L'ispezione del wafer rappresenta un processo fondamentale nel settore dei semiconduttori inerente l'individuazione dei difetti su un wafer. In termini semplici un wafer rappresenta una sottile sezione di materiale semiconduttore (es: il silicio) utilizzato per realizzare circuiti integrati (denominati IC o chip) nei quali sono montati circuiti elettrici.
I chip di semiconduttori sono componenti essenziali dei dispositivi elettronici come automobili, computer portatili, apparecchi elettrici e smartphone, pertanto i wafer sono prodotti velocemente in numero considerevole. Per soddisfare la richiesta, l'ispezione dei wafer deve essere veloce, precisa e ripetibile.
Quindi come possono i produttori a migliorare le proprie procedure di controllo qualità nell'ispezione di wafer?
Uno dei modi per ottimizzare il processo di ispezione di wafer è quello di scegliere la combinazione ottimale di apparecchiature. Combinare un microscopio per l'ispezione di wafer di semiconduttori con un intuitivo software di analisi metrologica di immagini permette di semplificare il flusso di lavoro e di risparmiare tempo. Questo post tratta come ottimizzare la configurazione e il flusso di lavoro del microscopio per ispezionare il wafer e analizzare i difetti.
Suggerimenti per scegliere l'apparecchiatura di microscopia e il software per l'ispezione di wafer
La produzione di wafer rappresenta un processo complesso. Questo processo include la creazione dei circuiti, l'ossidazione dei wafer, il rivestimento in fotoresist, la stampa di pattern, il trattamento etching, la diffusione di impurità e la planarizzazione. I difetti possono comparire nei prodotti finali in una di queste fasi. I comuni difetti includono rivestimenti irregolari, impurità e circuiti guasti.
I difetti di wafer possono impedire il corretto funzionamento di circuiti elettrici, pertanto l'ispezione di wafer rappresenta una fase fondamentale per assicurare la qualità del prodotto nel processo produttivo. Con difetti rilevabili solo a una scala micrometrica, per l'ispezione non distruttiva di wafer vengono spesso usati i microscopi ottici. È possibile osservare chiaramente la superficie del campione mediante diversi metodi di osservazione e obiettivi. Inoltre è possibile documentare i risultati per ulteriori analisi o per riferimento futuro.
I microscopi dotati di tavolini motorizzati e di software di navigazione di wafer velocizzano queste operazioni. È necessario orientarsi su microscopi ottici con una tecnologia di misura veloce di immagini, combinando un hardware avanzato e un software di analisi.
L'hardware scelto dipende dal tipo di applicazione realizzata. I microscopi di ispezione di wafer di semiconduttori supportano wafer di 4", 8" e 12". Per esempio il nostro microscopio MX63L è dotato di un ampio tavolino in grado di gestire wafer di dimensioni massime di 12".
Figura 1. Microscopio MX63L per l'ispezione di wafer
I microscopi di ispezione di wafer possono essere combinati con diverse fotocamere digitali e fotocamere a infrarossi a alta risoluzione. In combinazione con gli attuali software di metrologia i microscopi di ispezione di wafer possono:
- Acquisire in diversi punti immagini di wafer a alta risoluzione a livello submicrometrico
- Eseguire misure
- Fornire valutazione conforme/non conforme (OK/NOK)
- Salvare tutti i dati
Alcuni sistemi assicurano anche una ripetibilità e una precisione di misura garantite in modo da ottenere dei risultati affidabili.
Esecuzione di un'efficiente ispezione di wafer mediante predefiniti flussi di lavoro
L'automazione rappresenta un'altra importante funzionalità per un'ottimizzata configurazione dell'ispezione di wafer. Visto che le ispezioni metrologiche sono in genere realizzate su un wafer in specifiche posizioni, l'automatizzazione di questo processo migliora considerevolmente l'efficienza di ispezione. Tuttavia, nella fase di configurazione dell'automatizzazione, la parte più esigente in termini di tempo è rappresentata dalla programmazione del software per l'esecuzione di ispezioni ripetute.
Al momento della scelta del software di metrologia è consigliabile sceglierne uno che offra dei flussi di lavoro predefiniti. Questa funzionalità permette di definire un'ispezione automatizzata in modo veloce e semplice. Inoltre assicurarsi che l'hardware scelto possa definire le posizioni di ispezione in modo veloce e preciso. Per esempio questa configurazione ottimizzata può essere realizzata combinando il nostro microscopio MX63L con il software di acquisizione di immagini e misure PRECiV™.
Tipi di ispezioni automatizzate di wafer
Le ispezioni automatizzate di wafer possono essere definite in diversi modi in funzione delle informazioni disponibili. Di seguito sono riportate due opzioni:
1. Ispezione di wafer con una struttura di wafer nota
I produttori in genere possiedono i file degli schemi di progettazione dei wafer nei quali sono riportate le strutture 2D su diversi chip. Nei file CAD è perfino possibile salvare le informazioni delle altezze Z per ogni punto di uno schema della struttura 3D. Questo file può essere usato per creare una mappatura di navigazione del wafer, nel caso in cui si utilizzi un software di metrologia in grado di consultare questo tipo di file. Per effettuare questa operazione, aprire il file con lo schema del wafer nel software CAD e definire i punti di interesse nel chip. Salvare le informazioni e trasferirle nel proprio software di metrologia.
Numerosi attuali software di metrologia può leggere i file CAD (es: file DXF) e trasferire i punti definiti dall'utente, come illustrato nella seguente Figura 2a. In questo esempio le linee verdi rappresentano la struttura del circuito nel wafer. Le indicazioni del wafer (ingrandite: ×, + e o) sono usati per allineare il wafer (in alcuni wafer sono riportate solo un paio di indicazioni oppure sono in ordine inverso). Notare che un terzo punto di riferimento opzionale nel wafer permette di eseguire la correzione dell'inclinazione.
(a)
(Attiv. B-scan)
Figura 2. (a) Esempio di schema CAD di un wafer e (b) immagini acquisite mediante un microscopio MX™ e il software PRECiV nelle posizioni definite nell'immagine (a).
Gli utenti devono confermare le due o tre posizioni dei punti e la messa a fuoco nel software ogni volta che viene caricato un nuovo wafer. In seguito il software azionerà il tavolino motorizzato per spostare tutti i punti di misura predefiniti (punti rossi nella Figura 2a) per acquisire immagini a fuoco o eseguire analisi live. La Figura 2b mostra le singole immagini che l'hardware e il software hanno acquisito. Hanno praticamente lo stesso aspetto visto che i punti di interesse sono nelle stesse posizioni su diversi chip.
Gli utenti possono facilmente modificare le posizioni nel file di definizione originale e trasferire il file aggiornato nel software di metrologia per modificare il processo di imaging. Scegliere un fornitore di software di metrologia che possa assicurare supporto nel regolare e verificare tutti i file CAD in modo che il software possa gestire lo specifico flusso di lavoro di ispezione dell'utente.
2. Ispezione di wafer con posizionamento basato su righe e colonne
Per gli utenti sprovvisti di uno schema CAD della struttura del wafer, alcuni software di analisi delle immagini integrano un flusso di lavoro di misure ripetute e con posizioni multiple. Un esempio è rappresentato dalla soluzione personalizzata Navigate on Wafer del software PRECiV. Questa soluzione definisce la struttura del wafer e permette di raggiungere diversi punti del wafer per l'acquisizione di immagini. La Figura 3 mostra un esempio specificando diverse aree del campione.
Innanzitutto la struttura del wafer (offset del chip per x e y) e l'allineamento possono essere definiti attraverso tre specifiche posizioni del chip. Gli utenti devono prender ein considerazione le strutture ripetute (punti blu nella Figura 3) in diversi chip come (3,3), (3,8) e (7,8).
Figura 3. Schema di un campione di wafer. La definizione della struttura è basata su righe e colonne mediante tre chip (punti blu). I definiti punti di interesse (POI) sono rappresentati dai punti rossi (a sinistra). Le immagini del campione (a destra) sono mostrate in rapporto ai punti di interesse.
Le esatte coordinate di ogni chip saranno definite in base al sistema di coordinate. In seguito gli utenti devono definire un elenco di chip e di punti di interesse per chip. Questo include la determinazione di specifiche posizioni nel chip e obiettivi per l'acquisizione in base ai punti di interesse (10X, 20X, 50X, ecc.), scegliendo se applicare l'autofocus in ogni posizione. Le configurazioni saranno acquisite con tutti i successivi spostamenti automatici nelle diverse posizioni del chip.
Per vedere il funzionamento della soluzione Navigate on Wafer, guardare il seguente video:
Analisi di difetti su wafer vuoti
Il controllo della presenza di impurità nei wafer vuoti (senza circuiti) rappresenta un altro importante tipo di ispezione. Questa ispezione può risultare complessa visto che il microscopio deve acquisire e il software deve elaborare numerose immagini. Le veloci funzionalità software di acquisizione delle immagini a posizioni multiple agevolano l'esecuzione di questa ispezione.
Per rilevare le particelle alcuni software di metrologia permettono agli utenti di configurare una soglia di fase per identificare le impurità. Inoltre possono essere configurate altre soglie di rilevamento delle particelle come quelle relative alla forma e alle dimensioni. Contemporaneamente al rilevamento delle impurità possono essere effettuate operazioni di analisi della fase, conteggio delle particelle e distribuzione delle dimensioni. La Figura 4 mostra un software di metrologia mentre rileva impurità su un campione contaminato visualizzandoli successivamente in un foglio Excel.
Figura 4. Un'immagine istantanea di un campione di wafer vuoto mostra le impurità nel software PRECiV. Acquisizione dell'immagine mediante un microscopio MX e una fotocamera monocromatica Evident.
Un altro motivo per cui l'ispezione di wafer risulta lenta può derivare dall'elevato numero di immagini che deve essere acquisito. In effetti l'acquisizione separata di immagini, la loro elaborazione in successione e la loro registrazione risulta una procedura lenta e inefficiente. Ognuna di queste operazioni è dispendiosa in termini di tempo, la registrazione delle immagini necessita uno spazio considerevole e l'impegno dell'operatore è notevole. Inoltre, in determinate condizioni (es: misure ripetute) le immagini appaiono simili. Gli utenti sono interessati solo alle immagini che contengono dati significativi, pertanto raramente è necessario registrare tutte le immagini.
Gli attuali software di metrologia possono combinare l'acquisizione con allineamento di immagini multiple con l'elaborazione di immagini live (analisi della fase) per il rilevamento di impurità sulla risultante immagine sottoposta a stitching. Un tipico flusso di lavoro include le seguenti fasi:
- Caricamento di un wafer
- Esecuzione del processo di acquisizione con stitching
- Definizione di una soglia
- Attivazione del pulsante di rilevamento delle particelle
Inoltre gli utenti possono definire alcuni criteri di conformità in modo che il software possa valutare quali particelle considerare.
Figura 5. Rilevamento di particelle su un'immagine sottoposta a stitching di un wafer contaminato considerevolmente (a sinistra). A destra è riportata una sezione ingrandita dell'immagine con le informazioni tabellari.
La precedente tabella nella Figura 5 mostra i risultati di rilevamento live delle particelle sull'immagine sottoposta a stitching. Se il microscopio è dotato di un tavolino motorizzato, cliccando su una particella nell'immagine oppure cliccando sui risultati della tabella il tavolino si sposterà per posizionarsi sulla specifica particella, in modo da confermare il rilevamento del software. Per facilitare il rilevamento di particelle di grandi dimensioni ogni colonna della tabella può essere ordinata.
In alternativa alla classica analisi basata sulle soglie, può essere utilizzato il metodo deep learning per velocizzare il rilevamento di particelle su wafer, assicurando una maggiore riproducibilità e affidabilità dell'analisi. Per maggior informazioni su come il deep learning permette di effettuare l'analisi delle immagini in modo più facile e preciso, è possibile riferirsi al nostro post The Potential of AI-Based Image Analysis in Metallography and Materialography.Il potenziale dell'analisi di immagini basata sull'IA nell'ambito della metallografia e della materialografia.
Efficientare il più possibile l'ispezione di wafer
I produttori di wafer di semiconduttori continuano a cercare modi per velocizzare i propri processi come il controllo qualità. Questo post dimostra che la scelta della combinazione ottimale tra hardware di microscopia e software di metrologia risulta importante per efficientare il più possibile l'ispezione. Le attuali funzionalità di facile applicazione come l'acquisizione di immagini a posizioni multiple, l'analisi in tempo reale e il deep learning, permettono di semplificare e velocizzare considerevolmente il processo ispettivo, assicurando ripetibilità e precisione. Personalizzare il software di analisi in rapporto a specifiche necessità relative all'osservazione e alla misura dei wafer permette di semplificare ulteriormente le ispezioni.
Contattare uno dei nostri specialisti se necessita assistenza per l'ottimizzazione del microscopio e del flusso di lavoro per l'ispezione dei wafer. Siamo qui per aiutarvi!
