用于半导体封装故障分析的仪器和方法技术

描述了用于铣削样品的脉冲激光仪器。该仪器包括：脉冲激光器、用于来自脉冲激光器的束扫描跨越样品的扫描头，以及用于将扫描束聚焦到样品上的F

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于半导体封装故障分析的仪器和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本PCT申请要求2020年8月28日提交的标题为“Apparatus and Method for Semiconductor Package Failure Analysis”的美国临时申请No.63/071,456的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]不断增加的半导体密度要求导致了被称为“先进封装(advanced packages)”的装置，其由容纳在单个封装内的多个集成电路组成。这些封装正在成为在单独的微电路上增加密度的优选替代方案。先进封装也被用于在需要具有更多功能的超薄封装的移动装置中。
[0004]与每个封装单个装置相比，在单个封装中集成多个管芯会引入不同的过程开发问题和故障模式。这些包括：由于与相互扩散和脆性形成相关联的冶金，硅装置之间的互连故障；经由绝缘套管的穿硅裂纹引起硅短路；装置中的应力引起装置分层，这是由于它们弯曲拉开堆叠的装置；过热；以及互连的偏差。在某些情况下，封装容纳(packaging houses)不是堆叠管芯，而是堆叠晶圆并在堆叠过程完成后进行切割。在这种情况下，距离晶圆堆中心的小偏差会朝向晶圆边缘变大。
[0005]识别上述许多故障模式的根本原因，需要对封装进行点横切。然而，许多传统的故障分析技术无法在大到50mm x 50mm以及6mm厚的先进封装中做出横截面。
[0006]例如，聚焦离子束(focused ion beam,FIB)(Ga或等离子体)的横截面深度不能超过几百微米，更不用说在先进封装中找到故障的根本原因可能需要的深度。宽氩束(Broad Argon Beam)工具缺乏在合理时间内产生长度>10mm以及深度>2mm的抛光区域的电流。当前唯一的解决方案是慢速、低损害的锯。然而，由于存在应力和不同材料，这种技术常常会产生分层和裂纹。
附图说明
[0007]图1A是示出脉冲激光样品烧蚀系统的一部分的框图；
[0008]图1B是示出图1A的脉冲激光样品烧蚀系统的另一部分的图；
[0009]图2是用于横切样品的示例性过程的流程图；
[0010]图3是用于横切样品的示例性过程的流程图；以及
[0011]图4是用于横切样品的示例性过程的流程图。
具体实施方式
[0012]本领域的技术人员将认识到可采用本专利技术的教导开发其他详细设计和方法。此处提供的示例是说明性的，并不限制由所附权利要求限定的本专利技术的范围。下面的详细描述参考附图。不同附图中的相同参考编号可识别相同或相似的元件。
[0013]图1A和图1B图示了根据本文所述的实施方式的仪器的框图，该仪器使用脉冲激光
器聚焦到先进封装样品的表面上并对其进行跨越扫描，目的是通过激光烧蚀移除材料以产生样品的横截面图。烧蚀后，样品可在显微镜(诸如X射线或电子显微镜)中成像，和/或通过光谱方法进行分析。图1A主要示出了脉冲激光部件，以及图1B示出了与操作样品相关联的部件。
[0014]参考图1A，顺着激光束路径中的主要部件：脉冲激光器10、衰减器12、“顶帽”束整形器14、束扩展器16和对准夹具18。脉冲激光器10可对激光功率、脉冲长度、重复频率和机械快门展示可变控制。脉冲激光器的类型包括固态锁模激光器、固态调Q激光器和光纤锁模激光器。脉冲激光器10还可经由倍频晶体支持多个波长。可选的顶帽束整形器14将高斯束轮廓转换为伪顶帽轮廓。顶帽束整形器可用于提高跨越样品表面的照明均匀性。如果激光器10对输出功率没有足够精细的控制，则可包括衰减器12。如果使用衰减器12，则未使用的光被偏转到束收集器和功率计22中。束扩展器16改变激光束轮廓的直径以匹配扫描仪的入口孔径，其在图1B中有详细说明。调整束直径也有助于确定在样品处的光斑大小。对准夹具18包括激光束对准的成组孔。如果束在激光器10处漂移，则可将其与对准夹具对准，并且对准夹具之后的其余束路径不必对准。图1中还示出了镜24、26、28、30和32，其布置为将激光束有利地定位到仪器中的各部件。
[0015]图1B示出了扫描平台100，来自图1中描述的部件的激光束进入对准夹具112。此对准夹具用作图2中的部件的参考点，因此一旦进入对准夹具112的束的定位需要被调整，则束随着此对准夹具112下游的所有部件对准。随对准夹具112后是圆偏振器114。圆偏振器114是将束从线偏振光转换为圆偏振光的波片。这对于烧蚀某些金属和其他在烧蚀速度和晶体取向之间具有依赖性的晶体来说是有用的。
[0016]在一些实施方式中，聚焦模块116可包括在束路径中。聚焦模块116包括可转换在样品处的激光束的焦点位置的机动光学元件。可使用聚焦模块116代替在样品处的机动z台(motorized z
‑
stage)。在聚焦模块116(或圆偏振器114，如果不使用聚焦模块)之后是相机模块118。如图1B中示意性所示，相机模块118包括分束器以将主要激光传到样品并将从样品反射的光偏转到在线相机(in
‑
line camera)120或可选的共焦检测器126或可选的光谱仪(未示出)内。相机模块118允许进行对样品的通过透镜成像，以及使用共焦检测器126和等离子体羽流的光谱进行可选的高度检测(当系统包括这些装置时)。
[0017]相机模块之后是扫描头122。扫描头122包括两个致动镜以在样品表面处沿正交方向扫描激光束。可替代地，扫描头可包括旋转多面镜。在扫描头122之后是F
‑
theta透镜124，其将激光束聚焦到样品表面上。F
‑
theta透镜允许保持跨越视场的聚焦的同时扫描激光束，然而，如果缩小的视场是可接受的，则可使用不同类型的透镜。
[0018]图1B还示出了五轴样品台210，样品放置在其上用以供该仪器进行激光烧蚀。在一些实施方式中，样品台210包括一机构，所述机构用以在过程位置、离线显微镜(off
‑
line microscope)位置以及装载位置之间移动样品。样品台210还将样品的不同区域移动到过程位置并且设置样品的高度使得感兴趣的区域在聚焦平面(focal plane)中。样品台210还可翻倒和倾斜样品。如所示，样品台210还可包括用于在烧蚀期间冷却样品的液体浴槽(liquid bath)220。浴槽中的液体可源于存储器和泵226。在烧蚀期间，来自存储器和泵226的流体可由循环泵222循环通过过滤器224。包括排烟器216用以安全地移除烧蚀的汽化产物，并可选地用于分析。可提供气体射流214以在切割期间移除烧蚀掉的材料。图1B还示出
了离轴光学显微镜(off
‑
axis optical microscope)300，其可以是光学显微镜或电子显微镜。在本专利技术的一实施方式中，5轴台210被定位成能够传送样品用以在显微镜300中观察。
[0019]根据本文所述的实施方式，激光束可保持本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于利用激光束铣削样品的仪器，包括：脉冲激光器，扫描头，所述扫描头配置为沿垂直于激光束的两个方向扫描所述脉冲激光器以产生扫描激光束，以及F
‑
theta透镜，所述F
‑
theta透镜配置为将所述扫描激光束聚焦到所述样品上。2.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述激光器以有限数量脉冲的脉冲串开启，并且其中，所述有限数量脉冲的脉冲串以固定重复频率重复。3.根据权利要求2所述的仪器，其中，重复的脉冲串中的每一个的长度在2和50个脉冲之间。4.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述脉冲激光器具有在1和50瓦之间的功率。5.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述脉冲激光器的波长在1050纳米(nm)和350nm之间。6.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述脉冲激光器具有在250飞秒和750皮秒之间的脉冲长度。7.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述F
‑
theta透镜配置为在样品处产生10微米和100微米之间的束斑大小。8.根据权利要求1所述的仪器，还包括：相机和分束器，所述分束器配置为将所述脉冲激光束传输到样品以及配置为将样品的图像传输到所述相机。9.根据权利要求1所述的仪器，还包括：用于浸没样品的液体浴槽，所述液体浴槽包括再循环系统，所述再循环系统包括过滤器以从液体移除气泡。10.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述再循环系统配置为维持以下中的一个：样品顶表面上方的恒定液位，或样品烧蚀表面上方的恒定液位。11.根据权利要求1所述的仪器，还包括：气体提取器，所述气体提取器配置为将等离子体羽流从样品的烧蚀引导到气体分析器。12.根据权利要求1所述的仪器，还包括：光检测器，所述光检测器位于样品下方以及配置为在所述脉冲激光束已经切穿样品之后感测所述脉冲激光束。13.使用脉冲激光器以在包...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：加坦公司，
类型：发明
国别省市：