книги / Оптические методы контроля интегральных микросхем

Изложенное 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

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

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

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

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

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

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