30.10.2018

Part 4: Metrologie für Carrier Bonding, Backside Thinning und Nail Reveal

Serie Advanced Packaging - Multi-Sensor Metrology for Every Process Step

Advanced Packaging-Technologien entwickeln sich in der Halbleiterindustrie rasant weiter, um die Funktionalität, Geschwindigkeit und den Formfaktor zu erreichen, welche für den mobilen Markt erforderlich sind. Wafer Level Packaging (WLP) ist führend in der Großserienfertigung (HVM), wobei 3D IC-Stack-Bauelemente direkt dahinter liegen. Die Kosten und Komplexität dieser neuen Packaging-Technologien erfordern kosteneffiziente Inspektions- und Metrologielösungen während des gesamten Prozesses, um Produktqualität und eine hohe Produktausbeute zu gewährleisten.

TSVs werden im Front-End erzeugt und müssen überwacht werden, da die Ätzvariation für den folgenden Reveal-Prozess entscheidend ist. Sobald die TSVs geätzt und gefüllt sind, werden auf der Oberseite des Wafers Bumps zur Verbindung aufgebracht. Um die TSVs freizulegen, wird die Vorderseite des Wafers vorübergehend mit einem Carrier verbunden, so dass die Rückseite ausgedünnt werden kann. Die verbleibende Siliciumdicke (RST) muss beim Schleifen und anschließenden Flächenätzen gemessen werden, um einen gleichmäßigen Reveal-Prozess über den gesamten Wafer zu gewährleisten. So werden die TSV-Verbindungen gleichmäßig freigelegt was wiederrum für die anschließende Stapelung der Chips oder des gesamten Wafers entscheidend ist. Es muss hierbei jeder Prozessschritt überwacht und der Toleranzbereich jedes Prozesses erfasst und kontrolliert werden.

Nach dem Bonden des Produktwafers auf einen Carrier mit einer Haftschicht ist die Messung der Dickenvariation von Carrier und Haftmittel entscheidend für die Überwachung der Qualität der Haftschicht. Schwankungen in der Dicke des Carriers und der Haftbeschichtung tragen dazu bei, dass die verbleibende Siliciumdicke (RST) zwischen dem TSV und der Unterseite des Produktwafers nach der Waferdünnung variiert.

Der ursprüngliche RST, nach dem Carrier Bonding und vor dem Waferdünnen, kann ebenfalls gemessen werden. Nach der Messung des ursprünglichen RST, sowie der Carrierdicken- und Haftschichtdickenvariation, kann das Schleifen des Produktwafers so erfolgen, dass das endgültige RST so gleichmäßig wie möglich ist. Nach dem Thinnig-Prozess, aber vor der Freilegung des TSV-Kupfers, kann das endgültige RST gemessen werden. Hierbei sind sowohl das durchschnittliche RST als auch die Dickenvariation über den Wafer von Bedeutung, da diese Informationen im anschließenden Ätzprozess zur Freilegung des TSV-Kupfers verwendet werden, um eine gleichbleibende Cu-Säulenhöhe über den Wafer zu gewährleisten.

Nach Abschluss des Reveal-Prozess müssen die Höhe der Cu-Säulen relativ zur Waferoberfläche und die Dicke der Polymerschutzschicht bestimmt werden. Die Säulenhöhe und Koplanarität sind entscheidend, um sicherzustellen, dass die erforderlichen Toleranzen vor dem anschließenden Stapelvorgang eingehalten sind. Nach Überprüfung der Säulenhöhe, muss eine Defektinspektion der freiliegenden Cu-Säulen und der Waferoberfläche für den anschließenden Stapelvorgang durchgeführt werden.

Abschließend folgt der Debonding-Prozess, indem der Produktwafer und der Carrier voneinander getrennt werden. Nachdem Debonding muss der Wafer auf eventuelle Defekte überprüft werden, die während des temporären Bondprozesses auftreten können. Auch muss die Waferoberfläche auf eventuelle Klebstoffrückstände überprüft werden und Defekte auf Bumps, sowie die Höhe von Lotbumps, Mikrobumps und Cu-Säulen nochmals überprüft werden.

Hochwertige, vollautomatische Multi-Sensor Messtechnik von FRT trägt zur Überwachung der Prozesstoleranzen in der Waferbearbeitung in den jeweiligen Prozessschritten im Advanced Packaging bei und hilft die geforderten Qualitätsstandards der Produzenten einzuhalten.

Die Einhaltung der Dicke muss über den gesamten Wafer im Bereich weniger Mikrometer sichergestellt werden. Da dieser in der Regel mit einer Dotierung oder Strukturen mit definierter Eindringtiefe versehen ist, muss z.B. ein Schleifprozess so eingestellt werden, dass eine bestimmte Dicke nicht unterschritten wird. Vor allem bei geringen Toleranzen steigen die Anforderungen an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der eingesetzten Messsysteme. Die optische berührungslose Dickenmessung hat sich in diesem Gebiet erfolgreich etabliert. Neben Thin-Wafern können auch auch gebondete oder getapte Wafer gemessen werden. FRT setzt bei der Waferdicken- und Oberflächenmessung auf eine diametral angeordnete, kalibrierte Sensorkonfiguration, bestehend aus zwei berührungslos arbeitenden, chromatischen Punktsensoren. Sie messen den Abstand zum Wafer an dessen Ober- und Unterseite. Auf diese Weise wird die lokale Waferdicke wie auch die Dickenvariation über die gesamte Waferfläche zuverlässig und nach der Norm des Industrieverbands SEMI bestimmt.

Das  System  erreicht  bei einem maximalen Waferdurchmesser von 300 mm eine Auflösung kleiner 10 nm für die Dickenmessung. Gleichzeitig können Rauheit und Struktur auf beiden Probenseiten vermessen werden. Ein spezieller Probenhalter trägt den Wafer so, dass es nur am äußeren Rand aufliegt. Die Sensoren sind oberhalb  und  unterhalb  der  Probe angeordnet. Der untere Sensor bleibt, einmal ausgerichtet, fix und ist durch die  Probenaufnahme automatisch  im richtigen  Arbeitsabstand.  Der  obere Sensor wird über die z-Achse angenähert. Die Variation der absoluten Dicken kann über  den  gesamten  Probenbereich gemessen werden. Gerade die Dickenvariation, definiert über den sogenannten TTV-Wert, ist beim Waferschleifen eine Kennzahl für Qualität. Sie lässt Rückschlüsse zu, ob der Abtrag gleichmäßig erfolgt ist. Nur Wafer mit einem sehr niedrigen TTV-Wert können für die anspruchsvollen weiteren Bearbeitungsschritte verwendet werden.

Für die Bestimmung von Schichtdicken im Sub-Mikrometer Bereich, von wenigen zehn Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern, sowie für die Analyse komplexer Mehrschichtstrukturen mit hoher Auflösung wurde der FTR Sensor bei uns im Hause entwickelt. Je nach Anforderung wird der Dünnschichtsensor in Varianten mit verschiedenen Wellenlängenbereichen eingesetzt, so dass für unterschiedliche Materialien und Schichtdicken entsprechend optimale Messbedingungen geboten werden.

Bei Materialien, die für sichtbares Licht opak, für Infrarotstrahlung aber transparent sind, macht FRT mit dem IRT-Sensor Dickenmessung möglich. Auch die Haftschicht bei gebondeten Wafern, so wie Hohlräume und Defekte können ermittelt werden. Der Sensor zeichnet sich durch einen großen Messbereich sowie eine x,y-Auflösung von 6,5 μm aus. Mit den bewährten Geräten der MicroProf® Serie kann der IRT für 3D-Schichtdickenmappings und 2D-Schichtdickenprofile eingesetzt werden.

FRT bietet sowohl manuelle als auch vollintegrierte Messlösungen mit robotergestütztem Waferhandling, Rezepterstellung, automatische Auswertung der Messdaten und einer SEMI-konformen SECS/GEM Schnittstelle für die Anbindung an den Fab Host.

Dank des modularen Multi-Sensor Konzepts können die Geräte auch bei ambitionierten Roadmaps im Advanced Packaging mithalten und den Yield ihrer Produktion optimieren.

Ob Labor, Entwicklung, Qualitätssicherung oder Produktion – FRT bietet die passende Messtechnik für Ihre Anwendung aus dem Advanced Packaging. Zögern Sie nicht uns bei Fragen zu kontaktieren. Unsere Experten helfen Ihnen gerne bei der Lösung Ihrer Messaufgaben, indem sie die bestmögliche Systemkonfiguration für Sie erstellen.