книги / Оптические методы контроля интегральных микросхем
..pdfИзложенное свидетельствует о необходимости систем ного анализа, так как дальнейшее повышение информа тивности ОМК требует различных методов выявления дефектов ИС и комплексного подхода к совершенствова нию НТД. Базой такого подхода должно быть широкое использование при анализе эксплуатационных отказов и производственного брака различных физических мето дов и технических средств. В сводном виде характерис тики основных методов анализа приведены в приложе нии 2.
В отдельных случаях может оказаться целесообраз ным не повышение метрологических характеристик из мерительных средств, а переход к принципиально дру гим, в том числе разрушающим методам. Например, недостаточность толщины слоя металлизации можно проверять испытаниями на воздействие импульса элек трического тока, величина энергии которого должна быть достаточной для расплавления металлизированной дорожки, площадь поперечного сечения которой меньше установленного предела [55].
3. Совершенствование средств оптического контроля
3.1. Классификация и критерии применимости средств оптического контроля
Средства (приборы и устройства) оптического конт роля можно классифицировать по принципу действия (оптической схеме), степени автоматизации и техниче ским (метрологическим) характеристикам.
По принципу действия средства оптического контро ля делятся на устройства непосредственного визуально го контроля (микроскопы, проекторы) и устройства, ра ботающие на принципе оптической пространственной фильтрации. В свою очередь, микроскопы и проекторы бывают измерительные, стереоскопические, двупольные, лазерные и телевизионные, а устройства пространствен ной фильтрации — использующие обычный источник света (некогереитные) и лазерный (когерентные).
По степени автоматизации средства оптического контроля можно разделить на устройства непосредствен ного визуального контроля и автоматизированного конт-
41
» . « , роля, в том числе с использованием мини-ЭВМ для об
работки визуальной информации.
В зависимости от технических (метрологических) ха рактеристик и конструктивного исполнения средства оп тического контроля делятся на средства контроля раз личных технологических операций: совмещения, скрайбирования, разбраковки и сборки, а также выявления пор (отверстий), вызывающих течи. Основными метро логическими характеристиками средств оптического контроля являются чувствительность и разрешающая способность. Требования к чувствительности средств оптического контроля, используемых при контроле внут ренней геометрии, топологии и операций совмещения, определяются допусками, установленными при констру ировании исходя из электрических и эксплуатационных параметров (тепловых и механических деформаций, то ковых перегрузок).
Требования к чувствительности средств, используе мых для выявления трещин, проколов или пор (отвер стий), устанавливаются исходя из эксплуатационных па раметров. Например, по данным [56] для корпусов по лупроводниковых приборов и ИС максимальный диаметр отверстия не должен превышать 0,1—0,4 мкм.
Требуемая разрешающая способность определяется конструктивной и топологической насыщенностью объ ектов контроля, в том числе степенью интеграции (для больших и сверхбольших ИС —до 0,2 мкм).
3.2. Микроскопы: технические характеристики, области применения, перспективы совершенствования
Одним из наиболее распространенных приборов ви зуального контроля кристаллов, оснований, монтажа, ме таллических покрытий и дефектов корпуса является бино кулярный стереоскопический микроскоп. Бинокулярное зрение обеспечивает объемное восприятие объекта кон троля и вследствие этого более точную оценку расстоянии и взаимного расположения контролируемых объектов, чем монокулярное. На максимально эффективном расстоянии (250 мм) точность бинокулярных оценок соответ ствует 3—5%, в то время как оценки на основе монокулярного зрения редко бывают точнее 10%. Кроме того, вследствие объемной регистрации растет информатив ность изображения ('—на 30%), устраняются ошибки
42
наблюдения пересечений на различных уровнях, улуч шается различение плоскостных и объемных дефектов. Однако настройка при бинокулярной стереоскопической микроскопии требует большего времени, поэтому бино кулярные стереомикроскопы имеет смысл использовать не во всех случаях. Характеристики бинокулярных сте реоскопических микроскопов, широко используемых в микроэлектронике, приведены в табл. 10.
Т а б л и ц а 10
Технические характеристики бинокулярных стереомикроскопов
Марка микроскопа, изготовитель |
Увеличе |
Поле |
Рабочее |
||
ние |
зрения, мм |
расстоя |
|||
|
|
|
|
|
ние, мм |
МБС-1, СССР |
|
3—88 |
2,6-39 |
64 |
|
МБС-2, СССР |
|
3—88 |
2,6—39 |
64 |
|
МБС-200, СССР |
|
4—120 |
1,9—44 |
115 |
|
МССО, СССР |
|
204 |
1 |
48,6 |
|
|
4—120 |
1,7-44 |
115 |
||
X, Х-Tr, Япония, Olimous |
204 |
1 |
48,6 |
||
6—160 |
1,25—32 |
45,86 |
|||
Стереомикроскоп-1, ФРГ, Opton |
2—250 |
1—48 |
28—85 |
||
SM1, Япония, Nikon |
Nashe |
4-112 |
1,9-52 |
85 |
|
Майоблнк, |
Франция, |
7—198 |
1—20 |
20—110 |
|
ES, ,TS, ФРГ, Leitz Wetzlar |
6—320 |
0,8—28 |
30—140 |
||
Стереос-11, |
Vickers |
Американское |
9-200 |
0,8—20 |
19—61 |
Циклоптик, |
США, |
7—40 |
6,4-30,4 |
100 |
|
оптическое акционерное общест |
3,5 |
60,8 |
— |
||
во |
BBT-Kraus |
80 |
3,2 |
---- |
|
Стереовар, |
3-100 |
2—43 |
90 |
||
Микралл, Швеция, Junger |
200 |
1 |
— |
||
2—320 |
— |
12—2000 |
|||
SMXX, ГДР, Carl Zeiss Jena |
•1-1,00 |
2—14 |
100 |
||
М5, Wild |
|
|
5—100 |
2,5—39 |
— |
|
|
|
1.4 |
130- |
---- |
|
|
|
200 |
1.3 |
■-- |
При контроле операций екраибпровапим, ломки, оцен ке расстоянии между отдельными элементами использо вание стереоскопических микроскопов не дает преи муществ, а наоборот, производительность контроля сни жается из-за необходимости неоднократного наведения микроскопа на различные участки контролируемого объекта. Для этих целей используются упрощенные металлографические микроскопы типа ММУ-3, обеспечи вающие увеличение до 500х, или измерительные микро скопы типа ММИ-2.
43
Т а б л и ц а 11
Технические характеристики микроскопов совмещения
|
|
|
Разре |
Расстоя |
Точ |
Установки, |
Тип и марка |
Увели |
Поле |
ние меа<- |
|||
шающая |
ду ося |
ность |
в которых |
|||
микроскопа |
чение |
зрения, |
способ |
ми объ |
совме |
применяются |
|
|
мм |
ность, |
ективов, |
щения, |
микроскопы |
|
|
|
лип/мм |
мм |
мкм |
|
Односторон |
150 |
и |
400 |
18—50 |
0,5 |
ЭМ-512А, |
него совмеще |
200 |
0,7 |
400 |
18—50 |
0,5 |
ЭМ-515А, |
ния МС-1А |
|
|
|
|
|
ЭМ-524, |
|
|
|
|
|
|
ЭМ-530 |
|
|
|
|
|
|
ЭМ-529 |
Двухсторон |
150 |
1,1 |
4С0 |
40—70 |
•1,5 |
ЭМ-520 |
него совмеще |
|
|
* |
|
|
|
ния МДС |
100 |
1,3 |
300 |
34—70 |
3 |
ЭМ-517 |
ДМ |
Особо точный контроль положения объекта необхо дим в фотографическом процессе при формировании ак тивных элементов на полупроводниковых пластинах. В зависимости от сложности ИС операция совмещения фо тошаблонов осуществляется от 3 до 20 раз, а требуемые точности колеблются от нескольких микрон до десятых долей микрона [56]. В табл. 11 приведены характерис тики микроскопов совмещения, используемых в фотоли тографическом процессе.
В последнее время появился ряд прецизионных из мерительных микроскопов, позволяющие автоматически с высокой точностью определять взаимное расположе ние и размеры элементов фотошаблонов, кристаллов и
других объектов с выводом информации |
на дисплей |
и |
|||||
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
12 |
Технические характеристики измерительных микроскопов |
|
||||||
|
|
|
фирмы Nikon (Япония) |
|
|
||
|
Тин |
Увели |
Поле Зре- |
Диапазон |
Точность |
Условия |
|
микроскопа |
чение |
И’-Я. мм |
измерении, |
измерений, |
KOIп ре,ля |
|
|
|
|
|
|
мкм |
мкм |
|
|
Измеритель |
250 |
1,12 |
0—29 |
0,1 |
В проходящем |
||
ный, для срав |
400 |
0,7 |
0—29 |
0,1 |
и отраженном |
|
|
нения |
масок |
|
|
|
|
свете |
|
(тип 5) |
800 |
|
0,7—100 |
0,05 |
В проходящем |
||
Прецизион |
|
||||||
ный |
измери |
|
|
|
|
све ге |
|
тельный
44
цифропечать. К числу таких микроскопов относятся при боры фирмы Nikon (Япония) [57, 58] (табл. 12). Отли чительной особенностью этих приборов является нали чие фотоэлектрического микрофотометра, автоматически измеряющего контролируемые объекты и обеспечиваю щего необходимую точность измерений. Оператор толь ко устанавливает образец на прибор, а другие операции, связанные с установкой визирной линии на измеряемый объект и отсчитываине делений, осуществляются авто матически.
Увеличение степени интеграции ИС вызвало необхо димость разработки растровых сканирующих микроско пов, использующих поэлементный принцип построения изображений. К ним относятся растровые электронные (РЭМ) и растровые оптические (РОМ) микроскопы. Особенности использования РЭМ при контроле кристал лов ИС описаны в предыдущей главе. Более подробно физические принципы работы РЭМ н вопросы их прак тического применения рассмотрены в [59—61]. Техниче ские характеристики некоторых типов приборов приведе ны в табл. 13.
Таблица 13
Основные технические характеристики растровых электронных микроскопов
|
|
|
|
|
Разре |
Макси |
Максималь |
Ускоряю |
Марка микроскопа, изготовитель |
шающая |
|||||||
способ |
мальное |
ный размер |
щее напря |
|||||
|
|
|
|
|
ность, |
увеличение |
образца, мм |
женке, кВ |
S |
|
|
|
|
нм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
РЭМ-1 |
|
|
|
|
20 |
80 000 |
20X20 |
30 |
РЭМ-200 |
|
|
|
|
20 |
100 000 |
ю х ю х ю |
50 |
МРЭМ-200 |
Япония, |
Jeol |
20 |
50 000 |
__ |
15 |
||
JSM-35C, |
|
6 |
180 0С0 |
— |
39 |
|||
JSM-T20, Япония, Jcol |
20 |
30 000 |
— |
20 |
||||
S-500, Япония, Hitachi |
7 |
200 000 |
25ХЮ |
30 |
||||
Steveoscan-150, |
Великобри |
7 |
100 000 |
100X80X50 |
40 |
|||
тания, |
Cambridge |
|
10 |
250 000 |
|
30 |
||
Autoscan, |
ФРГ, |
Siemens |
— |
|||||
Stereoscan Sl-10, Велико |
10 |
100 000 |
— |
30 |
||||
британия, |
Cambridge |
10 |
100 000 |
100X50X50 |
30 |
|||
AMR-1000, |
ФРГ, |
Leitz |
||||||
Wetzlar |
|
|
|
10 |
100 000 |
|
|
|
Super SEM, |
Япония, |
Akoshi |
15ХЮХЮ |
25 |
||||
Comebax, Франция, |
Comeca |
7 |
240 000 |
— |
50 |
|||
SEM 501 В, |
Голландия, |
7 |
80 000 |
|
30 |
Philips
45
пучка), РОМ на ЭЛТ имеет й существенные недостатки [63]:
—малая плотность энергии светового луча в основ ном из-за косинусного пространственного распределения интенсивности излучаемого ЭЛТ света; при этом только несколько процентов энергии излучения попадает в объ ектив;
—относительно широкий спектр излучения, что пре пятствует качественной фокусировке светового луча, и малый частотный диапазон модуляции интенсивности
света, ограниченный длительностью свечения люмино фора;
— необходимость применения оптики с большим ко эффициентом уменьшения, так как размер области вы хода светового излучения из слоя люминофора ЭЛТ обычно значительно больше диаметра электронного пуч ка в плоскости экрана.
Наиболее перспективным вариантом РОМ является РОМ с лазерным источником света, обеспечивающий большую освещенность объекта и разрешающую спо собность. В лазерных РОМ сканирование светового лу ча может быть осуществлено механическими и электри ческими средствами. У приборов, использующих механи ческое сканирование, основным недостатком является инерционность системы развертки, ограничивающая пре делы диапазона разверток. Электронные средства (электрооптические, пьезоэлектрические и акустооптические дефлекторы [64, 65]) сканирования позволяют расши рить частотные пределы разверток РОМ, однако они сложнее механических и не обеспечивают отклонения всего поступающего на дефлекторы света. Лазерные РОМ, использующие газовые лазеры, на длине волны Я=0,63 мкм позволяют получить разрешающую способ ность примерно 2 мкм [62, 66].
В [63] описан РОМ, использующий в качестве ис точника света полупроводниковый лазер (ПЛ) с про дольной электронной накачкой. Этот прибор объединяет в себе высокую интенсивность и монохроматичность светового пучка, присущие лазерным РОМ, и гибкость электронного сканирования, характерную для РОМ на ЭЛТ. Длина волны излучения определяется типом вы бранного кристалла (например, в случае CdS—0,51 мкм, CdSe — 0,67 мкм, ZnSe — 0,46 мкм). Поскольку размеры области выхода излучения и эффективного диаметра
47
электронного пучка в плоскости активного элемента примерно равны, диаметр светового пучка лазера со ставляет несколько микрометров. Поэтому в РОМ. на базе ПЛ можно применять оптические системы с малым коэффициентом уменьшения и, следовательно, обеспе чивать высокую разрешающую способность в большом поле зрения. Частота модуляции светового пучка может быть доведена до 1010 Гц, что открывает широкие воз можности использования РОМ для изучения и измере ния переходных процессов в Кристаллах ИС, в частно сти, в стробоскопическом режиме работы микроскопа.
3.3. Оптические проекционные устройства: технические характеристики, возможности
применения при контроле внешнего вида и топологии ИС
Одним из перспективных направлений повышения эф фективности визуального контроля является разработка проекционных устройств. Проекционные устройства, предназначенные для визуального контроля при боль шом увеличении, иногда называют проекционными мик роскопами.
Обзорный экран или индивидуальные проекторы об ладают потенциальными преимуществами в смысле воз можности снижения утомляемости операторов и приме нения масок и визирных линий. В приборах со специаль ными пропускающими экранами можно получить не сколько лучшую точность при поперечных и продольных наводках. Однако точность контроля при работе с про екционным экраном несколько меньше, чем при наблю дении в окуляр [67, 68]. Сравнение точности визуаль ного контроля на проекционном э!фане и при использо вании бинокулярного микроскопа показывает, что процент ошибочной классификации ИС при применении проекторов несколько выше [69]. Следует отметить, что малая статистика наблюдений, а также отсутствие опы та работы операторов с проекционными экранами не по зволяют сделать определенный 'вывод относительно ухудшения качества визуального контроля при исполь зовании проекционных устройств по сравнению с исполь зованием бинокулярных микроскопов.
Проекционные устройства разделяются на эгшскопические (для контроля в отраженных лучах) и диаскопи ческие (для контроля в проходящих лучах). В микро-
48
электронной промышленности широкое распространение получили эпископические проекторы, которые использу ются на операциях разбраковки, скрайбирования, сборки и др. На этих операциях применяются специально раз работанные малогабаритные проекторы (табл. 14) [13. 56].
Т а б л и ц а 14
Технические характеристики проекторов
|
|
|
|
|
Рабо |
Разре |
|
|
Марка |
проектора, |
Упелнчс- |
Поле зре |
шаю |
Размер |
|||
чее рас |
щая |
|||||||
|
изготовитель |
нис |
ния, мм |
стояние, способ |
экрана, мм |
|||
|
|
|
|
|
мм |
ность, |
|
|
|
|
|
|
|
|
лин/мм |
|
|
ППМ-20, |
СССР |
20 |
7 |
78 |
50 |
|
--- |
|
ППМ-60, |
СССР |
60 |
2,4 |
78 |
80 |
|
||
ПН-80, СССР |
20 |
6,6 |
78 |
50 |
|
--- |
||
|
|
|
40 |
3,3 |
78 |
60 |
|
--- |
|
|
|
60 |
2,2 |
78 |
80 |
|
--- |
ДП, |
СССР |
80 |
1,6 |
78 |
100 |
|
--- |
|
40 |
3,5 |
58 |
50 |
|
--- |
|||
П-6, |
СССР |
6 |
2,4 |
58 |
20 |
|
.-. |
|
ППЭ, СССР |
20 |
6,6 |
78 |
50 |
|
_ • |
||
|
|
|
40 |
3,3 |
78 |
60 |
|
--- |
Р-100, Италия, ONT |
80 |
1,6 |
78 |
100 |
|
._. |
||
10—100 |
152—20 |
— |
---- |
1000X1500 |
||||
ТТ-500, |
Англия, |
10—100 |
42—4,2 |
— |
--. |
0 |
500 |
|
Hilger |
|
10—100 |
65—6 |
__ |
—, |
0 |
650 |
|
ГП-650, ФРГ, Leitz |
||||||||
Р-750, ФРГ, Gauser |
10—100 |
--- |
--. |
__ |
0 |
750 |
||
30 МЕТ, |
ЧССР, Ме- |
10—100 |
21—1,2 |
— |
--■ |
300X210 |
||
opta |
Швейцария, |
20—100 |
25—5 |
|
|
0 |
530 |
|
АР-11, |
|
|
||||||
SIP |
|
10—100 |
|
|
|
0 |
356 |
|
М-30, США, Codac |
---- |
---- |
— |
|||||
ТП-200, ФРГ, Leitz |
10—50 |
20—4 • |
.--- |
---- |
0 |
200 |
||
МР-30, Япония, Canon |
10—100 |
30—3 |
---- |
— |
0 |
300 |
||
РР-51, Япония, Nashe |
15—1000 |
— |
-— |
.—* |
300X300 |
|||
Visomet, |
ФРГ, Elma- |
10—100 |
— |
---- |
---- |
0 |
180 |
tik
Проектор ППМ-20 применяется на операциях раз браковки и укладки кристаллов в кассеты, проектор ППМ-60 — на операциях беспроволочной сборки ИС (по сетке экрана осуществляется контроль совмещения паучковых выводов с выводными контактными площадка ми ИС для последующей их групповой сварки). Проею
4—32 |
49 |
тор ПН-80 используется для контроля внешнего вида кристаллов и готовых приборов. Он может быть использован на тех же операциях, что и проекторы ППМ-20 и ППМ-60.
На операции многопозиционной сборки гибридных ИС с жесткими шариковыми выводами используется проектор ППЭ, экран которого находится за оптической осью объектива и может поворачиваться в горизонталь ной плоскости в любую сторону на ±90°.
На операциях совмещения, скрайбироваиия, сборки и других используются двупольные проекторы [70]. Эти проекторы позволяют одновременно наблюдать кон тролируемый и эталонный объекты или два участка од ного объекта. В [71, 72] описан двупольный проектор, позволяющий наблюдать, на его экране изображения двух объектов или двух удаленных участков контроли руемого объекта, а также производить автономное ска нирование обоих изображений. Проектор обеспечивает увеличение 30 и 75* при поле зрения 5 и 2,5 мм соот ветственно. В качестве экрана используются линзы Френеля или высокоразрешающий экран, состоящий из двух плосковыпуклых линз (0160 мм), сферические по верхности которых обращены друг к другу, а плоская поверхность внутренней линзы матирована.
Одним из перспективных направлений создания средств визуального контроля, предназначенных для вы полнения операций, требующих высокой точности (на пример, совмещение фотошаблонов при фотолитографи ческом процессе), является создание комбинированных устройств визуального контроля. Эти устройства одно временно позволяют контролировать объект на обзорном экране и в окуляре микроскопа. Использование таких микроскопов-проекторов позволит повысить эффектив ность контроля вследствие использования проектора при предварительном совмещении, а микроскопа—ври окон чательном. Некоторые виды таких комбинированных устройств визуального контроля выпускаются зарубеж ными фирмами.
Эффективность оптического контроля при визуальном наблюдении проекционного изображения значительно по вышается, если контролировать объемное (стереоскопи ческое) изображение. В этом случае сохраняются изло женные выше преимущества стереоскопического изобра жения и все положительные стороны проекционного.
0
5