Analyse automatisée des rainures laser sur les tranches de silicium

Les progrès du rainurage laser permettent aux fabricants d'optimiser la qualité de séparation des puces en combinant les techniques traditionnelles de découpe à la lame et de rainurage laser pour séparer les puces individuelles de la tranche de silicium. Cependant, cela demeure une utilisation coûteuse du temps, car la rainure doit être inspectée visuellement par un opérateur au microscope, ce qui introduit aussi des dépendances individuelles. À l'aide du système de microscopie Clemex Vision, Clemex a démontré un nouveau procédé automatisé qui réduit le temps que le technicien consacre à l'analyse de la puce, tout en améliorant l'exactitude de la mesure.

Depuis que les tranches de silicium ont été conçues pour accueillir plusieurs puces, le retrait sûr et uniforme des puces pose problème. La technique traditionnelle consiste à utiliser une lame extrêmement tranchante pour scier la tranche le long des chemins de découpe, en laissant une marge de matière et la puce au centre.

Cependant, la découpe à la lame présente certains problèmes, principalement le fait que, aussi tranchante soit-elle, la lame peut tout de même introduire des contraintes dans la puce et dans la tranche entière. Il est largement reconnu que des défauts sont introduits dans la tranche en raison du mécanisme de meulage et de cisaillement de la scie qui coupe la tranche. Ces défauts peuvent provoquer le décollement des couches de passivation et métalliques, de l'écaillage, des fissures et le délaminage du diélectrique intercouche (ILD), autant de phénomènes à éviter pour garantir un dispositif stable.

Pour éviter ces problèmes, les fabricants ont dû adopter une autre méthode permettant d'obtenir un traitement de haute qualité avec un délaminage minimal sur la tranche avant la séparation des puces : le rainurage laser. Celui-ci réalise une prédécoupe qui réduit les contraintes et peut être inspectée visuellement pour confirmer le bon positionnement. La découpe à la lame peut ensuite servir à réaliser la coupe finale si la ligne de prédécoupe est conforme.

Le rainurage laser est un procédé fondé sur l'énergie thermique, sans contact direct entre l'outil et la pièce. Il utilise un laser focalisé de haute énergie pour transférer de l'énergie thermique à la tranche, énergie qui est absorbée par les couches métalliques ILD supérieures, à faible énergie thermique. Ces couches métalliques chauffent alors, fondent et se vaporisent, et la matière fondue et vaporisée peut être évacuée par un flux d'air directionnel. Il y a maintenant une rainure importante dans la tranche, plus mince et beaucoup moins résistante au procédé de découpe à la lame, ce qui permet un retrait plus net de la puce.

Le rainurage laser est donc désormais le premier choix des fabricants qui cherchent à améliorer la qualité de la découpe des tranches. Mais même ce procédé n'est pas exempt d'inconvénients. Le laser lui-même est un système complexe qui doit être positionné et repositionné avec précision au-dessus de la tranche pour s'assurer qu'il rainure au bon endroit. La rainure elle-même doit être extrêmement précise et conforme à la forme et à la tolérance fixées par le fabricant. Une rainure qui ne respecte pas cette tolérance peut entraîner une puce mal découpée, impropre à l'usage et devant être mise au rebut. Un opérateur doit consacrer beaucoup de temps, au microscope, à analyser les tolérances des rainures et à les approuver pour la découpe.

À l'aide du système de microscope Clemex Vision, Clemex a mis au point une nouvelle méthode pour automatiser l'analyse de la distance entre la rainure et le bord de la puce.

D'abord, la tranche est correctement positionnée sous l'objectif. Cela se fait à l'aide d'un point de référence, puis en ajustant l'ensemble de la tranche pour qu'elle soit correctement orientée. Une fois cela accompli, chacune des puces situées aux extrémités ou aux points centraux de la tranche peut être analysée correctement.

Après l'analyse des points de référence, la rainure laser elle-même peut être analysée. Cela se fait à l'aide d'une ligne de référence tracée autour de la puce, en mesurant la distance moyenne entre cette ligne et la rainure elle-même. Comme cette distance peut varier légèrement, on retient une distance moyenne ΔD.

Pour obtenir une distance moyenne globale, la distance absolue du bord nord de la puce est soustraite de celle du bord sud, afin de former une différence de distances : ΔD1. La même procédure est appliquée aux bords est et ouest pour obtenir ΔD2. Les valeurs de ΔD les plus proches de 0 sont les meilleures, avec des tolérances qui forment un seuil réussite/échec.

Si ΔD1 ou ΔD2 dépasse la tolérance requise pour retirer la puce, le procédé de rainurage laser doit être revu. Le rainurage n'a pas fonctionné comme prévu et la puce ne peut être retirée sans dommage.

Ce processus est répété pour toutes les puces de la tranche, tout en respectant une contrainte de temps, l'analyse étant un succès grâce à l'extrême personnalisation qu'offre Clemex Vision. L'ensemble du programme fait appel à des instructions conditionnelles, au centrage automatique, au déplacement d'une cible à l'autre et à l'obtention d'une image nette et bien mise au point à grande distance. Cela peut s'avérer délicat lorsque la tranche de silicium atteint jusqu'à 12 pouces (environ 30 cm) de diamètre.

À l'heure actuelle, les fabricants de puces s'appuient sur des opérateurs humains pour se déplacer manuellement sur la tranche et évaluer visuellement la tolérance. Ce processus est extrêmement chronophage et sujet à l'erreur humaine, mais il n'existait aucune autre solution jusqu'à présent. Le procédé décrit ici, qui s'appuie sur l'excellent ensemble de fonctionnalités de Clemex Vision, permet enfin aux fabricants d'automatiser l'analyse du positionnement du rainurage laser sur une tranche de silicium.

Références

1. « Laser Grooving Characterization for Dicing Defects Reduction and its Challenges » — Koh Wen Shi, Lau Teck Beng, Yow K.Y., 11th Electronics Packaging Technology Conference, 2009. Disponible sur IEEE Xplore
2. « Micro-grooving of silicon wafer by Nd:YAG laser beam machining » — Sherpa TD, Pradhan BB, International Conference on Mechanical, Materials and Renewable Energy, 2018. Disponible sur IOPscience
3. « Laser grooving of semiconductor wafers: comparing a simplified numerical approach with experiments » — van Soestbergen M, Zaal JJM, Swartjes FHM, Janssen JHJ, 16th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2015. Disponible sur IEEE Xplore
4. « Methods of Laser Dicing » — DISCO Corporation
5. « The Application of Laser in WLCSP Process » — Amkor, SEMICON Taiwan.