微電子之品質管理
量測儀器(Metrology)Tools提供之解決辦法
Thomas Fries, Paul Flynn, Paul Lamm, FRT of America 生產微米或者奈米元件製程中具備次奈米之精準度(為金原子半徑的範圍)是必要的。不過，要在整合及組裝過程中有如此精確之生產精準度幾乎是不可能的。 測量微電子元件精準度及定位精準度的儀器需有奈米等級之解析度，並且需具有極精準之品質控制系統，如原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)或3D光學顯微干涉儀(3D Optical Profiler)或整合於生產製程之光學儀器。以奈米機器人(Nanorobotics)進行整合與組裝是精準的，但是若沒有相關的感應器及自動化的程序，此一方法將是不可能達成的。因此，量測儀器提供了另外可能的解決辦法。這些系統使用AFM、光感應器或者這兩個的結合；並且可以整合到生產線或者組裝成獨立式儀器應用在計量實驗室。這些儀器可量測物體表面上之粗糙(Roughness)、外形輪廓(Profile)、形狀、表面形貌(Topography)、橫向尺寸(LateralDimension)、膜厚度、彎曲(Bow)及翹曲(Warpage)、總厚度之變異(TTV)，或者機械特性等等。其量測範圍表現可達9個級數之量測尺度，從奈米尺度到米尺度。 動機 表面的結構和粗糙度的檢測在技術上是具有相當的關聯性，在元件及完成結構之表面對這些量測需求也日漸的增加。特別當奈米技術已經成為一系列完整的新工業時，品質上的要求和全球競爭將更加速此一趨勢。如在組裝和整合這個正日益成長的領域中，量測微電子在原子尺度之表面粗糙度將可以達到產品尺寸上之挑戰。為了建立一個完整的真實系統，完整的中上游原物料供應工業是需要的。為建立一個完美的原物料供應工業，測量這些尺寸之規格和儀器方面的標準必須先建立起來，如形貌、粗糙和輪廓均必須以非破壞方式精確地測量。因為現有的程序並不適合於這些相關的尺寸量測，現行的ISO標準並無法滿足這些需要，因此針對奈米應用所定義的新特性數據是需要先建立起來。量測儀器如觸覺輪廓分析儀(Tactile Profilometers)、干涉差顯微鏡(Confocal Microscope)、或3D干涉儀(3D Interferometers)是無法同時滿足在3D高動態範圍、非破壞性量測方式及計量量測等需求下達到高解析度量測之目的。其問題包括︰輪廓分析儀對2D評估的限制在低解析度、破壞性測量、不佳之深寬比(Bad Aspect Ratio)、3D干涉儀對計量量測的限制為不佳之物體邊緣測量表現、小的觀察視野、干涉差顯微鏡較差之高度解析度及X-Y測量範圍等等。 填補奈米尺寸量測之落差 即使有AFM的高性能配備，也無法填補在最新型的工業計量和奈米應用範圍之尺寸量測缺口；這些也間接地限制了實驗室和一些高科技公司在AFM上的應用。裝設有壹組色彩光感測器和壹套AFM所製造之量測儀器已被開發出來*。沒有改變測量裝置，色彩光感測器可依工業應用之目的測量完整的元件部分，而AFM可容許在表面特定的位置以奈米之解析度來進行量測。光感應器容許迅速和準確地在樣本上進行表面形貌量測，使用精密的X-Y掃描平臺，量測範圍將可從200 x 200微米到600 x 600微米，其中感應器之X-Y掃描平臺之解析度是1微米。而Z軸範圍可選擇從300微米到25毫米，其最大之垂直解析度是3奈米。光感測器配合一定位照像機，可用以定義掃描區(圖一)。光感測器被安裝在一個馬達驅動的線性軸承上，可以以自動設定的方式將光感測器移動到所需之測量範圍。並使用色差之物理效應製造色彩編碼量測頭(Chromatic-Code Measuring Head)，藉由此色彩編碼量測頭，感測器在沒有裝置任何可移動之機械元件下均可進行準確的高度量測。 光學原理 來自白色光源的光經由光纖傳到測量頭。沿著光軸一個符合顏色波長的焦距點，在Z軸方向指出一特定的高度值。在被測物體表面上，存在有一單一波長的對焦光點。對於這波長，反射光之光譜顯示出最大量的範圍。利用光譜評估檢測出最大的波長，藉此測量出樣品之X-Y位置之相對高度。並在X-Y平面沿單一方向掃描以快速獲得樣品之表面形貌，並使用被動、細小及光測量頭，在X及Y軸方向，以取得3D表面形貌。特別值得一提的是，在感測器內沒有裝置任何可移動之機械元件，且尺寸量測與材料特性沒有關聯；而且每次測量過程中均可執行全範圍測量，此一穩健之測量系統適用於量產與實驗室儀器規格之需求，其操作範圍可從4.5毫米到20毫米。 原子力顯微鏡(AFM) AFM之掃描範圍在20 x 20微米和80 x 80微米，Z軸範圍從2微米到6微米，且AFM之解析度小於1奈米。AFM被安裝在一個單獨的軸上，可允許AFM 測量頭進行單獨運作。被量測樣品放在X-Y掃描平臺上，以定位照像機定位，或者用之前的表面形貌記錄資料，並配合光感測器定位，以移動至AFM測量頭下之確切位置。 AFM可裝配各種類似磁力之模組，如側向力(lateral force)、力調變(force modulation)、相位移(Phase Shift)、表面電位(Kelvin Probe)和原子力聲學顯微術(atomic force acoustical microscopy，AFAM)。其中AFAM可應用來探索物體表面之機械特性和彈性係數(elastic modulus)。 在AFM量測過程時，掃描平臺被固定住且安置在花崗岩平臺下，兩台感測器可被安裝在一堅硬、手動可調整的滑座以適應較厚樣品之量測。在使用於特定掃描範圍時，多感測器計量儀器的校驗是重要的，但兩台感測器必須分別校驗。為了校驗AFM，我們採用已知之AFM 標準。這些標準包括格網座標系統(Grid Coordinate System)，並以10微米之間隔進行AFM X-Y 掃描器校驗，以決定在AFM掃描區域和光感測器光點間之補償值(offset)。以干涉儀校驗色彩感測器，這些先會在工廠進行校準，並且採用精密塊規(Gauge Block)或高度校準標準進行確認檢查。採用Heidenhain光學尺(Heidenhain Glass Scale)定刻度後，並利用一個封閉迴路控制此量測設備之X-Y平臺。整個平臺使用的範圍高度變異值控制是優於1微米。藉由儀器在光學平面(Optical Flat)上進行參考平面之測量，及扣除此零視差平面(Zero Plane)，我們將可以獲得高度量測值之再現性。如此高精密的平臺可容許在整個範圍內移動以進行計量量測。 焊錫凸塊(Solder Bumps) 圖二顯示焊錫凸塊陣列在一完整之25 x 25毫米元件上。3D表面形貌量測提供整體架構之全貌，包含全部描述此元件之必要訊息。因此可以量測出一高解析度之表面形貌，以及焊錫凸塊頂部之細節。為了估計焊錫凸塊的高度和直徑，可採行2D之表面形貌量測，這些均可提供表面上全部特徵之精確數據。焊錫凸塊之表面形貌量測解析應用的另一個重點是基板翹曲問題。這裡，焊錫凸塊可由軟體設定忽略之，以取得基板之原始表面形貌。當焊料凸塊高度是大約37微米，Z軸方向之翹曲尺度約是3微米時。我們可以利用凸塊共平面度的訊息，包含基板之翹曲量，來進行完整元件之功能性量測檢查。 組裝 此技術的另一個應用領域是厚膜技術。印刷電路板是電子應用之必要部份。全部基板材料都是具有相關性的，特別是陶瓷基板。此計量量測儀器的主要優勢之一是具有測量陶瓷之明、暗的表面，或者透明表面的能力。 印刷電路板的關鍵特徵包括階梯高度(Step Height)、結構的寬度，以及連接點之表面形貌。基板的粗糙度和缺陷的鑑定扮演一重要的角色。全部這些皆可手動完成或者自動化完成。 寬廣的動態測量範圍 大多數的表面計量儀器無法測量粗糙度和平坦度，並且未被設計以應用於各種模式。一台新的儀器設備**已被開發用以能夠執行高解析度3D量測、或者整個樣品之單一高解析度表面形貌。但如果解析度無法滿足應用要求，將AFM整合應用在相同的系統內，即可達到所有要求奈米解析度之操作模式。針對AFM 測量之取樣定位可藉由定位照像機，或者以前之光感測器量測來執行，如此可迅速而確切地發現AFM之檢測點。 在晶圓上之透明膜 混合高分子聚合物沉積在晶圓上形成晶圓上之透明薄膜。當薄膜部分被除去時，薄膜厚度可由整面晶圓表面及在晶圓上薄膜之表面形貌來決定，依其高度差我們可以得知薄膜厚度。傳統之接觸尖針測量系統，因為其採用機械接觸技術及表面柔軟擦刮方式來量測，不合適於這應用。而採用干涉差顯微鏡、自動對焦，或三角檢核感測器(Triangulation Sensor)之非接觸性及光學測量系統也無法有效應用於薄、透明之薄膜厚度量測，因為來自薄膜上表面和薄膜下表面的反射光不能被分別量測。 使用的感測器測量從每個薄膜表面反映出的光線，並且決定兩光線每一波長之干涉。在應用多感測器的計量儀器，干涉測量(Interferometric)可量測出高解析3D薄膜厚度圖。這種結合薄膜厚度及表面型貌量測技術，將可獲得小區域之高解析度厚度量測。 PCB、PGA、晶片以及焊墊 整個後段製程(back-end process)，包括構裝到整合，需要相同的作業測量作業。對凸塊，導電層及鍍層，最重要的問題是階梯高度(Step Height)、共平面度、曲面及翹曲資料總是從平面度(Planarity)量測中被扣除。採用此儀器可經由軟體功能選擇在各種模式下之收集數據，並可以得到大面積、高解析度之表面形貌量測以及3D掃描，以提供所有在PCB，PGA、晶片以及焊墊等作業之應用需求(圖三)。 結論 光學量測的主要優勢為非破壞性、高量測速度、且具有寬廣之測量範圍。這些儀器皆可適用於操作員之自我測試、實驗室應用或者整合於生產線上。在這裡我們結合AFM 技術並提供最高的解析度，且具有寬廣的動態測量範圍，特別是在Z軸方向。此外，若能夠結合各種工具我們也將可以在個別的應用上獲得最佳性能表現。SST-AP/Taiwan * 美國的FRT ** FRT MicroProf 圖一：具有色彩光感測器和AFM功能之量測儀器。 圖二：焊料凸塊之表面形貌量測解析應用。