Messen kleiner Strukturen mit der µ-Röntgenfluoreszenz

Marcus Glaum, Helmut Fischer, Sindelfingen

Ein Verfahren, was früher häufig eingesetzt wurde, ist das Drahtbonden. Hierbei werden feine Drähte (Bond Draht) zwischen den Chip-Anschlüssen und den Gehäusekontakten gespannt. Heutzutage ist die gebräuchliche Technik für die Montage ungehauster Halbleiterchips die Flip-Chip-Technik. Hierbei wird der Chip direkt ohne weitere Anschlussdrähte mit der Kontaktierungsseite nach unten auf den Schaltungsträger montiert. Der Name Flip-Chip resultiert daher, dass der Chip bei der Montage gedreht wird. Die Kontaktierung erfolgt über kleine Kugeln, den sogenannten SolderBumps, die entweder aus reinem Lot bestehen oder aus Lot-beschichteten Kupferkugeln.

Bei immer kleiner werdenden Abständen zwischen den Anschlüssen stößt die klassische Flip-Chip-Montage mittels SolderBumps an ihre Grenzen. Eine Weiterentwicklung des Flip-Chip Verfahrens ist die Verwendung von sogenannten Copper Pillars statt herkömmlicher SolderBumps.

Diese bestehen aus ca. 20 – 30 µm hohen Kupfer-Säulen mit einer kleinen Kappe aus Zinn-Silber-Lot. Das Lot stellt später die mechanische Verbindung zwischen dem Chip und dem Substrat her. Die Kupfersäulen bilden den elektrischen Kontakt. Die Copper Pillars sind bei gleicher Höhe schmaler als die kugelförmigen SolderBumps, was ein feineres Anschlussraster erlaubt (pitch size). Außerdem verbessern sich die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Anschlusses durch das Kupfer.

Die Zusammensetzung des Zinn-Silber-Lotes muss dabei in engen Grenzen liegen. Typischerweise beträgt die Silberkonzentration zwischen 1.5 und 2.5 %. Bislang wurde dieser für den Prozess kritische Parameter entweder durch chemische Analyse einer großen Waferfläche bestimmt oder mit Röntgenfluoreszenzgeräten, bei denen ein mehrere Zentimeter großer Messfleck tausende Bumps integral gleichzeitig misst und einen Durchschnittswert für die Silberkonzentration über alle SolderBumps liefert. Noch interessanter als dieser Mittelwert der Silberkonzentration über viele Bumps ist für die Packaging Industrie allerdings die Möglichkeit den Silbergehalt einzelner Bumps zu messen. Dies war bisher nicht möglich.

Entwicklungen aus dem Hause Helmut Fischer ermöglichen es weltweit erstmalig die Zusammensetzung und Schichtdicke einzelner Bumps oder anderer Mikro-Strukturen auf dem Wafer mit dem Fischerscope X-RAY XDV-µ zu analysieren. Aufgrund der realisierbaren kurzen Messzeiten ist diese Technik auch in der Prozesskontrolle einsetzbar.

Typischerweise sind die Copper Pillars ca. 20 – 30 µm hoch und haben einen Durchmesser zwischen 35 – 50 µm. Auf den Pillars sind nochmal ca. 10 – 15 µm Zinn-Silber-Lot aufgebracht. Der Abstand zwischen den Säulen kann abhängig vom Chip-Design sehr variieren, häufig beträgt der Abstand ca. 100  µm, kann aber auch auf 50 µm sinken, so dass der Abstand dann nur noch das 1 ½ fache des Säulendurchmessers beträgt. Die Strukturgröße liegt damit im Bereich des Messfleckdurchmessers. Die Problematik ist hier, dass bei den Mikro-Strukturen (schmale Säulen) die Röntgenstrahlung nicht vollständig auf die Probe fällt und zusätzlich Fluoreszenzstrahlung auch seitwärts aus den Säulen austritt. Die Analyse ist damit nicht mehr unabhängig von der räumlichen Geometrie der Messobjekte.

Fischer hat hier als Lösung den patentierten Array Mode entwickelt, der die Geometrie der zu messenden Mikrostruktur berücksichtigt. Durch einen speziellen Algorithmus ist es nun möglich auch Proben zu messen, bei denen die Röntgenfluoreszenz nicht nur oben sondern auch seitwärts austritt. Zudem ist es mit dem Array Mode möglich, Strukturen zu messen, die kleiner als der Durchmesser des Messstrahles sind. Ein positiver Nebeneffekt des Array Mode ist, dass der Messfleck automatisch während der Messung nachjustiert wird. So wird durch die automatische Messfleck-Korrektur zum Beispiel eine Drift des Messflecks aufgrund von Temperaturschwankungen oder Probenbewegungen vermieden und eine auf mikrometergenaue Positionierung ermöglicht.

Die zweite Neuerung, die das Messen auf den Copper Pillars ermöglicht, ist die Entwicklung von Halo-freien Polykapillar-Optiken durch die IfG – Institute for Scientific Instruments GmbH, die gleichfalls ein Mitglied der Helmut Fischer Gruppe ist. Polykapillar-Optiken haben in der Röntgenfluoreszenz die Aufgabe den Primärstrahl aus der Röntgenröhre zu einem kleinen Fleck zu bündeln. Dabei war bisher ein unerwünschter Nebeneffekt, dass bei hohen Energien, wo auch die Röntgenfluoreszenz-Linien von Zinn und Silber liegen, die Kapillaren einen sogenannten Halo-Effekt zeigen. Darunter versteht man nicht fokussierte Anteile der Primärstrahlung, die den ursprünglichen Messfleck erheblich vergrößern. Der Halo-Effekt kann beträchtliche Ausmaße annehmen. Er senkt die Effizienz der Kapillare, da ein großer Anteil der Primärstrahlung nicht auf die Probe fokussiert wird und kann bei eng beieinander liegenden Mikrostrukturen zur Verfälschung der Messwerte führen, da auch benachbarte Objekte angeregt werden können. Die neuen Halo-freien Polykapillar-Optiken mit einer spezifizierten Halbwertsbreite des Messstrahles von 20  µm bündeln 95 % der Gesamtintensität des Messstrahles in einem Kreis mit einemDurchmesser von 32 µm. Das ist ein neuer Meilenstein in der Fertigung solcher Optiken.

Wie generell bei allen anderen Messungen auch ist für die Rückführbarkeit einer Messung von Copper Pillars zertifiziertes Referenzmaterial notwendig. Das Unternehmen hat nun das Kow-how Kundenmuster für die Zinn-Silber-Messung zu zertifizieren. Somit sind jetzt qualifizierte und rückführbare Messungen möglich.

Für das Messen von Schichtdicken oder Schichtanalysen auf Mikro-Strukturen, wie zum Beispiel auf Wafern oder Chips ist das Fischerscope X-RAY XDV-µ ideal geeignet. Die neuen Halo-freien Kapillar-Optiken garantieren wohldefinierte Messflecke und der neuentwickelte Array Mode ermöglicht das präzise Messen von kleinen Pads von 30 µm Durchmesser und kleiner. Dabei ist die Anwendung nicht auf das Messen von Zinn-Silber Schichten begrenzt. Auch bei der Messung von Au/NiP- oder Au/Pd/NiP-Schichtsystemen auf Mikro-Strukturen zeigen sich die Vorteile der neuen Fischer Entwicklungen.

productronica, Stand A2-261