新一代檢驗工具助力因應先進異質整合封裝挑戰
2022-06-15
作者
Stephen Hiebert、Kara Sherman、Janay Camp，KLA
檢驗和量測技巧提供製程控制所需的資訊，對協助顧客實現先進封裝創新與獨特的目標亦變得更關鍵。這些先進封裝流程的複雜性和價值不斷增加，因此製程控制解決方案對提升良率、製程偏離控管，以及品質保證方面至關重要...
半導體封裝技術的演進，為包括5G、物聯網(IoT)、人工智慧(AI)和自動駕駛等不斷成長的應用領域帶來莫大助力；異質封裝已存在多年，但其使用量在過去幾年驟升，以滿足日益增加的、對更複雜之功能和更低耗電量之需求。
異質整合可讓IC製造商在單一封裝中堆疊更多矽晶片，進而增加電晶體密度，使強大的功能透過結合具有不同技術和功能的晶片得以發揮。這項轉變影響了成品封裝設計，以及封裝內的裸晶(die)組裝，其中利用了多種技術，包括2.5D和3D裸晶堆疊，及扇出型封裝技術。
由於單一封裝內的裸晶數量不斷增加，封裝的整體價值也隨之上升，已知良好裸晶(KGD)原則變得更為關鍵。每顆裸晶必須先經檢查和測試，以驗證功能，然後再在新增至多晶片封裝。因此，我們看到對額外檢驗和量測步驟的需要增加，以實現高良率的異質封裝組裝。
整體而言，檢驗和量測技巧提供製程控制所需的資訊，對協助顧客實現先進封裝創新與獨特的目標亦變得更關鍵。這些先進封裝流程的複雜性和價值不斷增加(流程步驟更多、製程與導電層尺寸更小、整合裝置更多)，因此製程控制解決方案對提升良率、製程偏離控管，以及品質保證方面至關重要。
常見於前段製造的圖案化製程(微影製程、蝕刻、CMP)正導入封裝生產流程中，以滿足對更小功能尺寸和更複雜整合的需求，而這些流程步驟現正需要更高的精準度，以維持裝置的效能水平。對於高價值的先進封裝，必須盡早偵測出變異，以及在進料和出貨層面確保裝置與封裝的品質。
混合鍵合技術
混合鍵合(hybrid bonding)是一套為異質封裝應用提供直接連結多裸晶的互連技術。目前最普遍的裸晶連結方法是使用微凸塊，但為了追求更高效能，互連間距縮小的需要亦相應提高，對使用混合鍵合、間距更精細之銅內連結的需求將會增加。混合鍵合經由緊密的銅墊，將裸晶垂直連接到晶圓，或將晶圓垂直連接到晶圓。
晶圓對晶圓的混合鍵合已用於影像感測元件多年，但業界大力推動加速開發裸晶對晶圓的混合鍵合。這項開發將進一步推動異質整合，其提供一個強大而靈活的方式，以直接連結不同功能、尺寸和設計規則的裸晶。利用混合鍵合技術的緊密銅互連，可提升電力效能與頻寬，而裸晶對裸晶座的直接連接，則允許較低的浮高及較薄的封裝大小。
混合鍵合元件的量測挑戰
銅混合鍵合的主要製程挑戰，包括表面缺陷控制以防孔洞、晶圓層厚度，以及形貌量測，連同奈米等級的表面軌跡控制，以支援強固的混合鍵合墊接合並控制頂部和底部裸晶上銅墊的對齊。隨著混合鍵合間距縮小，例如在晶圓對晶圓中小於2微米或在裸晶對晶圓中小於10微米，這些表面缺陷、晶圓形貌和表面軌跡，以及鍵合墊對齊的挑戰亦變得更顯著。
業界大舉利用裸晶對晶圓混合鍵合的關鍵優勢，該技術能實現不同尺寸的晶片異質整合，且因為可取得良好的頂部裸晶並置於良好的底部，可支援已知良好裸晶結合。但對於裸晶對晶圓混合鍵合，晶圓切割和裸晶處置會增加異物產生的額外來源，因此必須加以管理，部署額外的製程控制，以因應裸晶對晶圓的挑戰。
由於異物污染程度低得多，用於裸晶對晶圓混合鍵合的電漿切割因而成了眾家探索的對象。且發現接合溫度特性分析也是確保製程一致性的關鍵步驟。而KLA除具備各種先進流程控制和流程啟用解決方案，再加上於前段製程控制領域數十年來的豐富經驗累積，能協助客戶因應上述異質整合技術帶來的各種挑戰。
在預鍵合階段對專業製程和製程控制有一些關鍵要求，以確保鍵合牢固、均勻、沒有缺陷。 在製程上，KLA的SPTS Delta PECVD系統可以沉積具有良好熱穩定性和防潮性的低溫、高密度電介質(例如SiCN)薄膜，以提供無空隙的直接鍵合。
此外SPTS Mosaic電漿切割系統使用電漿蝕刻製程去除切割通道中的材料，能在不產生顆粒的情況下分離晶圓上的晶片。為驗證清潔度，Kronos 1190 晶圓級封裝檢測系統，能為後通孔蝕刻和後CMP製程步驟提供高靈敏度的缺陷檢測，確保無空隙鍵合所需的清潔表面。
良好的鍵合還需要最佳的銅/電介質凹面軌跡，這些可以使用Zeta-580先進封裝計量系統進行測量。最後，PWG圖案化晶圓幾何形狀計量系統可測量完整的晶圓形狀，以便監控和選擇最佳晶圓對以實現高質量的晶圓間鍵合。
接著使用KLA的SensArray EtchTemp和HighTemp無線晶圓溫度測量系統，可以保持鍵合製程步驟的均勻性，該系統允許原位溫度監測，從而在校準製程工具卡盤時提供了一種追蹤溫度曲線的方法。
在鍵合步驟之後，進行晶圓打薄、TSV和晶背RDL製程。SPTS Omega蝕刻系統、SPTS Sigma PVD系統和SPTS Delta PECVD系統在這些步驟中發揮著重要作用。由於這些製程中包含的特徵尺寸越來越小，因此對更高靈敏度的檢測和量測的需求也在增加。
Kronos 1190檢測系統通過在蝕刻前後、CMP步驟之後以及RDL圖案化之後識別TSV缺陷來提供缺陷監控。使用Zeta-580量測系統的測量可以量化整個晶圓的高縱橫比蝕刻深度變化，以識別不完整的TSV蝕刻，幫助控制減薄過程，並可以在最終的顯露蝕刻步驟後，驗證通孔顯露高度。
由於異質整合製程面臨多項挑戰，KLA 將繼續與客戶密切合作，幫助提供最佳化製程和製程控制解決方案，以實現更快的良率提升速度，以及更具成本效益的製造。
(本文由KLA供稿)
