走向零缺陷封装：X200通过100%检测提高硅光器件的良率

简介

为应对社会发展对人工智能和高性能算力的需求，芯片制造商持续研发新技术，以增加半导体器件的带宽并降低功耗。硅光器件有望克服铜互连的带宽距离限制，可作为下一代异构集成封装，进一步改善半导体器件的功率、性能，并降低成本。半导体封装复杂性的增加需要创新性的全方面检测工具，以保证复杂封装的质量和可靠性。

布鲁克公司研发上市的X200是一种全自动高速X射线检测工具，可以通过100%的检测覆盖率提高硅光学器件良率。高抽样量测策略对于缩短生产和测试周期、加速产品上市、提高整体良率至关重要。

检测方法

X200可在线量测关键的工艺参数，特别是最重要的凸块尺寸。较小的凸块2D投影尺寸与凸块拉伸增加有关，增加了非浸润缺陷的风险，如图1所示。通过测量这些凸块尺寸，X200不仅可以监测凸块高度，还可以监测晶粒倾斜和翘曲。图2显示了晶粒上凸块高度测量值，这些测量值用以计算晶粒翘曲和凸块非浸润缺陷。

X200系统采用了独特的X射线成像装置（如图3所示），同时具有高分辨率2D成像和高速大视场（FOV）。系统可以在一个小时内完成对300mm晶片的全面成像和分析，采集全部凸块信息，从而进行详细的晶圆分析，以识别晶圆上的各种不均匀性。与传统的方法相比，即通过物理故障分析（PFA）采样向生产线提供反馈的传统方法，X200把检测、分析和反馈的周转时间从几周显著缩短为几个小时。

进一步验证，对晶粒顶排的凸块进行了横截面分析。如图5所示，绘制的圆点表示该行中每个凸起的X200高度分析，并附有横截面图像。X200预测这一行中的所有凸起是非接触开口缺陷或者是高颈缩缺陷。该结论与PFA结果也呈现了高相关性。

通过100%覆盖的高速量测，X200还绘制报告出了晶圆级凸块高度分布图，如图6所示。该图清楚地识别了与非浸润缺陷相关的异常高凸起的区域，以及与桥接相关的异常短凸起的区域。

总结

X200采用在线量测来监测关键工艺参数，如晶粒放置、倾斜和翘曲，这些参数与非浸润凸点、桥连接等缺陷相关。在该研究中，X200对两个300mm CoW-Si晶圆片进行了全面量测，每片晶圆的量测用时40分钟显示了X200在线检测中的高速特色。X200成功定位了非浸润凸点，并通过PFA和Shadow Moiré等劳动密集型和成本较高的传统方法的检测结果验证了X200测得的晶粒翘曲结论的正确性。

除了对晶粒凸块的量测，X200的100%覆盖率量测还可以表征晶片不同位置的不均匀性。X200可实现高速、全面性量测，并将全片检测结果快速反馈到生产线，及时调整相关制程。X200把检测、分析和反馈的周转时间从几周缩短为几个小时。

本案例研究强调了布鲁克X200设备的高采样、高速量测策略对加快生产及测试周期、提高整体良率的意义和重要性。