он становится классифицируемым, а не просто видимым. Подтвердите на реальных образцах с производственным освещением до принятия решения.

Может ли один объектив закрыть обзор и просмотр дефектов?

Только с трансфокатором и только с принятыми компромиссами. Моторизованный трансфокатор 0.68X-5.0X покрывает оба поля в одном оптическом канале при рабочем расстоянии 80 mm, но масштаб на промежуточных позициях должен быть калиброван, если там предполагаются измерения. Несменный бителецентрический объектив 1.0X — лучший инструмент обзора, потому что его масштаб не смещается с высотой, а несменный объектив 5X или 10X — лучший инструмент просмотра, потому что именно его апертура делает дефект разрешимым.

Следующий шаг

Пришлите поперечное сечение стека, перечень дефектов с размерами, требование по высоте и копланарности, сенсор камеры и плоскостность входной пластины или панели. Первый ответ разделяет требования на три канала выше, чтобы предложение оценивало датчик высоты и оптику просмотра как разные приборы, каковыми они и являются. Для стороны просмотра руководство по телецентрическим объективам для полупроводникового контроля охватывает стабильность масштаба и глубину резкости, а сравнение трансфокатора и объектива с лазерным автофокусом для пластин SiC — решение об отслеживании фокуса, доминирующее в просмотре при большом увеличении. Для работ с наращиванием на уровне панели сравнение методов метрологии корпусирования на уровне панели ставит рядом линейное сканирование, белосветовую интерферометрию и толщину плёнок, а руководство по измерению одной экспозицией на уровне пластины охватывает случай, когда образец достаточно плоский для одной калиброванной экспозиции. Объектив PMS-MPO5 5X, объектив PMS-MPO10 10X и бителецентрический объектив PMS-10VP110C111T 1.0X содержат актуальные данные моделей; страница контактов — то место, куда отправляется чертёж.