eng
Выпуск #3/2012
В.Костюченко
Акустическая микроскопия: выявление скрытых дефектов в микроэлектронике
Акустическая микроскопия: выявление скрытых дефектов в микроэлектронике
Просмотры: 3925
Важным преимуществом акустической микроскопии является ее способность обнаруживать скрытые дефекты в образцах, которые могут возникнуть в процессе производства. При использовании акустической микроскопии анализ и выявление дефектов, таких как расслоения, пустоты и трещины становится более эффективным, чем при любом другом методе проверки. В представленной статье читатели смогут познакомиться с акустической микроскопией, получить представление о принципе ее работы, а также о методиках поиска дефектов с помощью этого метода.
Теги: acoustic waves delaminations internal defects nondestructive testing voids акустические волны внутренние дефекты неразрушающий контроль пустоты расслоения трещины
Традиционно для обнаружения в изделиях скрытых дефектов используются разрушающие и неразрушающие методы контроля. Разрушающий контроль (РК) основан на приложении управляемого воздействия к образцу с последующим его разрушением. Например, качество микросварки проволочных выводов можно тестировать на отрыв соединения с помощью установки DAGE 4000Plus, доводя механическим усилием металлическую петлю до разрушения. РК делает тестируемое изделие непригодным для дальнейшего использования и связан, как правило, со значительными затратами, а результаты его характеризуются определенной недостоверностью. По этим причинам на стадиях производства и эксплуатации более предпочтителен неразрушающий контроль (НК), причем при его использовании информацию о внутренней структуре образца получают без механических воздействий.
Провести НК, как правило, достаточно просто, например, следует выбрать излучение, для которого объект прозрачен. В частности, тело человека прозрачно для рентгеновского излучения, металлы – для γ-излучения и ультразвуковых (УЗ) колебаний. Именно ультразвук широко применяется для НК. При его использовании важно правильно выбирать частоту и мощность излучения, создавать подходящие генераторы и преобразователи, корректно расшифровывать полученные данные. Методы НК можно разделить на две основные категории – поверхностного и объемного контроля.
Обнаруживать дефекты, выходящие на поверхность, позволяют поверхностные методы НК. К ним относятся магнитный, электромагнитный, электрический методы контроля, использование проникающих веществ. Однако для обнаружения внутренних дефектов в материале эти методы мало пригодны.
Для обнаружения внутренних дефектов материала используют объемные методы НК. Наиболее распространенные из них в микроэлектронике – УЗ (акустическая) микроскопия и рентгеновский анализ.
В акустических методах применяются упругие механические колебания, обеспечивающие распространение волн в твердой среде. Достоверность таких методов в 3–4 раза выше, чем радиационных, в которых используются электромагнитные колебания и волны. Акустическая микроскопия (АМ), не разрушая материал, позволяет обнаруживать физические недостатки объекта (трещины, пустоты, расслоения, пористость), образующиеся при изготовлении, тестировании и работе изделия (рис.1), причем АМ дает возможность определять также и его структурные изменения.
УЗ-волна, проходя через образец, может поглощаться, рассеиваться или отражаться. Она чувствительна к упругим свойствам материала, особенно к трещинам и воздушным зазорам. Это делает АМ предпочтительным методом обнаружения расслоений, трещин, пустот и пористости в микроэлектроники. Использование звуковой волны позволяет также послойно исследовать образцы на различных глубинах, визуализируя его внутренние особенности.
Лидер в этой отрасли – компания Sonoscan – первой начала применять АМ для неразрушающего контроля и анализа изделий микроэлектроники. Развиваясь с 1984 года, она вобрала передовой опыт в данной области, запатентовав технологию C-SAM. В дополнение к акустическому исследованию структуры и дефектов образца на различных глубинах метод часто используется для определения других свойств материалов – акустического импеданса, скоростей распространения и затухания волны.
На границе раздела между материалами УЗ-импульс разделяется на отраженную и пропущенную составляющие, причем, чем выше разница сопротивлений по такой границе, тем больше амплитуда отклика и значительнее контраст изображения. Некоторые отклики имеют отрицательную (перевернутую) полярность (рис.2), что в большинстве случаев свидетельствует о наличии расслоений, трещин и пустот.
Режим отражения
Технология C-SAM позволяет создавать изображения с помощью сфокусированного в пятно направляемого на образец и отражаемого от поверхностей раздела УЗ-импульса. Для каждой задачи частота импульса и дизайн линзы выбираются так, чтобы оптимизировать разрешение пятна и глубину проникновения. В режиме отражения для передачи и приема УЗ-импульсов используется преобразователь. Отраженное от препятствий в глубине образца эхо возвращается в разное время, свидетельствуя об особенностях материала (рис.3). Оператору, чтобы создать изображение на интересующей его глубине, достаточно выбрать соответствующий электронный строб-импульс.
Режим передачи
Подход основывается на том, что ультразвук передается по всей толщине образца. Поскольку воздушное пространство дефектов не может передавать его, потери сигнала указывают на наличие таких дефектов. Изменения в передаваемом сигнале также служат доказательством наличия в изделиях пространственных дефектов. Эти данные часто являются ключевыми в производственных процессах микроэлектроники и служат основой для внесения в них определенных изменений. Существует огромное число вариантов получения изображений (рис.4), причем, чтобы обеспечить более полную оценку и проверку дефектов, часто одновременно используется несколько режимов визуализации.
Например, оптимальный метод изучения ориентации различных слоев к поверхности образца – создание поперечного сечения (Q-BAM). Для поиска внутренних расслоений рекомендуется использовать сканирование слоя – C-Mode. Если требуется обнаружить в материале на неизвестной глубине пустоты, включения и другие неоднородности, подходит 3V объемное сканирование.
Пластиковые интегральные схемы (PIC) – образование пузырей и трещин
На рис.5 показаны пустоты и расслоения, обнаруживаемые при послойной томографии. Метод создания автоматизированного мультифокусного томографического изображения позволяет получить картину устройства во всех его точках, формировать трехмерную модель изделия (рис.6), проиводить поиск и диагностику вероятных дефектов.
Естественно, в работе представлена лишь малая часть областей, где эффективна АМ. Методы НК с ее использованием хорошо зарекомендовали себя в производстве МЕМС и светодиодов, при исследовании сборок кристаллов и BGA-микросхем.
Все представленные выше режимы исследования компания Sonoscan воплотила в цифровом акустическом сканирующем микроскопе высокого разрешения D9500 (рис.7) для НК и объемной визуальной инспекции изделий микроэлектроники. Микроскоп пригоден для контроля качества компонентов микроэлектроники на производстве и в научно-исследовательских работах. В частности, благодаря применению УЗ возможно исследование однородных материалов и корпусов ИС с большой толщиной стенок.
В целом важно отметить, что использование НК на всех стадиях изготовления, поверки и эксплуатации изделий микроэлектроники существенно повышает их надежность, причем современные технологии обеспечивают реализацию всего комплекса АМ, генерацию двух- и трехмерных моделей образцов, проведение статистического анализа их серий. Сертифицированные лаборатории Sonoscan по всему миру позволяют оперативно выполнять экспресс-анализ образцов, составлять отчеты и подбирать оптимальную конфигурацию оборудования и программное обеспечение для этих целей. Технологическая и сервисная поддержка специалистов компании "Остек" открывает новые возможности построения высокоэффективной акустической лаборатории для различных целей: от прототипирования и мелкосерийного производства до поточных высокоинтегрированных линий сборки изделий микроэлектроники.
Более подробно основные принципы работы используемых режимов акустического сканирования будут представлены в ближайших номерах информационного бюллетеня "Степень интеграции". ■
Провести НК, как правило, достаточно просто, например, следует выбрать излучение, для которого объект прозрачен. В частности, тело человека прозрачно для рентгеновского излучения, металлы – для γ-излучения и ультразвуковых (УЗ) колебаний. Именно ультразвук широко применяется для НК. При его использовании важно правильно выбирать частоту и мощность излучения, создавать подходящие генераторы и преобразователи, корректно расшифровывать полученные данные. Методы НК можно разделить на две основные категории – поверхностного и объемного контроля.
Обнаруживать дефекты, выходящие на поверхность, позволяют поверхностные методы НК. К ним относятся магнитный, электромагнитный, электрический методы контроля, использование проникающих веществ. Однако для обнаружения внутренних дефектов в материале эти методы мало пригодны.
Для обнаружения внутренних дефектов материала используют объемные методы НК. Наиболее распространенные из них в микроэлектронике – УЗ (акустическая) микроскопия и рентгеновский анализ.
В акустических методах применяются упругие механические колебания, обеспечивающие распространение волн в твердой среде. Достоверность таких методов в 3–4 раза выше, чем радиационных, в которых используются электромагнитные колебания и волны. Акустическая микроскопия (АМ), не разрушая материал, позволяет обнаруживать физические недостатки объекта (трещины, пустоты, расслоения, пористость), образующиеся при изготовлении, тестировании и работе изделия (рис.1), причем АМ дает возможность определять также и его структурные изменения.
УЗ-волна, проходя через образец, может поглощаться, рассеиваться или отражаться. Она чувствительна к упругим свойствам материала, особенно к трещинам и воздушным зазорам. Это делает АМ предпочтительным методом обнаружения расслоений, трещин, пустот и пористости в микроэлектроники. Использование звуковой волны позволяет также послойно исследовать образцы на различных глубинах, визуализируя его внутренние особенности.
Лидер в этой отрасли – компания Sonoscan – первой начала применять АМ для неразрушающего контроля и анализа изделий микроэлектроники. Развиваясь с 1984 года, она вобрала передовой опыт в данной области, запатентовав технологию C-SAM. В дополнение к акустическому исследованию структуры и дефектов образца на различных глубинах метод часто используется для определения других свойств материалов – акустического импеданса, скоростей распространения и затухания волны.
На границе раздела между материалами УЗ-импульс разделяется на отраженную и пропущенную составляющие, причем, чем выше разница сопротивлений по такой границе, тем больше амплитуда отклика и значительнее контраст изображения. Некоторые отклики имеют отрицательную (перевернутую) полярность (рис.2), что в большинстве случаев свидетельствует о наличии расслоений, трещин и пустот.
Режим отражения
Технология C-SAM позволяет создавать изображения с помощью сфокусированного в пятно направляемого на образец и отражаемого от поверхностей раздела УЗ-импульса. Для каждой задачи частота импульса и дизайн линзы выбираются так, чтобы оптимизировать разрешение пятна и глубину проникновения. В режиме отражения для передачи и приема УЗ-импульсов используется преобразователь. Отраженное от препятствий в глубине образца эхо возвращается в разное время, свидетельствуя об особенностях материала (рис.3). Оператору, чтобы создать изображение на интересующей его глубине, достаточно выбрать соответствующий электронный строб-импульс.
Режим передачи
Подход основывается на том, что ультразвук передается по всей толщине образца. Поскольку воздушное пространство дефектов не может передавать его, потери сигнала указывают на наличие таких дефектов. Изменения в передаваемом сигнале также служат доказательством наличия в изделиях пространственных дефектов. Эти данные часто являются ключевыми в производственных процессах микроэлектроники и служат основой для внесения в них определенных изменений. Существует огромное число вариантов получения изображений (рис.4), причем, чтобы обеспечить более полную оценку и проверку дефектов, часто одновременно используется несколько режимов визуализации.
Например, оптимальный метод изучения ориентации различных слоев к поверхности образца – создание поперечного сечения (Q-BAM). Для поиска внутренних расслоений рекомендуется использовать сканирование слоя – C-Mode. Если требуется обнаружить в материале на неизвестной глубине пустоты, включения и другие неоднородности, подходит 3V объемное сканирование.
Пластиковые интегральные схемы (PIC) – образование пузырей и трещин
На рис.5 показаны пустоты и расслоения, обнаруживаемые при послойной томографии. Метод создания автоматизированного мультифокусного томографического изображения позволяет получить картину устройства во всех его точках, формировать трехмерную модель изделия (рис.6), проиводить поиск и диагностику вероятных дефектов.
Естественно, в работе представлена лишь малая часть областей, где эффективна АМ. Методы НК с ее использованием хорошо зарекомендовали себя в производстве МЕМС и светодиодов, при исследовании сборок кристаллов и BGA-микросхем.
Все представленные выше режимы исследования компания Sonoscan воплотила в цифровом акустическом сканирующем микроскопе высокого разрешения D9500 (рис.7) для НК и объемной визуальной инспекции изделий микроэлектроники. Микроскоп пригоден для контроля качества компонентов микроэлектроники на производстве и в научно-исследовательских работах. В частности, благодаря применению УЗ возможно исследование однородных материалов и корпусов ИС с большой толщиной стенок.
В целом важно отметить, что использование НК на всех стадиях изготовления, поверки и эксплуатации изделий микроэлектроники существенно повышает их надежность, причем современные технологии обеспечивают реализацию всего комплекса АМ, генерацию двух- и трехмерных моделей образцов, проведение статистического анализа их серий. Сертифицированные лаборатории Sonoscan по всему миру позволяют оперативно выполнять экспресс-анализ образцов, составлять отчеты и подбирать оптимальную конфигурацию оборудования и программное обеспечение для этих целей. Технологическая и сервисная поддержка специалистов компании "Остек" открывает новые возможности построения высокоэффективной акустической лаборатории для различных целей: от прототипирования и мелкосерийного производства до поточных высокоинтегрированных линий сборки изделий микроэлектроники.
Более подробно основные принципы работы используемых режимов акустического сканирования будут представлены в ближайших номерах информационного бюллетеня "Степень интеграции". ■
Отзывы читателей
