根据一份报告，从
2020 年到 2024 年，全球半导体行业将增长 908 亿美元，其中最大的驱动因素之一是半导体封装技术的使用。
研究公司
Technavio 的预测显示，在此期间复合年增长率为 4%。 但是，由于半导体晶片的制造过程在数周内涉及数百个步骤，这种特殊的增长并非没有挑战。
如果在流程早期遗漏了任何缺陷，那么所有后续的时间和成本繁重的工作都将是徒劳的。
3D 测量系统供应商 Precitec 的销售总监 Jean-Francois Pichot 表示：“这些公司的目标是避免生产不良零件。 为此，他们需要进行质量检查，以避免因瓶颈而浪费时间和金钱。”
“在半导体行业，时间就是金钱。他们每小时生产的晶圆越多，收入就越高，而且他们使用的材料非常昂贵，所以他们不想报废坏零件。”这就是为什么光学计量设备现在是半导体生产中必不可少的工具。 根据电气和电子工程师协会 (IEEE) 的说法，预计未来两年器件特征尺寸将减少到 5 纳米以下。这意味着，IEE 其设备和系统国际路线图中说：“我们所知道的扩展预计很快就会达到其物理极限，或者达到成本和可靠性问题远远超过收益的地步。使用尺寸不断减小的新材料和工艺制造的复杂 3D 结构的使用预计也将在未来几年内加速发展。
IEE 表示，这意味着计量解决方案必须不断发展，以适应越来越多的技术。更重要的是，由于仪器通常以接近原子尺度的尺寸进行测量，因此它们的制造需要了解这些材料的特性以及进行测量所涉及的物理学。不仅仅是仪器制造过程需要监控，使用不同材料的半导体生产的测试、测量和监控也将需要不同的标准。
欧洲创新与研究计量计划 (Empir) 是作为欧盟研究与创新框架计划“地平线 2020”的一部分而开发的。它由 Euramet 联盟成员资助，支持测量机构、学术界和工业界之间的合作研究，以应对关键挑战并确保测量科学面向未来。
该联盟关于更好的
3D 芯片的新标准强调指出，为了解决处理能力和对更小设备的需求的接近极限，制造商正在组装芯片，其部件彼此叠置或堆叠。当然，这种额外的架构级别需要新的测量类型，例如，验证组件是否正确对齐，以便设备正常运行。
在去年发表的一项案例研究中，Euramet 解释说，虽然光学分析方法目前提供了最佳解决方案，但在此纳米尺度上进行精确测量所需的标准尚不可用。因此，在 Empir 项目下，德国国家计量研究院 (PTB) 使用先进的电子束光刻和反应离子蚀刻技术制定了标准，以实现最先进的 3D 显微镜表征。
表面具有纳米尺寸、锐边、圆形同心“环”，以已知的测量、间距或分布频率制成精确尺寸，每个凹槽之间形成几何图案，PTB 称之为“啁啾”。该图案旨在非常适合表征显微镜的仪器传递函数，该函数表示用于进行 3D 表面测量的光学仪器的横向分辨率。环的旋转对称图案旨在检测与角度相关的不对称性，它们的深度可反映仪器检测纳米级结构高度的性能，从而可以在纳米级准确评估光学测量。 项目完成后，光学测量系统供应商 Zygo 使用该标准评估其产品系列的性能，包括 3D 显微镜、传感器和精密光学组件。 凭借其 Nexview 先进的光学表面轮廓仪，该公司能够在指定的精度范围内测量新标准的挑战性特征。
半导体制造商受益于完全非接触式光学计量设备，以减少样品损坏的机会
(Zygo) Nexview
3D 成像和测量系统旨在为半导体分析提供交互式表面计量，具有多种测量，包括平坦度、粗糙度、大台阶和段、薄膜和陡坡，特征高度范围从 <1nm 到 20,000μm . 它具有 ISO 25178 表面测量参数和流线型设计，无需手动控制。
Zygo 认为，该标准的使用帮助公司改进了精细结构表面测量的结果。
产品经理 Eric Felkel 说：“提高高纵横比组件的测量精度将使人们更有信心使用光学显微镜快速、在线检测 3D 芯片以及其他使用亚微米组件的行业中的缺陷 .' 在开发用于半导体生产的光学计量系统时，供应商与客户密切合作以了解他们不断变化的需求非常重要。 Precitec 的 Pichot 认为这是至关重要的“OEM 定制对我们来说非常重要。我们与客户合作，可以定制探头以适应客户及其要求。”
可用技术的类型取决于生产过程的阶段，Pichot 解释说：“基本上有三个主要阶段，”他说。 '第一个是前端，在那里晶片准备制造，因此功能被构建到芯片中。然后，在某些时候将晶圆分成小组件，然后是封装阶段。这成为一个关键组件，所以他们需要非常不同但始终强大的传感器，可以集成到他们生产过程的每个阶段。
每个阶段都有许多较小的步骤。例如，在生产的前端是光刻，它允许将规格提供给芯片，然后对其进行抛光并使其达到正确的厚度。这是光学计量的关键点。 “晶圆的厚度需要在加工过程中进行监控，”他说。 Pichot 补充说，为了节省生产时间并防止错误，理想情况下这需要是一个自动化过程。 “如果仪器没有可以随时告诉你晶圆厚度的传感器，那么研磨过程就需要，时不时地检查一下，如果没有系统内编程，制造商可能会错过他们需要达到的目标厚度。 “通过使用我们这样的传感器，研磨效率会更高，因为它们可以随时判断厚度。只有在过程的最后几分钟，才需要降低研磨速度以获得正确的值，”Pichot 说。这有助于确保产品质量更加准确和可重复，而且还有减少材料浪费的额外好处。
光学计量学的进步允许分辨率高达 1μm 的非接触式在线检测 (Pretitec) 在光刻期间，掩模和晶片的微米级精确对准是必不可少的。一种方法是使用两个或三个彩色共焦和干涉式非接触式探测器探头来改变晶圆的平整度，以确保其在光刻工艺之前是正确的平整度。 '专业探头可以测量晶圆顶部的非常薄的层，以找到晶圆表面的位置并将顶面与晶圆表面分开。
Pichot 解释说，它可以达到一两个微米。
在厚度验证方面，半导体制造商面临的另一个挑战是市场对总厚度变化 (TTV) 或明确结构化表面的晶圆的需求不断增加。挑战在于不同的晶片厚度范围、不同的主要晶片材料，以及通常可能是恶劣的在线工艺环境——例如，如果由于研磨污泥而无法清晰地看到晶片。
“对于 TTV，晶片在处理后可能会看到从一侧到另一侧的一些信号变化，”Pichot 说。 “使用传感器，您可以仅从一侧以超高精度测量信号并绘制信号分布图。它可以告诉你“这里更薄，但这里更厚”，因为它可以检查各处的厚度是否在规格内。
“我们还开发了一种功能强大的扫描仪，可以极快地测量这种厚度变化，因为晶片不需要在传感器下方移动。映射可以准确地实现，并提供厚度，但也提供关于我们所谓的弯曲和翘曲的信息 - 一次通过的晶片形状。为客户节省时间。”
抛光处理 Pichot 指出，先进的光学计量设备也可用于在抛光过程中提供预防性维护，因为它可以帮助确定抛光垫的表面磨损程度。“抛光垫在抛光过程中与晶片接触，经过数小时的活动后，这些垫会磨损，直到需要更换。通过在刷牙机内部直接集成一个传感器，可以测量垫之间部分的深度，因此仪器点亮后以告诉用户需要更换垫。
当涉及到芯片或裂纹等缺陷检测时，专门设计的质量检测服务可能非常有用，这些缺陷检测在芯片与半导体晶片分离（切割）时可能发生。切割通常通过划线、折断、机械锯切或激光切割来进行。 “为了快速准确地解决问题，”Pichot 说，“光学传感器可用于检查晶片纳米级的粗糙度。我们可以测量使用激光后的深度。例如，我们可以使用先进的显微镜检测晶圆裂纹等问题。传感器还可以检查可能已应用于晶片的任何抗光涂层，是否已被移除而不会造成损坏。
由于半导体制造涉及如此多的步骤，并且随着新材料的不断推出，光学计量必不可少的应用几乎不完全清单。
其他应用包括晶圆级和焊料的测量和检查；芯片和晶圆键合；检查探针卡，甚至测量将芯片连接到封装的微小引线键合。 “在半导体行业，我们有很多客户，因此有很多有趣的应用，”Pichot 说。 “一旦我们开始，它真的很吸引人，我们可以实现很多事情。”
LBP关于镜子和光学元件的测量 作为光学制造商，我们必须能够在将镜头或反射镜发送给客户之前测量其所有光学特性。我们定期对反射镜和光学组件进行亚微米测量，因此需要确保我们拥有必要的内部计量和专业知识。
我们使用何种设备和测量技术，具体取决于光学元件的规格。
激光量热法 我们使用激光量热法来确定当高功率激光束通过光学器件时会在光学器件中产生多少热量——以测量“吸收率”或“吸收率”。过多的热量和光学元件会改变其特性甚至损坏。 使用内部设计，测量包括将光学元件暴露在激光束下并记录温升，然后在激光器关闭后随后温度下降。温度传感器是一个连接到放大器并由计算机记录的热电偶。温度上升的速度告诉我们激光功率被吸收的速度，冷却速度告诉我们光学元件向周围环境散热的速度——这也在加热阶段发生。了解这些热增益和损耗率、激光功率和光学器件的热容量后，可以计算吸收，通常以百分比表示。
对吸收率为 0.16% 的 ZnSe 高气压透镜进行吸收测量期间的温度与时间； 初始冷却、激光加热和最终冷却 干涉测量法 大多数光学镜面的规格涉及亚微米尺寸，太小而无法进行机械测量。对于我们的大多数光学反射镜，我们使用相移干涉仪来保证质量。通过干涉图的软件分析，我们的客户可以获得结果的硬拷贝。这表明已满足表面形状规范，例如功率和不规则性。我们还使用干涉测量法测量平面激光镜的楔形以确保平行度。
干涉测量法可用于使用干涉仪测量和对准光学组件，例如反射式扩束器或准直器。我们研究了光学元件的安装，观察了设计不当的安装座或过度的机械力可能导致反射镜变形。我们可以提供带有支架和内部水冷的镜子，通过干涉测量法证明组装的镜子没有变形。
3D 光学轮廓仪
用于镜面相位延迟的分析仪
这些布鲁斯特板与
CO2 激光器一起使用，由 ZnSe 制成，并以 67.4° 的入射角倾斜成“V”形结构，如下所示。
为了检查反射镜产生的相位延迟，分析器在反射光束中旋转，透射功率测量值以角度记录。
例如，如果测试镜是 1/4 波相位延迟器，则反射光束将被圆偏振，并且在所有角度测量的功率都相同。
光学表面形状测量
现在光学设计师越来越意识到现代机床的功能，他们越来越多地在他们的光学设计中使用复曲面、圆柱面和其他非旋转对称表面。对于我们的金刚石加工部门来说，让我们的客户和工程师相信所有图纸规格都已满足变得越来越重要。
Form
Talysurf PGI 光学触针式光学轮廓仪，当配备额外的“Y”台时，能够在 X Y Z 方向测量这些先进的表面——例如球面、衍射、菲涅尔和非球面透镜。
该数据用于生成表面的三维地图，并计算与设计规范的任何偏差。 |
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