摘要　在制作球形焊料凸点过程中，每一道工艺流程后都采用多种检测技术来捕捉凸点缺陷，这些目前已在生产中广泛应用。

---

　　由于凸点连接和粘结剂的缺陷问题，制造商们每年要损失数百万美元。在这一阶段，晶圆工艺都已经完成，产品成本完全投入，因此凸点制作时成品率的降低会极大增加制造成本。为了提高成品率或避免潜在的损失，生产凸点时，每一步工艺之后都要结合多种检测技术来自动完成数据采集。检测的数据通常包括晶圆的图像、晶圆上通过和未通过检验的芯片的分布情况。

　　检测技术

　　可以采用高级宏观检测、两维和三维凸点检测以及背面检测技术搜集各种在流程中凸点和关键尺寸（CD）线条的信息。

　　高级宏观检测技术将获得的图像数据与标准图像数据进行比较，探测出两者的差别。这一方法可适用于凸点制造的大部分工艺步骤，这种方法可以检测出由于凸点制作造成的表面残留或缺陷——在这些缺陷造成粘结和互连问题之前就发现它们。过多的微粒或缺陷还表明生产设备或工艺可能存在某些问题。

　　2-D凸点检测是对高级宏观检测搜集的数据进行算法分析（因此消除了不必要的额外检测）。该方法可以确定凸点的直径并探测出凸点的位置偏移、表面微粒以及桥接的凸点——即凸点间被金属短接。另外，该方法还可以测量直线和曲线的CD线，确实其尺寸是否在误差容限之内。

　　3-D检测是用共焦方法确定凸点的高度、共面性、表面形貌和粗糙度。在电镀工艺之后采用3-D凸点检测可以搜集数据并预测在封装中可能遇到的互连问题，与高级宏观检测方法类似，3-D凸点检测也可在一定程度上监控生产设备或工艺的潜在问题。

　　背面检测方法利用分析反射光的图像来确定晶圆背面化学残留和其他不规则缺陷。背面残留可能导致该位置的芯片与薄膜框架粘连和在芯片取出过程中导致开裂。另外，背面检测还可以发现光刻工艺中由“热点”造成的微粒。

　　凸点制作工艺

　　通常来讲，凸点制作工艺包括聚酰亚胺图案制备、基层金属沉积、光刻胶沉积和图案制备、电镀、光刻胶去胶和基层金属刻蚀，以及再流（图1）。下面的部分将简略描述各个工艺步骤并介绍每步工艺之后所采用的检测方法。

　　聚酰亚胺图案制备——通过聚酰亚胺图形化，也就是通常的光刻和显影工艺，在晶圆的表面沉积一层透明的聚酰亚胺层。该层聚酰亚胺将在后续凸点制作工艺中充当热阻层。通过金属焊盘和钨通孔与下面的电路形成直接连接。在显影过程中，由于金属焊盘上去胶不彻底可能产生表面微粒和残留，此时可以采用高级宏观检测技术探测这类缺陷。聚酰亚胺表面的微粒会导致后续工艺中金属沉积出现问题。在某些情况下，微粒会使金属层形成凸起最终导致封装失效。另外，如果凸起部分破裂，则会在金属上产生深入聚酰亚胺层的开路，导致致命缺陷。采用2-D检测技术可以测量直线或曲线的CD线条——验证线宽是否在规定范围内。线宽超过规定的误差容限会产生互连问题。值得注意的是在这一阶段发现问题晶圆还可以返工。

　　基层金属——基层金属是指沉积在聚酰亚胺层之上的铜或铅/锡导电层。由于沉积的金属层与后续电镀工艺得到的金属形成直连，采用高级宏观检测技术可以探测那些会导致粘结和互连问题的表面微粒和残留（图2），还能捕捉诸如金属图形缺失（图3）之类的金属沉积问题。表面微粒过多表明溅射金属的腔室需要清洗。若腔内附着过多的残留，溅射过程中这些微粒就会飞落到晶圆表面（图4）。2-D凸点检测技术可以测量CD线条的线宽和长度。如果晶圆上CD线宽异常、微粒过多或金属沉积质量不好，在该工艺阶段晶圆仍可以返工。在后钝化工艺中，电感电容之类的无源器件集成到芯片，测量的线宽若超过规定的误差容限，芯片的电学性能将受到影响。

　　图案制备——将光刻胶涂在基层金属上，之后曝光并显影，得到通向基层金属的通孔，最后进行后烘固化光刻胶，这时的光刻胶是半透明的。显影后该工艺可以采用高级宏观检测和/或2-D凸点检测技术，检查在通孔位置是否有多余的光刻胶或微粒存在，如图5所示（由于表面反射，光刻胶的检测相当困难）。通孔内或其周边位置的残留或微粒将影响基层金属与电镀层的粘结。

　　残留物影响了电镀层的粘结，可能会在凸点中发展成孔洞，在中心位置造成材料沉积不足。随后，封装时材料会沉积到孔洞直到金属层，造成芯片失效。

　　在这一步工艺中只采用高级宏观检测的好处是工程师可以设定一系列的像素误差容限值。例如，工程师可以设定所有在50到75之间的像素为通过，这一范围外像素视为缺陷。另一种可选方案是采用2-D凸点检测技术，结合自定义的像素误差容限值，可以非常迅速地检测大量通孔。工程师需要做的只是标定需要测量的区域以及设定像素的误差容限标准。比如将所有大于50的像素都视为通过，而低于50的则视为缺陷。

　　电镀——封装中很多问题是由凸点的高度不符合误差容限造成的，所以在电镀中检测凸点的高度非常重要。凸点太高会将芯片顶起，造成其他凸点不能形成有效的互连。同样，凸点高度太低则无法与基板连接。去胶后，带有凸点的晶圆就不能再返工了，所以在电镀后检测是去胶前发现凸点问题的最后机会。当然，如果凸点过低可以通过继续电镀来补足，但凸点过高的情况则无法返工。由于光刻胶的反射问题，在该工艺中采用2-D凸点检测技术更为合适。2-D凸点检测技术采用凸点的宽度来计算其高度，减少了反射对结果的影响。

　　去光刻胶和刻蚀基层金属——在去胶工艺中，将溶剂喷洒到晶圆上去除光刻胶，之后利用2-D凸点检测技术计算凸点的直径（通过直径可以计算出凸点高度）、探测出桥接的凸点以及测量CD线。如果凸点的尺寸不在规定的范围内，则不能良好的与封装粘接，也显示了电镀工艺潜在的问题。3-D凸点检测技术可以计算凸点高度、共面性和表面形貌，它比表面形貌仪更有效，该技术可以测量凸点表面粗糙度，预测该凸点与封装连接的质量——并测量出电镀工艺的有效性。凸点表面太粗糙则不能与封装形成足够的连接，增加了断路或不能连接的可能。凸点的共面性也是预测封装性能的一个重要因素。比其他凸点低的将不能与封装形成互连。在该工艺中，使用高级宏观监测技术探测表面微粒也很有用。晶圆表面残留的光刻胶或者微粒可以作为去胶工艺出现问题的很好标示。

　　去胶之后，晶圆采用湿法蚀刻去除没有被焊料凸点覆盖的金属层，最终让聚酰亚胺层暴露出来。使用2-D检测技术可以探测出残留的金属或酸性材料，如图6所示。过多的残留或者线宽不合要求则表明该工艺或设备存在问题，采用2-D检测技术也可测量CD线宽。采用3-D晶圆检测技术可以测量凸点高度和探测残留，这一工艺中采用该技术可以提供监控工艺和设备情况的有效信息。

　　背面检测技术——在这一步工艺中，背面检测技术也可以提供很多有用的信息。有时，基层金属刻蚀后的化学残留会转移到晶圆背面（图7）。这些残留将会影响晶圆与蓝膜的粘结——也就是影响贴膜工艺。当芯片分类机吸取该位置的芯片时，将发生开裂。另外，背面检测技术还能探测出可能在光刻工艺中造成“热点”的微粒沾污。如果没有自动背面检测技术，就只能手动进行晶圆背面检测。若发现缺陷，整批晶圆将停止工艺流程，然后将有问题的晶圆送回到代工厂去除化学残留——节约了晶圆制造的成本。采用背面晶圆自动检测系统探测残留，系统将对芯片做标记，芯片分拣机则忽略有问题的芯片，将其留在蓝膜框上。

　　回流——回流是器件封装前的最后一步工艺。在这步工艺中，晶圆将被加热以形成圆球状的焊料凸点，这样凸点的形状更均匀，也更有利于与封装连接。该步工艺采用的检测方法也是最为大家熟知的。使用3-D凸点检测技术可以检测每一个芯片上再流之后凸点的共面性。共面性不在规定范围之内的凸点会在封装中造成连接问题。如果凸点高度过高，将会把封装结构顶起来，使那些稍低的凸点不能形成连接。

　　凸点制作中检测技术总结

　　在电镀工艺之前，聚酰亚胺图案制备、基层金属沉积和图形化几步工艺都可以使用高级宏观检测技术探测残留，这些残留可能会影响金属沉积的质量或者造成粘结不良。通过检测表面微粒的情况还可以发现设备存在的问题。采用2-D凸点检测技术可以测量CD线条，并鉴别是否超过了规定的误差容限，预防产生连接问题。在电镀工艺之前发现缺陷的晶圆都可以进行返工。

　　电镀之后，可以采用2-D凸点检测技术检查电镀和去胶之后的CD线条以及测量凸点直径。过高或过低的凸点都会引起封装问题。去胶工艺中可以采用高级宏观检测和2-D、3-D检测技术。2-D凸点检测技术可以用来测量凸点的高度和探测桥接凸点，3-D检测技术可以用来测量凸点的高度、共面性和表面形貌，通过这些测试可以发现那些引起封装互连问题的缺陷。高级宏观检测技术可以通过探测表面微粒衡量去胶工艺的效果。

　　2-D凸点检测技术可以用来监测基层金属上残留的金属或酸液，或者保证CD线条的尺寸在误差容限之内。3-D凸点检测技术也可以用来监测工艺过程，通过探测残留或者测量凸点的高度保证可靠的封装互连。背面检测技术可用来确定化学残留或微粒，化学残留会导致芯片分拣时破裂，微粒会引起光刻时热点异常。

　　3-D凸点检测技术可以在再流工艺中检测凸点的共面性，探测那些可能产生互连问题的凸点并监控工艺的效果。

　　结论

　　高级宏观检测技术、2-D和3-D凸点检测技术，以及背面检测技术给工艺工程师提供了非常有用的信息。这些技术的不同组合适用于不同的工艺步骤。在工艺开发和过程控制中，它们扮演了至关重要的角色。在工艺开发中，给工程师提供反馈信息，以调节工艺条件提高成品率;在过程控制中，可以发现不合格的工艺流程并帮助诊断问题的起因。凸点制造过程中，尽早地发现并纠正错误是非常关键的，这样可以避免浪费昂贵的成品晶圆。通过加速工艺开发流程和缩短探测缺陷并修复所用的时间，检测技术可以极大地降低工艺成本。