ZEISS 3D X-Ray Microscopy

Transkript

1 ZEISS 3D X-Ray Microscopy Anwendungen im Bereich Aluminium und Kunststoff Wolfgang Schwinger, Carl Zeiss GmbH, Wien Allen Gu, Carl Zeiss X-ray Microscopy, Inc., Pleasanton Steve Kelly, Carl Zeiss X-ray Microscopy, Inc., Pleasanton CT User Meeting 15. November 2017 in Oberkochen

2 ZEISS 3D X-Ray Microscopy Anwendungen im Bereich Aluminium und Kunststoff Polymers Batteries/Fuel Cells Ceramics Composites Metals Coatings Glass Concrete

3 ZEISS 3D X-Ray Microscopy Anwendungen im Bereich Aluminium und Kunststoff XRM Anwendungsbeispiele: XRM für Abbildung und Vermessung eines Kamera Moduls XRM für 3D IC Prozess Entwicklung

4 Smart-Phone Kamera Modul Aufbau und Funktion Au bumps Linsen projizieren das gesammelte Licht des Objektes auf den Sensor (CMOS) Moderne Kameraobjektive bestehen aus mehreren, zusammengesetzten Linsen Kunststoff anstatt Glas aus Kostengründen Korrektur der Linsenfehler kleinere Brechungswinkel erlauben eine erhöhte Bildschärfe und Klarheit Simulation of lens stacks for a smart phone camera module

5 Smart-Phone Kamera Modul Aufbau und Anwendung Source: Source: Yole Development 2015 Telekommunikation, Unterhaltungselektronik, Automotiv (Assistenten und autonome Fahren, 2020: 6+ Kameras / Automobil) Linsen-Stapel dominiert, da Linsenfehler korrigiert werden können Aufbau wird immer komplexer (Fehlertolleranz sinkt): - mehr Linsen (Stereo Kamera Module) - Auto-Fokus, Bildstabilisator, - Miniaturisierung

6 Leistungsrelevante Fehlertoleranzen Smart-Phone Kamera Modul Form Abstand Off-Axis Zentrierung auf optischer Achse Verkippung Form der Linse (lt. optischer Konstruktion) Abstand der Linsen (lt. optischer Konstruktion) Zentrizität (On-Axis)s: negativen Einfluss auf Fokus und Auflösung Verkippung: neg. Einfluss auf Brechungswinkel, chr. Aberration, Auflösung Carl Zeiss X-ray Microscopy Confidential

7 Messtechnische Herausforderungen zur Bestimmung der Fehlertolleranzen eingebetteter Querschliff: - zerstörend, deformierende (Kunststoff) - 2D (keine 3D Information aus Schliffbild) Profilometer und Interferometer - gut um die Form EINER Line auszumessen - nicht geeignet für 3D Linsen-Stapel Example SEM micrographs for X-sectioned plastic lens used in camera module zerstörungsfreie, hochauflösende 3D Abbildungstechnik Carl Zeiss X-ray Microscopy Confidential 7

8 Bildgebung mit ZEISS Xradia 520 Versa (XRM) Smart-Phone Kamera Modul XRM bietet ein Abbild der Probe zerstörungsfreie Abbildung kontrastreich und hochaufgelöst (~1μm) digitalen 3D Datensatz für weitere Analyse und Auswertung 3D color-rendering Virtual cross-section slice

9 Scout-and-Zoom hochauflösende interne Tomographie 7.5 µm/voxel for FFOV 1.5 µm/voxel Lens interlock virtueller Querschnitt Scout-and-Zoom : Interne Tomographie durch Verwendung unterschiedlicher optische Nachvergrößerungen 500 µm XRM erlaubt hochaufgelöste interne Tomographie durch Scout-and-Zoom

10 Messbeispiele: Vermessung der Linsendicke und des Linsenspalt 7.5 µm/voxel A small facet is defined as lens boundary Oberfläche (weiße Linie): - kann mit Sub-Voxel Auflösung - nach standardisierten Messmethoden - wie mit einer Koordinatenmessmaschine ausgewertet werden. - eine beliebige Anzahl von Referenz-Elementen (Ebenen, Sphären, Kegel, ) können Verwendung finden, um Abweichungen festzustellen.

11 Messbeispiele: Vermessung der Lage der Linsen (Basis der) Linse als Kegelstumpf approximiert: - dadurch Position, Radius, Konizität und Achsen-Lage bestimmt - Berechnung der Zentrizität und des Verkippung der Linse möglich - Ebenendarstelltung von einigen tausend Messpunkten (Bild rechts) - Hier: ca. 90% aller Messpunkte mit weniger als 4.1μm Abweichung.

12 Messbeispiele: Vermessung der Lage der Linsen 3D View

13 Messbeispiele: Vermessung der Linsen-Zentrizität Lens 1 Lens 2 Linse als Kegelstumpf approximiert: - Messung der Verschiebung zw. Linse 1 und Linse 2 (Bild links) - relative Verschiebung der Lage 0,11μm in X- und 2,63μm in Y-Richtung - Darstellung des Messergebnisses (Bild rechts) - Lage der weiteren Linsen kann mit gleicher Methode bestimmt werden.

14 Messbeispiele: Vermessung der Linsen-Verkippung Lens 1 to Lens 2 tilt in XZ 3D View L1/2 tilt in YZ Linse als Kegelstumpf approximiert: - Messung der Verkippung zw. Linse 1 und Linse 2 (Bild links) - relative Verkippung der orthogonalen XZ und YZ Ebenen bestimmbar - 3D Darstellung (Bild rechts) - Lage der weiteren Linsen kann mit gleicher Methode bestimmt werden.

15 XRM für Abbildung und Vermessung Zusammenfassung ZEISS Xradia Versa kann als virtuelle 3D Messeinrichtung verwendet werden. Vorteile: - hoch Auflösung und Kontrast - zerstörungsfreie Darstellung - Scout-and-Zoom für hochaufgelöste interne Tomographie - Auflösung geht bei größeren Proben nicht zwangsläufig verloren (RAAD ) - beliebige virtuelle Querschnitte - Prozessierfähigkeit bleibt erhalten - Arbeiten wie mit einer Koordinatenmessmaschine

16 ZEISS 3D X-Ray Microscopy Anwendungen im Bereich Aluminium und Kunststoff XRM Anwendungsbeispiele: XRM für Abbildung und Vermessung eines Kamera Moduls XRM für 3D IC Prozess Entwicklung

17 XRM für 3D IC Prozess Entwicklung Charakterisierung von Wafer-Level Packaging Prozess Wafer-Level Packaging - Übereinander fügen mehrer strukturierte Wafer (face-to-face oder back-to-face) - Verbindung durch elektrische Kontaktierung am Interface Herausforderungen - 12 Wafer (300mm Probendurchmesser) - Prozess Entwicklung und Kontrolle komplexer Architektur - zerstörungsfreie Darstellung (Weiterprozessierung) L1/2 tilt in YZ

18 XRM für 3D IC Prozess Entwicklung Testprozesse TSV through silica vias 65nm BEOL IMEc s standard Prozess (5x50μm TSVs, 20μm pitch): (a) F2F stacked chip (b) B2F stacked chip with N=4 (c) F2F stacked chip on 300 mm wafer

19 XRM für 3D IC Prozess Entwicklung 12 Wafer in ZEISS Xradia 520 Versa 300mm

20 XRM für 3D IC Prozess Entwicklung 12 Wafer in ZEISS Xradia 520 Versa

21 Inter-Chip Ausrichtungsgenauigkeit F2F Stacked Chip Zerströrungsfreie Abbildung eines 300mm Wafers: schnell (2-8 h pro Scan) 0,5-1μm Voxel Auflösung at any point on 12 wafer quantitative Auswertung und volumetrische Information

22 Inter-Chip Ausrichtungsgenauigkeit F2B Stacked Chip XRM Bilder (rechts) zeigen TSV und Mikrolötpunkte mit unterschiedlichen Abständen: 40μm, 20μm & 10μm: 2 oberen Chips sind perfekt ausgerichtet unterer Wafer ist schlecht ausgerichtet

23 Inter-Chip Ausrichtungsgenauigkeit F2F Stacked Chip Gute Ausrichtung Schlecht Ausrichtung Gute Ausrichtung

24 Inter-Chip Ausrichtungsgenauigkeit F2B Stacked Chip Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Röntgenmikroskop XRM erlaubt die zerstörungsfreie Abbildung der Inter-Chip Verbindung: schnell (2-8 h pro Scan) ausreichender Auflösung zur quantitativen Auswertung

25 Inter-Chip Ausrichtungsgenauigkeit F2F Stacked Chip Wafer wurden elektrisch getestet: grün (voll funktionell), gelb (teilweise funktionell), rot (nicht funktionell) Stack A (gelb), Stack B (rot), Stack C (grün) mittels XRM näher untersucht Stack A und Stack C zeigen keinen signifikanten strukturellen Unterschied

26 Inter-Chip Ausrichtungsgenauigkeit F2F Stacked Chip Wafer wurden elektrisch getestet: B Stack B (nicht funktionell 0%), Stack C (voll funktionell 100%) zeigen signifikanten strukturellen Unterschied: Stack B: Lunker und Risse C

27 XRM für 3D IC Prozess Entwicklung Zusammenfassung XRM kann erfolgreich für die 3D Abbildung und Analyse von WLP Prozessen verwendet werden. Vorteile: - bis zu 12 Wafer (300mm) - ausreichende Auflösung - zerstörungsfreie Darstellung - Prozessierfähigkeit bleibt erhalten

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