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CN101166601A - 在激光标刻系统中检查晶片的系统及方法 - Google Patents

在激光标刻系统中检查晶片的系统及方法 Download PDF

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CN101166601A
CN101166601A CNA2006800146670A CN200680014667A CN101166601A CN 101166601 A CN101166601 A CN 101166601A CN A2006800146670 A CNA2006800146670 A CN A2006800146670A CN 200680014667 A CN200680014667 A CN 200680014667A CN 101166601 A CN101166601 A CN 101166601A
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CN
China
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semiconductor wafer
lighting source
video camera
illuminator
inspection system
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Application number
CNA2006800146670A
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雷纳尔·施拉姆
乔纳森·厄尔曼
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Novanta Inc
Original Assignee
GSI Lumonics Inc
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Abstract

本发明公开了一种用于半导体晶片背面检查组件(40)的照明系统(60，62)。该照明系统(60，62)包括照明光源(60，62)，该照明光源经设置后以同高反射、定向反射的表面(58)成约45度至约75度的角度α向该高反射、定向反射的表面(58)提供照明。

Description

在激光标刻系统中检查晶片的系统及方法
优先权
本申请要求享受于2005年4月29日提交的美国专利申请No.11/118,192的优先权。
技术领域
本发明主要涉及半导体基片加工系统，尤其涉及半导体晶片激光标刻系统。
背景技术
半导体晶片的激光标刻系统可应用于例如半导体晶片加工系统中，该加工系统至少在x方向和y方向上对一个或多个半导体晶片进行相对定位及控制，从而激光标刻通常在x-y平面上进行，激光一般沿z方向冲刻晶片。因此，当晶片工作台在x、y方向上移动时，激光标刻系统可保持静止。晶片的直径可为约200mm～300mm。
如图1A和图1B所示，半导体晶片10可包括正面12，其上可形成多个电路14a、14b、14c和14d。晶片10随后可按各电路14a至14d上电路元件16和18的构成，被切割为多个单独的电路14。图1B示出了四个这样的电路。半导体晶片10还可包括一个缺口22，用来帮助在加工设备内部识别晶片10的正确定向。
在某些应用中，最好在各电路的正面或背面也加上识别标记。这种标记的标刻通常用激光进行。此类激光标记不仅可以用于识别电路，也可用于识别与各电路相关的生产信息、电路的定向信息或电路的性能数据。
在半导体晶片10的正面12包括了密布着元件和导线路径的电路14的应用中，有时最好在半导体晶片的背面提供识别标记。例如，图2A表示半导体晶片10的背面16，图2B表示各电路14a至14d背面的标记24。标记信息可包括多种文本或其他符号信息，在图2B中表示为位于各电路14正面右下角的正方形20。根据标志区域相对于无标志区域的对比度水平，此种标志可被机器轻易读取。
然而，大多数传统半导体晶片的背面通常要经过研磨，以减少半导体晶片的厚度，从而提供更薄的电路14。这种减少晶片厚度的研磨通常以圆周运动进行，这会导致在半导体晶片10的背面26的表面上形成大量例如呈常见的风车形状的纤细的槽纹28。这使得对任何记号的自动检测都变得更加复杂。具体而言，与磨纹平行地射到晶片上的入射光线在反射时通常比与磨纹垂直地射到晶片上的光线更偏向镜面反射，后者反射时通常散射性更强。磨粒定向沿切向和径向变化，因而磨痕呈现为布满晶片的大螺旋曲线图案28，见图2A所示，各电路14a至14d上的磨粒定向可如图2B所示般变化。通过在室内照明条件下检查表面反射，此类图案变化的定向及特有的风车形状便清晰可见。磨纹可因制造商、批次、单品的不同而不同。可以通过不同研磨工艺得到磨粒方向变化的其他图案。在作为结果的槽纹的结构中，一端与另一端之间可能不对称，因而一端与另一端发生的散射也是不对称的。
对晶片10进行激光标刻的一种方法是深入背面26的表面内形成图案(如30)，见图3A所示。然而图案深度(如图3A中d处所示)可能过大，如有10微米甚或更大，使得这种高对比激光标刻可能导致半导体晶片碎裂。防碎裂的图案的深度须少于10微米左右，例如在3至5微米的范围之内，甚至更小。
对半导体晶片的背面进行激光标刻的另一种方法涉及使用激光器在背面表面26上形成熔融痕迹32，以此除去槽纹28形成的表面凸出，示例见图3B。这种痕迹标记可以具有很小的凸出深度，例如，0至1.0微米，较理想的值为约0.5微米。例如，在此援引为参考的美国专利6,261,919号中，公开了一种以标刻为目的，在半导体晶片的背面上形成熔融痕迹的系统和方法。同样可参阅在此援引为参考的美国公开专利申请2004/00600910、2004/0031779及2004/0144760号，其中都公开了在工件和半导体器件上生成机器可读标记，并减小因此而造成的次表面损伤，适用于芯片尺寸封装(CSP)的基于激光的高速标刻系统及方法。
因此，可通过改变材质(如经研磨的硅基片)的表面性质以形成记号，来形成这种痕迹标记。所形成的标记可通过改变表面纹理，尤其是通过修平磨纹，来改变吸收特性，减少定向散射效应。散射效应的减少可增加来自标记的修平区域的镜面反射比例。同时，由激光辐照而导致的吸收增加将减少来自标刻区域的全反射。形成细微的记号时，记号的外观尺寸可类似于磨痕外观的尺度。使用最小激光标刻功率时，激光标记在磨痕开始变平时开始显现。功率较高时，磨痕外观还将减少，并且变得更平。功率更高时，可移动或移除材质，增加标记深度，并且可开始形成点与点之间重叠的标记。总的来说，修平不彻底是基本上最小标记深度的表示，而点重叠标记则表明标记深度已超过最小程度。
使用这种标刻方式激光标刻的记号可为任何类型的图形标记，但通常是字母数字字符、例如为实心圆形的引脚指示、电路特征指示标记和例如为V形的芯片定向标记。如果管芯较小，例如0.1×0.2mm的管芯，则可标刻圆点或定向标记，如果管芯较大，例如2.5mm×20mm的管芯，则可标刻字母数字字符。
CSP标刻时，晶片被固定在晶片卡盘中，以便在分布于晶片上的管芯部位的背面上用激光标刻记号。通过在小于晶片尺寸的扫描区域中(例如在80mm×80mm的区域上)标刻记号来实现高精度的标刻。为覆盖晶片背面所有要标刻记号的部位，晶片相对于标刻区域随工作台步进移动。
尽管通过改变由槽纹28形成的部分表面凸出的激光标刻方式对晶片施加的压力一般较小，然而，经由此种方式形成的标记通常更难被检测系统读取。晶片背面典型的极强反射性令检测系统更难读取激光标记以确认。另外，晶片某些部分的槽纹可能几乎近于彼此平行，形成了很强的定向反射(如槽纹28导致了随视角旋转的风车形反射像)。因此，对背面上的标记的检测，通常在各电路从晶片上切下之后，在极近的距离内进行。
然而，在某些应用中，最好激光标刻和晶片加工系统能在也要检查晶片顶面的同时，检查晶片背面的激光标记。将这种顶部和底部的检查关联起来，可在切割之前为各电路上的各标记位置提供高精度的测试。进行这种关联需要一个能在处理晶片时读取晶片背面的背面检测系统，同时还需要一个晶片正面的正面检测系统。然而，由于研磨处理而使晶片背面具备高反射和定向反射性，因此对晶片背面进行可靠的检测已被证明极端困难。直接从背面表面下方提供照明，反射将极为耀眼，从而导致图像对比度差，而从一侧沿晶片提供照明可能在背面表面上形成不必要且有干扰作用的高亮区与阴影区。因此，到目前为止，为成像而从一定距离外对高反射、定向反射的背面表面的照明是不尽如人意的。另外，照明与各处不一的背面磨纹之间的相互作用可能导致晶片整体的图像质量各处不一，一些区域的图像质量可能不足以成功完成图像处理。
此外，在许多晶片检查应用中，存在所要求的工作距离限制。CSP标刻系统中，晶片通常沿晶片周边固定，或使用晶片背面的其他区域固定。检查晶片边缘或卡盘触点附近区域的记号时，要求从照明器和摄像机到晶片保持充分的工作距离，从而避免机械干扰或光学破坏。光学破坏可包括：遮蔽了部分照明区域，光从卡盘或相关承托结构散射至晶片；以及遮蔽了部分摄像机视野。可用空间可能还受摄像机组件尺寸以及成像镜头尺寸的限制。
在某些应用中，需要检查由卡盘固定的、经研磨过的晶片背面上的激光标刻记号。在晶片的不同区域相对检查用摄像机及照明器摆放以成像时，为传统晶片检查设计的现有照明器不能以充分的工作距离以及均匀的图像质量为实现高度可靠的晶片区域检查而提供图像。
因此，需要一种可提供在晶片背面上激光标刻并且可自动关联晶片正、背面的激光标刻及加工系统。
此外，还需要一种用于在晶片固定在背面标刻卡盘内时，检查经研磨过的晶片背面上的激光记号的改良型的晶片照明系统。
发明内容
本发明根据一实施例提供一种照明系统，该系统用于半导体晶片背面检查组件。所述照明系统包括照明光源，该光源经设置后，以同高反射、定向反射的表面成约45度至约75度的角度α向该高反射、定向反射的表面提供照明。
根据另一实施例，本发明提供一种半导体晶片检查系统，该系统包括半导体晶片处理系统、照明系统和检查系统。半导体晶片处理系统用于控制半导体晶片在至少x、y方向上的移动。照明系统包括照明光源，该光源经设置后，以同半导体晶片的高反射、定向反射表面成约45度至约75度的角度α向半导体晶片的该高反射、定向反射表面提供照明。检查系统包括摄像机，该摄像机面朝半导体晶片的该高反射、定向反射表面，相距至少约100mm。
根据又一实施例，本发明提供一种半导体晶片检查系统，该系统包括半导体晶片处理系统、照明系统、检查系统和控制器。半导体晶片处理系统用于控制半导体晶片在至少x、y方向上的移动。照明系统包括照明光源，该光源经设置后，以同半导体晶片背面的高反射、定向反射表面成约50度至约70度的角度向半导体晶片的高反射、定向反射表面提供高频照明。检查系统包括摄像机，该摄像机沿z方向朝向半导体晶片的高反射、定向反射表面，相距约115mm。控制器用于处理由所述摄像机提供的图像数据，同时也用于执行其他系统功能。
附图说明
参考附图，可以更加深入地理解后述详细说明。
图1A是根据现有技术可形成有多个电路的半导体晶片的正面示意图，图1B是图1A中部分视图的示意图，包括一个具有多个电路的子集。
图2A是根据现有技术可形成有多个电路的半导体晶片的背面示意图，图2B是图2A中部分视图的示意图，包括一个具有多个电路的子集的背面上的标记。
图3A是根据现有标刻技术在半导体晶片背面(显示时朝上)包括记号的半导体晶片的局部侧剖视图。
图3B是根据另一现有标刻技术在半导体晶片背面(显示时朝上)包括记号的半导体晶片的局部侧剖视图。
图4是根据本发明一实施例的晶片标刻和成像系统的示意图。
图5是图4所示照明系统的俯视图。
图6是图5所示系统的局部放大侧视图。
上述附图仅作说明之用，且并未合乎比例。
具体实施方式
本发明提供一晶片检查组件中的照明系统。根据一实施例，本发明为对经研磨的硅晶片背面上具备多种粒定向的、由激光标刻形成的粒状镜面目标区域的高对比成像，提供了照明。这种照明系统使得可在检查组件中处理晶片时可靠地检查经研磨晶片背面的激光标刻形成的记号。部分归因于照明系统提供的照明，激光标刻形成的记号的外观可同晶片磨痕相区分。
如图4至6所示，符合本发明一实施例的激光处理系统40包括：用于在基片44上形成记号的激光标刻系统42(见图5所示)，具有用于相对于标刻机42将基片44定位的卡盘46、48的定位系统，用于检测记号的背面检查系统50，以及用于协调标刻系统42、定位系统和检测系统50的操作的系统控制器52。标刻系统42及检查系统50可以在一个整体外壳54内提供。系统还可包括与控制器52相连的正面检查系统56。
如图所示，用于背面检查系统50的照明系统包括一对同心环形荧光灯60、62，环形灯中间的开口令背面检查系统50得以通过环形灯60、62中间的开口指向基片44的背面58。如图6所示，来自环形灯的照明通常以约为α的平均角度，抵达基片44背面58上宽度为w的目标区域64。环形灯可为高频(如，约25 KHz)环形荧光灯。角度α的范围可在约45度至约75度，优选为约50度至约70度。
因此，根据一实施例，本发明提供了一种检查系统，用于检测形成在半导体晶片表面上的记号，所述记号包括待检测记号、以及位于该待检测记号附近或与检测记号交叉的表面标记。系统包括成像器，该成像器的视野沿z轴扩展，从而实施表面成像，并检测表面58的图像内的记号64。在各种实施例中，系统包括照明器，该照明器至少拥有一个发射辐射能量的光源，辐射能量以中等角度冲刻表面，由成像子系统对从表面反射的辐射能量加以成像。光源的设置令能量发射得以：在距该表面充分距离的地方进行，以基本上避免物理干扰；在入射角度范围内环绕视野轴进行，以在避免对表面标记的强反射加以成像的同时，减少因表面标记导致的图像内部的偏差。以此种方式，记号可与摄像机视野中至少预定部分内的表面标记相区分。
依照不同实施例，表面标记可呈曲线状。强反射可能至少部分为镜面反射。表面反射可与入射角度和方向密切相关。表面标记可能是在标刻场所使用激光标刻机形成记号之前的加工步骤中由工具形成的标记。表面可以是硅基片的背面。光源可基本上朝所有方向发射辐射能量，并且光源可为环形和/或螺旋管形，可包括漫反射器。光源可提供高频发射，并且可为白光或有色光源。光源还可包括多个漫射源，辐射能量的发射可在一个与表面基本上平行的平面上进行。
光源与待成像的背表面之间的距离可以至少为100mm(如，约110米至130mm)，检测系统视野(简称FOV)范围可在约6mm至15mm之间。使用激光标刻机形成的记号深度可为1微米甚或更小。在一实施例中，标刻检查记号时使用的能量足以削薄彼此交叉的残余磨痕，而又足够低以避免形成重叠标记，从而提高了模板匹配阈值。模板匹配阈值可为10％或更高，有些实施例中可达30％或更高。
已发现，对CSP记号的亮视场照明，在摄像机接收来自反射性记号的光线时，因记号及相邻无标记基片的高度镜面反射，产生的对比度相对较差。还发现，暗视场照明可提供更高的图像对比度，因而是对CSP上的标记成像时较理想的方式。使用暗场成像技术时，无标记的背景散射光线被摄像机接收，而激光标刻记号的反射及吸收的光线则不被摄像机接收。漫射源是减少磨痕纹理对比度的理想方式。
光源角度小到足以避免强烈的镜面反射时较理想，照明源优选使用全向照明源(如，环形照明源)以进一步减少图像质量随晶片位置的变化。全向照明源还可减少磨痕纹理的对比度。输出能量较高的光源较为理想，可使用多个光源及高效的漫射器，如光整形漫射器(LSD)，来提供充分的照明水平。
在作为本发明实施例的系统示例中，可凭借市售CSP标刻系统，使用绿色双频Nd:YVO4激光器，如马萨诸塞州威尔明顿市GSILumonics Corporation公司出售的GSI Lumonics牌激光器(规格型号：CSP200)，实现激光标刻。标刻参数因晶片类型及磨纹的不同而不同，但是对于深度＜1μm的痕迹标记(也称为黑标记)，典型激光参数如下：光量开关频率：30000-33000Hz；扫描速度：200-500mm/sec；功率：2.5-3.5W；光量开关脉冲宽度：10-13μsec；光斑尺寸：40-60μm；扫描透镜：f＝200mm；扫描区域：80mm*80mm；脉冲宽度：15ns。激光标刻可在下列常规范围内实现：光量开关频率：20000-40000Hz；扫描速度：＜1200mm/sec；功率：1.8-5W；光斑尺寸：＜72μm。
在CSP200系统中，晶片在带有晶片卡盘的x-y精密工作台上移动，也可使用其他类型的相对运动系统。从晶片到成像镜头的工作距离约为165mm。摄像机为1/2英寸CMOS百万像素型(如，马萨诸塞州Needham市的康耐视公司(Cognex Corporation)出售的CDC-100)，也可使用其他类型的摄像机(如使用CCD传感器的摄像机)及其他成像器尺寸格式。成像镜头提供55mm的远心型焦距，成像范围为12mm×8mm，每50微米标记外观有像素约3个。远心镜头可减少受光图像对比度随入射视角发生畸变，减少对目标高度的定位误差，因而是较理想的选择。也可选择使用2x镜头适配器，以将分辨率提升至每50微米标记外观6个像素，某些情形下，这是改善检查质量的理想方法。目标区域为摄像机视野中一个或多个标记模址组成的部分区域，所述一个或多个模址内的一个或多个激光标刻记号接受检查。可使用市售机器视觉系统处理图像，如，康耐视PatMax软件。
优选照明系统包括StockerYale公司的Superlightmodel 18高频环形荧光灯(新罕什布尔州Salem市StockerYale，Inc.公司售)，该灯漫射输出高，可设置为提供适中的照明角度，该角度高到足够降低磨痕对比度，低到足够避免强烈的镜面反射，如，约45至55度是较理想的角度。照明器的典型工作距离为约115mm。该model 18环形灯可配备使用色温为5100°K的标准白色荧光灯管，或改为使用其他色温、离散色的现有灯管，如对有些类型的晶片，波长为450nm的蓝色灯管可能是优选的。也可使用其他输出高、照明角度适中的照明器。漫射灯是较为理想的选择，但输出充分的密集型(如，LED)阵列也可改良成像。
有关改良的一个示例是，在使用LED簇时成功检查约50％择定点，而以适中的照明角度、使用优选环形荧光灯、运用30％模板匹配阈值时，成功检查的择定点被提升至约92％的水平。
本领域的技术人员不难理解，在不脱离本发明精神与范围的条件下，能够对上述实施例做出多种修改与变动。

Claims (16)

1.一种用于半导体晶片背面检查组件的照明系统，其特征在于：所述照明系统包括照明光源，所述照明光源经设置后以同高反射、定向反射的表面成约45度至约75度的角度α向所述高反射、定向反射的表面提供照明。
2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述角度α在约50度至约70度之间。
3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述照明光源提供漫射光。
4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述照明光源距所述高反射、定向反射的表面约100mm。
5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述照明光源大体沿与所述高反射、定向反射的表面基本上平行的第一平面而被提供。
6.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于：所述检查组件包括检测系统，所述检测系统可使用照明光源提供的照明，检测基本上整个硅晶片背面上的记号。
7.一种半导体晶片检查系统，其特征在于：包括，
半导体晶片处理系统，用于控制半导体晶片在至少x、y方向上的移动；
照明系统，包括照明光源，该光源经设置后以同半导体晶片的高反射、定向反射的表面成约45度至约75度的角度α向半导体晶片的所述高反射、定向反射的表面提供照明；以及
检查系统，包括摄像机，该摄像机面朝半导体晶片的所述高反射、定向反射的表面，该摄像机与所述表面相距至少约100mm。
8.如权利要求7所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述照明光源包括至少一个环形荧光灯，所述摄像机经定位后其光路通过环形荧光灯中间的开口。
9.如权利要求7所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述系统还包括控制器，所述控制器处理所述摄像机提供的图像数据，所述控制器可将深度小于1微米的标刻记号同晶片磨纹相区分。
10.如权利要求7所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述照明光源提供漫射照明。
11.一种半导体晶片检查系统，其特征在于：包括，
半导体晶片处理系统，用于控制半导体晶片在至少x、y方向上的移动；
照明系统，包括照明光源，所述照明光源经设置后以同半导体晶片背面的高反射、定向反射的表面成约50度至约70度的角度α向半导体晶片的所述高反射、定向反射的表面提供高频照明；
检查系统，包括摄像机，该摄像机沿z方向朝向半导体晶片的所述高反射、定向反射的表面，该摄像机与所述表面相距约115mm；以及
控制器，用于处理所述摄像机提供的图像数据。
12.如权利要求11所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述照明光源包括至少一个环形荧光灯，所述摄像机经定位后其光路通过环形荧光灯中间的开口。
13.如权利要求11所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述控制器可将深度少于1微米的标刻记号同晶片磨纹相区分。
14.如权利要求11所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述照明光源包括多个环形高频荧光灯。
15.如权利要求11所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述半导体晶片背面的所述高反射、定向反射的表面经研磨后有螺旋纹。
16.如权利要求11中所述的半导体晶片检查系统，其特征在于：所述用于处理所述图像数据的控制器运用的模板匹配阈值至少为30％。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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