JP2023553235A - 半導体パッケージ故障分析の装置及び方法 - Google Patents

Abstract

試料をフライス加工するためのパルス・レーザ装置が記載される。本装置は、パルス・レーザと、パルス・レーザからのビームを、試料を横切って走査するための走査ヘッドと、走査されたビームを試料上へ集束させるためのＦシータ・レンズと、を含む。本装置はまた、試料を水などの液体下でフライス加工するための液体バスを含んでもよい。パルス・レーザでフライス加工する方法も記載される。

Description

本ＰＣＴ出願は、開示全体が参照により本明細書に組み込まれている、２０２０年８月２８日に出願した「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐａｃｋａｇｅ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ」という名称の米国仮出願第６３／０７１，４５６号の優先権を主張するものである。

増え続ける半導体密度の要件が、単一のパッケージ内に収容された複数の集積回路からなる「高度なパッケージ」と呼ばれるデバイスをもたらしている。これらのパッケージは、個々のマイクロ回路の高密度に対する好ましい代替案になりつつある。高度なパッケージは、機能を強化した超薄パッケージが必要とされるモバイル・デバイスにも使用されている。

複数のダイを単一のパッケージに統合することにより、１パッケージにつき単一のデバイスと比較して、異なるプロセス開発の課題及び故障モードが発生する。これらは、相互拡散及び脆性相形成に関連する冶金によるシリコン・デバイス間の相互接続障害、シリコンへ短絡を引き起こすような絶縁体スリーブを介した貫通シリコンにおける亀裂、デバイスが曲がってスタック・デバイスを引き離すときにデバイスの層間剥離を引き起こすデバイスにおける応力、過熱、及び相互接続のずれを含む。場合によっては、パッケージ工場はダイを積み重ねるのではなく、ウェーハを積み重ねて、積み重ねプロセスの完了後にダイシングを行う。この場合、ウェーハ・スタックの中心からの小さなずれは、ウェーハの縁辺へ向かって大きくなる。

上記の故障モードのうちの多くの根本原因の識別は、パッケージを点断面にすることを必要とする。しかしながら、多くの従来の故障分析技法は、高度なパッケージに、５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさで６ｍｍの厚さである可能性がある断面を作ることはできない。

例えば、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ：ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ）（Ｇａ又はプラズマ）は、高度なパッケージで故障の根本原因を見つけるために必要とされる場合がある深さは言うまでもなく、数１００ミクロンを超える断面の深さはできない。ブロード・アルゴン・ビーム・ツールには、妥当な時間で１０ｍｍより大きい長さで２ｍｍより深い研磨領域を作るための電流がない。唯一の現在の解決策は、低速で低損傷のこぎりである。しかしながら、この技法では、応力や異種材料が存在するために層間剥離及び亀裂を発生することがよくある。

パルス・レーザ試料切除システムの部分を示すブロック図である。 図１Ａのパルス・レーザ試料切除システムのさらなる部分を示す図である。 試料を断面にするための例示的なプロセスのフロー図である。 試料を断面にするための例示的なプロセスのフロー図である。 試料を断面にするための例示的なプロセスのフロー図である。

当業者は、本発明の教示を採用して開発できる他の詳細な設計及び方法を認識するであろう。ここで提供される実例は例示的であり、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものではない。以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同一の参照番号は、同一又は類似の要素を識別してよい。

図１Ａ及び図１Ｂは、レーザ切除によって材料を除去して試料の断面図を作成する目的で、高度なパッケージ試料の表面上へ集束され横切って走査されるパルス・レーザを使用する、本明細書で説明する実施例による装置のブロック図を示す。切除後、試料はｘ線若しくは電子顕微鏡などの顕微鏡で撮像され、及び／又は分光法で分析できる。図１Ａは、主にパルス・レーザ構成要素を示し、図１Ｂは、試料の取り扱いに関連する構成要素を示す。

図１Ａを参照すると、レーザ・ビーム経路における主要構成要素に続いて、パルス・レーザ１０、減衰器１２、「トップ・ハット」ビーム整形器１４、ビーム拡大器１６及び位置合わせ取付具１８がある。パルス・レーザ１０は、レーザ電力、パルス長、繰り返し速度、及び機械的シャッタに対する可変制御を示してよい。パルス・レーザの種類は、固体モード同期レーザ、固体Ｑスイッチ・レーザ、及びファイバ・モード同期レーザを含む。パルス・レーザ１０はまた、周波数倍増結晶を介して複数の波長を支持してもよい。任意のトップ・ハット・ビーム整形器１４は、ガウシアン・ビーム・プロファイルを擬似トップ・ハット・プロファイルへ変換する。トップ・ハット・ビーム整形器は、試料表面全体の照明均一性を改善するために使用できる。減衰器１２は、レーザ１０が出力電力に対して十分に細かく制御しない場合に含めることができる。減衰器１２が使用される場合、未使用の光はビーム・ダンプ及び電力計２２内へ偏向される。ビーム拡大器１６は、図１Ｂに詳細に示される走査器の入射開口に一致するようにレーザ・ビーム・プロファイルの直径を変更する。ビーム径を調整することは、また、試料でのスポット・サイズを決定する助けとなる。位置合わせ取付具１８は、レーザ・ビームが位置合わせされる開口のセットを備える。ビームがレーザ１０でドリフトする場合、それは位置合わせ取付具へ位置合わせすることができ、位置合わせ取付具の後のビーム経路の残りは位置合わせしなくてもよい。図１にも示される鏡２４、２６、２８、３０及び３２は、装置において様々な構成要素へレーザ・ビームを有利に位置付けるように配置される。

図１Ｂは、図１で説明した構成要素からのレーザ・ビームが位置合わせ取付具１１２で入る走査プラットフォーム１００を示す。この位置合わせ取付具は、図２において構成要素の基準点として機能するので、位置合わせ取付具１１２に入るビームの位置が調整される必要があると、ビームは、この位置合わせ取付具１１２の下流の構成要素のすべてに関して位置合わせされる。位置合わせ取付具１１２に続いて円偏光板１１４がある。円偏光板１１４は、ビームを直線偏光から円偏光へ変換する波長板である。これは、切除速度と結晶配向との間に依存関係を有する特定の金属及び他の結晶を切除するために有用である。

いくつかの実施例では、フォーカス・モジュール１１６がビーム経路に含められてよい。フォーカス・モジュール１１６は、試料でのレーザ・ビームの焦点位置をずらすことができる電動光学要素を備える。フォーカス・モジュール１１６は、試料での電動のｚステージの代わりに使用できる。フォーカス・モジュール１１６（又はフォーカス・モジュールが使用されない場合は円偏光板１１４）に続いて、カメラ・モジュール１１８がある。図１Ｂに模式的に示されるように、カメラ・モジュール１１８は、一次レーザ光を試料へ通過させ、試料から反射された光をイン・ライン・カメラ１２０又は任意の共焦点検出器１２６又は任意の分光器（図示せず）内へ偏向させるビーム・スプリッタを備える。カメラ・モジュール１１８は、これらの装置がシステムに含まれる場合、試料のレンズ越し撮像並びに共焦点検出器１２６及びプラズマ・プルームの分光法を使用した任意の高さ検出を可能にする。

カメラ・モジュールに続いて走査ヘッド１２２がある。走査ヘッド１２２は、試料表面でレーザ・ビームを直交方向に走査するための２つの作動式鏡を備える。或いは、走査ヘッドは回転多面鏡を備えることができる。走査ヘッド１２２に続いて、レーザ・ビームを試料表面上へ集束させるＦシータ・レンズ１２４がある。Ｆシータ・レンズにより、レーザ・ビームは、視野を横切って焦点を維持しながら走査できるが、縮小された視野が許容される場合は、異なる種類のレンズを使用してよい。

図１Ｂはまた、試料が装置によるレーザ切除のために置かれる５軸試料ステージ２１０を示す。いくつかの実施例では、試料ステージ２１０は、プロセス位置と、オフ・ライン顕微鏡位置と、積載位置との間で試料を移動させる機構を含む。試料ステージ２１０はまた、試料の異なる領域をプロセス位置内へ移動させ、関心領域が焦点平面内になるように試料の高さを設定する。試料ステージ２１０は、試料を倒して傾けることもできる。図示されるように、試料ステージ２１０は、切除中に試料を冷却するための液体バス２２０も含んでよい。バス内の液体は、リザーバ及びポンプ２２６によって調達されてよい。切除中、リザーバ及びポンプ２２６からの流体は、循環ポンプ２２２によってフィルタ２２４を通して循環されてよい。煙抽出器２１６が、気化した切除生成物を安全に除去するため、及び任意選択で分析のために含まれる。ガス噴射２１４が、切断中に切除された材料を除去するために供給されてよい。図１Ｂはまた、軸外光学顕微鏡３００を示し、これは光学顕微鏡又は電子顕微鏡であってよい。本発明の実施例では、５軸ステージ２１０は、顕微鏡３００で視るために試料を移すことができるように位置する。

本明細書に記載される実施例によれば、レーザ・ビームは、５軸ステージ２１０が試料の一部をフライス加工するために移動される間、固定位置に保持されてよい。他の実施例では、走査ヘッド１１２によるレーザ・ビームの移動と５軸ステージの移動との組み合わせが、試料をフライス加工するために使用される。

本明細書に記載される実施例によれば、パルス・レーザ１０は、１から５０ワットの電力の間で動作する。さらに、パルス・レーザの波長は、約１０５０ナノメートル（ｎｍ）から３５０ｎｍの間であってよい。本明細書に記載されるさらなる態様によれば、パルス長は、２５０フェムト秒（ｆｓ）から７５０ピコ秒（ｐｓ）の間である。さらなる態様によれば、パルス・レーザは、試料では１０ｎｍから１００ｎｍの間のスポット・サイズを有する。

本明細書に記載される実施例と一致して、試料は、バス２２０内の水などの液体下で、試料の上面が液体の表面下１．５ｍｍまでで、保持されてよい。流体再循環システムは、上で簡単に説明したように、循環ポンプ２２２及びフィルタ２２４を含んでよい。循環ポンプ２２２は、フィルタ２２４を通して液体をポンプで送り、処理中に、バス２２０内の液体が透明なままであるように流れを維持し、レーザ切除プロセスから気泡を除去するように動作してよい。再循環システムは、異なるサイズの試料を補償し、試料が液体なしで処理される必要がある場合に、すべての液体を除去するための液体レベル調整を含んでよい。再循環システムは、処理時間又は測定されたレベルのいずれかに基づいて処理中の液体レベルを調整して、飛散又は蒸発によって失われた液体を置き換え、並びに液体レベルを切除されている表面の上方の固定された高さに保つ能力を有してよい。これは、切除された表面のレベルが切除プロセス中に徐々に低下している間、切除された表面の上方の液体の深さを一定に保つために必要である。

液体が試料の表面を「濡らす」ように、添加物がバス２２０内の液体へ加えられてよい。本明細書に記載の実施例と一致するいくつかの実施では、添加物は、アルコール又は石鹸であってよい。この添加物はまた、酸化を低減するために、又は試料の切除を選択的に高めるために、金属酸化を低減するための弱酸などが選ばれてよい。

さらなる態様では、レーザは、液体が切除された領域内へ逆流できるように一時停止されてよい。さらなる態様では、フライス加工されるべきより大きな領域内の小さな領域が、最初に、完全に試料を通してフライス加工される。これにより、液体は、試料の下からフライス加工領域に流入し、より大きな領域がフライス加工されている間に試料の切除領域を冷却できる。

別の態様によれば、パルス・レーザは、パルスのバーストが固定された繰り返し速度で連続的に繰り返されるバースト・モードで動作する。本発明の態様では、各バーストにおけるパルスの数は、２から５０の間で変化できる。

さらに別の態様によれば、システムは、プルーム抽出器２１６によって抽出されたプラズマ・プルームを分析するための分光計を含む。プラズマ・プルームの分光分析は、切除されている材料を決定するのに有用である。これは切除終点検出に使用できる。

別の態様によれば、本システムは、検出器／鏡／窓の切除を防止するために、試料の下に位置し、液体の層（例えば、５ｍｍより大きな深さ）によって保護される光検出器、又は鏡及び光検出器を含む。光検出器又は鏡／光検出器は、断面の終点を検出するように動作する。検出器信号はレーザ走査システムへ同期させて、断面縁辺の影画像を作成できる。光検出器はいかなる寸法情報も有していない場合があるが、光の検出をレーザ位置と同期させることにより、２Ｄ画像が、試料を横切って走査するレーザ・ビームのラスター効果に基づいて作成できる。

図２は、本発明の一態様による試料を断面にするための例示的なプロセスのフロー図である。ここで図１Ａ及び図１Ｂの装置に対して図３及び図４を参照するが、プロセスは例示的な装置に限定されない。ステップ２４０は、断面にされる試料を試料ステージ２１０上に位置付けるために行う。ステップ２４２では、パルス・レーザ・ビームがＦシータ・レンズ１２４を介して試料上へ集束される。或いは、焦点距離の短い軸外顕微鏡の焦点位置、すなわち、高さをレーザ・ビームの焦点位置と一致するように設定し、顕微鏡で焦点が合うまで試料の高さを移動させることによって、レーザは試料に集束することができる。ステップ２４４では、レーザは、走査ヘッド１２２で、断面にされる領域を横切って走査する。ステップ２４６では、プロセスは、所望の断面が試料の下に位置する光検出器を介して検出されたときに、停止する。

図３は、さらなる態様又は本発明による液体下に保持された試料を断面にするための例示的なプロセスのフロー図である。ステップ３１０は、液体バス２２０において試料ステージ上に断面にされる試料を位置付けるために行う。ステップ３１２では、パルス・レーザ・ビームは、Ｆシータ・レンズ１２４を介して試料上へ集束する。ステップ３１４では、レーザは、限られた領域が試料の底部まで完全に切除されて液体が試料における開口部の底から切除された領域に入ることができるまで、走査ヘッド１２２で断面にされる限られた領域を横切って走査する。ステップ３１６では、切除プロセスは、試料の所望の領域を切除するために続けられる。

図４は、さらなる態様又は本発明による液体下に保持された試料を断面にするための例示的なプロセスのフロー図である。ステップ４１０は、液体バス２２０において試料ステージ上に断面にされる試料を位置付けするために行う。ステップ４１２では、パルス・レーザ・ビームは、Ｆシータ・レンズ１２４を介して試料上へ集束する。ステップ４１４では、レーザは、気泡及び切除された材料が液体バス２２０から取り除くことができるように一時停止する。ステップ４１６では、切除プロセスは、試料の所望の領域を切除するために続けられる。切除プロセスを一時停止して液体における切除された材料及び気泡を取り除くことは、必要に応じて繰り返してよい。

本発明を上記で詳細に説明したが、本発明の趣旨から逸脱することなく本発明を修正できることは、関連分野の当業者には明らかであることが明示的に理解される。形態、設計、又は配置の様々な変更は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明に対してなされてよい。したがって、上記の説明は、限定するというよりはむしろ例示的であると考えられるべきであり、本発明の真の範囲は、以下の特許請求の範囲に定義されるものである。

本出願の説明において使用されるいかなる要素、行為、又は指示も、そのように明示的に記載されない限り、本発明にとって重要又は必須であると解釈されるべきではない。また、本明細書において使用されるように、冠詞「ａ」は、１つ又は複数の項目を含むことが意図される。さらに、語句「に基づく」は、別段の明示的な記載がない限り、「に少なくとも部分的に基づく」ことを意味することが意図される。

Claims (20)

1. レーザ・ビームで試料をフライス加工するための装置であって、
   パルス・レーザと、
   走査されたレーザ・ビームを作成するために前記レーザ・ビームに垂直な２つの方向に前記パルス・レーザを走査するように構成された走査ヘッドと、
   前記走査されたレーザ・ビームを前記試料上へ集束させるように構成されたＦシータ・レンズと、
   を備える、装置。
2. 前記レーザは、限られた数のパルスのバーストでスイッチが入れられ、限られた数のパルスの前記バーストは、固定された繰り返し速度で繰り返される、請求項１に記載の装置。
3. 繰り返されたバーストのそれぞれが、２から５０パルスの間の長さである、請求項２に記載の装置。
4. 前記パルス・レーザは、１から５０ワットの間の電力を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記パルス・レーザは、１０５０ナノメートル（ｎｍ）から３５０ｎｍの間の波長を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記パルス・レーザは、２５０フェムト秒から７５０ピコ秒の間のパルス長を有する、請求項１に記載の装置。
7. 前記Ｆシータ・レンズは、前記試料で１０ミクロンから１００ミクロンの間のビーム・スポット・サイズを作るように構成される、請求項１に記載の装置。
8. カメラとビーム・スプリッタとをさらに備え、前記ビーム・スプリッタは、前記パルス・レーザ・ビームを前記試料へ伝送し、前記試料の画像を前記カメラへ伝送するように構成される、請求項１に記載の装置。
9. 前記試料を浸漬するための液体バスをさらに備え、前記液体バスは、液体から気泡を除去するためのフィルタを含む再循環システムを備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記再循環システムは、
    前記試料の上面上の一定の液体レベル、又は
    前記試料の切除された表面上の一定の液体レベル
    のうちの１つを維持するように構成される、請求項９に記載の装置。
11. 前記試料の切除からのプラズマ・プルームをガス分析器へ向けるように構成されたガス抽出器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記試料の下に位置し、前記パルス・レーザ・ビームが前記試料を切断した後に前記パルス・レーザ・ビームを感知するように構成された光検出器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
13. パルス・レーザを使用して、１つ又は複数の集積回路を含むパッケージにおいて断面を切断する方法であって、
    前記パッケージを可動ステージ上の液体バスに入れることと、
    前記パッケージを走査されたパルス・レーザ・ビームへ露光することと、
    を含む、方法。
14. 前記パルス・レーザ・ビームは、パルスの一連のバーストで通電され、各バーストは、２から５０パルスの間、持続している、請求項１３に記載の方法。
15. 前記パルス・レーザ・ビームは、１から５０ワットの間の電力レベル、２５０ｆｓから７５０ｐｓの間のパルス時間、１０５０ｎｍから３５０ｎｍの間の波長、及び１０ミクロンから１００ミクロンの間の前記パッケージでのスポット・サイズを有する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記パッケージの領域が前記パルス・レーザ・ビームによって切除された後、液体が前記領域へ流入できるように前記露光を一時停止することと、前記液体が前記領域を満たした後に前記露光を再開することとをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
17. 液体が第１の領域へ流入して前記パッケージの下方からの液体へ流れることができるように、前記パルス・レーザ・ビームで前記パッケージを通して完全に前記第１の領域をフライス加工することと、
    前記第１の領域が液体で満たされた後に、前記第１の領域に隣接する第２の領域をフライス加工することと、
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記パルス・レーザ・ビームが前記パッケージを切断した後に、試料の下方に位置付けられた光検出器によって、前記パルス・レーザ・ビームを検出することと、
    前記光検出器が所望の断面が作られたことを検出したときに前記露光を終了することと、
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
19. 液体を前記液体バスからフィルタを通して再循環させて、前記パッケージを切除する前記パルス・レーザによって作られた切除材料及び気泡を除去することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
20. レーザ・ビームで半導体パッケージにおける断面をフライス加工するための装置であって、
    パルス・レーザと、
    走査されたレーザ・ビームを作成するために前記レーザ・ビームに垂直な２つの方向に前記パルス・レーザを走査するように構成された走査ヘッドと、
    前記走査されたレーザ・ビームを試料上へ集束させるように構成されたレンズと、
    を備え、
    前記パルス・レーザは、一連のバーストで通電され、前記バーストのそれぞれは、２から５０パルスの間、持続し、
    前記パルス・レーザは、１から５０ワットの間の電力、１０５０ｎｍから３５０ｎｍの間の波長、及び１０から１００ミクロンの間の前記パッケージでのスポット・サイズを有する、装置。
    る。