测试后检测提高管芯的成品率

为不同产品如LED 和MP3播放器生产的晶圆，在功能上相差很大，但它们有一个共同点：在通过一个电性能测试之后，还经常需要进行光学检测。

　　晶圆加工日益求助于自动光学检测（AOI）设备来定位缺陷，以便能够交付质量过关的管芯，同时提高产量。与目检不同，AOI 设备前后一贯地定位缺陷并进行分类，它还可以给工艺工程师提供跟踪和预防潜在问题的信息。

　　为什么闪存、LED或其它器件的晶圆会要求进行最后的光学检测? 毕竟，它们刚刚通过电性能测试来辨别不良器件。答案是，电性能测试仪无法辨认像刮痕、缺口这样的缺陷，而它们可能会在以后的产品生命周期中导致出现问题。

　　另一个原因是，电子测试仪本身就是问题的来源，因为当它们接触晶圆时，探针的移动可能会在晶圆上产生缺陷。单独的探针应该只接触键合焊垫，留下一个小标记（图1）。但是，随着半导体愈来愈小，键合焊垫也在变小，使得探针"击中"焊垫更加困难。

　　进行电性能测试时，轻微的偏移也会引起探针损坏焊垫周围的钝化物，从而使半导体暴露在破坏性的湿气环境中（图2）。如果探针以太大的角度击中焊垫，可能会刮掉金属，导致被封装的组件内部短路。

　　即使探针落在焊垫的中心，物理接触也可能会凿坏或刮擦焊垫，导致焊垫和导线之间连接不良。尽管导线-焊垫的连接足以让被封装器件通过最后的电性能测试，但以后在小应力作用下也可能会引起导线连接失效。

　　"在管芯分层封装的情况下，那些键合焊垫附着在其他组件上，" Rudolph Technologies公司负责数据分析和商业评估方面的副总裁和总经理Mike Plisinski说，"因此，如果你组装了5个昂贵的管芯，却没有发现其中一个管芯有焊垫缺陷，你就‘毁掉’了4个好组件，还浪费了一个昂贵的封装。"

　　为了避免这些缺陷， 在晶圆加工生产线上，探针标记检视 （PMI） 已经成为重要的后端步骤。大多数后端晶圆检视系统都会测定探针标记是否太大、探针是否有滑出焊垫或探针是否损坏了钝化物。检查探针标记的AOI 设备也能探测和测量异物、刮痕、聚酰亚胺分层、光致抗蚀剂残留物以及晶圆边缘缺口的大小（图3）。

　　除检查探针标记缺陷之外， 检测设备也能测量探针标记和焊垫边缘之间的距离，"如果探针接触了钝化窗口，就要丢弃该管芯，" Camtek半导体检测产品部门的副总裁Amir Gilead说，"在某些晶圆上，如果探针标记太靠近钝化物，也要丢弃该管芯。你不应该冒险，因为较大的探针偏移也会击中钝化物。"根据即将检测的晶圆类型，工艺工程师会预先调整探针和钝化物之间的阈值。

　　为完整地检测晶圆， 检测设备必须"学会"一个好的管芯看上去像什么和怎样发现键合焊垫。

　　虽然CAD 文件可以简化AOI系统的训练程序来定位管芯的特点，但工艺工程师通常没有那种类型的资料信息，根据Rudolph Technologies公司的Plisinski说法："即使工程师有那些文件， 他们仍必须用检测系统手工排列晶圆，因为在加工过程中，光刻图案可能在晶圆表面上轻微地移动了。因此，以Rudolph的NSX August检查系统卡盘上的晶圆为开始，工程师根据需要的指示文件选项，只要花几分钟时间检查一系列自动化设置步骤。"

　　然后，工程师根据键合焊垫的特点对系统进行编程。在晶圆扫描过程中，系统按照一种几何图案进行匹配，自动找到焊垫。"焊垫定位过程仅仅需要几分钟，"Plisinski说，"一些工程师对每一个焊垫进行标示，这样他们能够容易地跟踪探针标记特征或位置的变化。"

　　ICOS 视觉系统为每一种晶圆类型使用一份指示文件来设定WI-2000检测台。ICOS负责晶圆检测设备的产品经理Gert Sablon解释， 工艺工程师以一个示例晶圆开始，上面放置一个完好或接近完好的管芯。该管芯的图像作为比较参考图像并成为指示文件的一部分。指示文件也包含了其它类型缺陷的参考信息，比如缺口、刮痕等。软件将扫描的晶圆图像与参考图像进行比较，并将外观特征分到工艺工程师已经建立的缺陷类别中。

　　ICOS的研究与开发主管Carl Smets强调了在检测系统中合适的对准线的重要性，"如果你有切割好的晶圆，轻微的拉伸也可能会改变管芯的位置和方向——就像你在未被切割的晶圆上看到的一样。因此，为了正确检测晶圆，必须给每一个管芯进行精确的排列。"ICOS在其检测系统中使用可升级的DSP 处理器，与包含参考管芯图像的指示文件信息进行比较，来排列管芯的位置。

　　Camtek的Falcon 500的设定需要约15 分钟。该系统不依赖于已知合格的管芯，而是使用专利技术来扫描产品晶圆上的管芯，产生一个用于比较的"干净参考"图像。

　　"用户或工艺工程师无需提前知道哪一个晶圆或管芯是好的，"Camtek的Gilead解释道，"他们甚至可以拿带有缺陷的坏管芯，而仍然能够产生一个好的参考图像。最少5个管芯就可以提供干净的参考图像， 尽管工程师叙述说平均使用了7到9个管芯。当观察到横跨一个晶圆有比较大的色调变化时，工程师可以增加扫描的管芯数量。"工艺工程师可以确定"再学习"、更新以及调整系统处理各种变化的扫描过程的时间进度。

在学习阶段过后，操作员可以调整运行参数，如缺陷的大小和可接受的探针标记大小，"某些工程师可能想发现大于25微米的缺陷，"Gilead说，"因此，他们设置系统时会忽略25微米或更小的情况。工程师对检测标准有完全的控制权。"

　　缺陷分类

　　在检测系统获取管芯图像之后， 自动缺陷分类软件对缺陷进行分类。某一特定晶圆类型的指示文件，会包含它的缺陷类别和参数。

　　"缺陷类别取决于用户需求，"ICOS的Smets解释，"对于刮痕，可以作为一个长方形对象，以长度大于x、宽度大于y来分类。而对于凹痕，它是典型的圆形， 因此只有一个直径维度。工艺工程师结合位置、维度及光学对比等特征，与AND、OR、IF等逻辑运算一起对缺陷进行分类。"

　　测试后检测的经济利益体现在：在指定的时间内系统能够检测多少个管芯，以及系统软件产生多少"误报"（"误报"是指检测到的缺陷实际不存在）。

　　"工程师看到晶圆在卡盘上快速移动，认为速度就是一切，" Camtek的Gilead 说。公司的赢利很大程度上取决于一天能检测的晶圆数量，而不仅仅是扫描晶圆的速度有多快，因此产能计算必须包括设定时间和扫描速度。"比如说，设定系统A需要2个小时，设定系统B需要15分钟，"Gilead说，"如果一天检测3种类型的晶圆，则设定时间分别是6个小时和45分钟。即使系统A扫描速度比系统B快，但后者的效率可能更高。"

　　工程师还应注意对扫描速度和他们希望检测的缺陷大小进行平衡。假设设备扫描晶圆的速度是x个/小时，同时能够检测的缺陷大小比如是2微米。"检测系统无法同时具备二种能力，"Gilead提醒，"如果需要更高的解析度，或更高的放大倍数，以发现越来越小的缺陷，检测速度就要成比例减少。"

　　在检测运行结束时，软件确定出有缺陷的管芯，工艺工程师或操作员就能够"重新验证"那些缺陷。人们对缺陷进行再检查，将它们分为严重和不严重两类。

　　假设AOI 系统报告有20个不良管芯，其中只有3个有严重缺陷。您负担得起扔掉所有20个管芯的损失吗？大概不能。因此您会检查所有20个管芯，只扔掉那坏掉的3个。重新验证阶段不仅可以回收好的管芯，而且还能加强检测标准，这样在以后的检测中确定的"误报"缺陷会越来越少。但您必须在消除"误报"的好处，和收紧规格导致AOI软件漏报缺陷管芯的可能性之间取得平衡。

　　测试后检测的另一方面——从检查结果获得统计过程控制（SPC）信息——可以产生经济效益。根据这个定量的信息，设备操作员可以辨认和改正当前的问题。另外，工艺工程师可以分析长期趋势来确定，例如为何探针管脚偏移了对准线或偏移了键合焊垫的边缘。

　　"比如说，探针标记偏移到左边导致产生不良，" Rudolph Technologies的Plisinski说，"工程师看到这个趋势， 确定是哪个探测器导致的问题，并进行修正。或者他们可以使用SPC数据，用对准线指示文件来暴露问题。"

　　检测信息也可以让工程师"堆积"图像来寻找晶圆问题的走向。如果在许多晶圆的同一位置他们看到刮痕，SPC信息可以引导他们通过自动终端试验器模拟这个问题，Plisinski解释。

　　直到现在，您也许认为管芯的质量由最终电性能测试给出定论。虽然在最终测试台后面装上检测系统，会帮助剔除你不知道却已存在的不良管芯，但还是要保持测试过程可控，并减少现场失效。

　　附文：圆环是什么？

　　在切片过程中和切片之后，如果没有某类支持材料在适当的位置托住管芯，您无法将晶圆切成单个的管芯。这种称作晶圆贴装胶带的柔软材料，临时粘在晶圆的反面。其他处理步骤可能还需要那个管芯保留在适当的位置，用来测试、检测和封装。

　　为了使软胶带更具刚性，要将管芯-胶带组合物放置在一个小"圆环"上，再将较大的同心圆环压在小圆环上。在这个过程中，轻微拉伸胶带并使之看起来像鼓的顶部。暴露在紫外线下可以减少胶带的粘附力，单个的管芯就会松开来。

　　附文：也需要测试前检测

　　某些公司已经发现进行测试前检测的好处。在300mm晶圆上的尘埃微粒，经过长期积存，足够多的话，就会损伤微小的测试探针。实际上， 这些微粒"杀手"可以使生产线停线。大晶圆上一块损坏的探针板费用，总计比检测设备的费用可能更多。

　　"对测试前检测的需求让人惊奇，"Camtek的Gilead说，"在Class-100或Class-1000的洁净室，您可能认为晶圆上的尘埃微粒不会引起关注。但即使在受控环境里，微粒‘杀手’偶尔也会出现并酿成大祸。简单的检测可以防止灾祸发生。"