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其核心内容主要围绕“针对3D集成电路中高密度硅通孔(TSV)以及晶圆/芯片间微纳级接合接口的隐蔽缺陷,利用高亮度的同步辐射光(进行超高分辨率、三维无损显微断层扫描(X-ray Micro-CT)的技术攻关与原理验证。
以下是基于检测设备硬件、物理成像机理、以及算法系统的详细技术内容总结:
先进制程挑战: 随着高性能计算(HPC)和AI芯片向3D堆叠异质集成(3D-IC / Multi-die Stacking)演进,微凸点(Micro-bump)、铜-铜(Cu-Cu)直接键合以及高深宽比的3D TSV结构成为互连的关键。
传统检测盲区: 传统的物理破坏性切片(FIB-SEM、TEM)吞吐量极低且破坏样品;
普通实验室级X射线源由于通量(Flux)低、相干性差,在面对硅片内部亚微米级的微小空洞(Void)、裂纹(Crack)和接合不良时,成像对比度和空间分辨率完全无法满足检测 Gage R&R 的要求。
技术靶向: 利用同步辐射光源(PLS-II,Pohang Light Source)提供的高亮度、高准直度、能量可调的光子束流,开发一套面向半导体后道高级封装的极限无损检测方案。
与常规基于吸收对比度的X光检测不同,报告重点引入了更先进的光学成像机制:
相衬成像技术:在硬X射线(Hard X-ray)波段,轻元素材料(如键合界面的聚合物或微小空洞内的空气)对X光的吸收极其微弱,传统的吸收成像往往“看白一片”。
研发团队利用同步辐射光优异的空间相干性,引入了传播相衬成像。当X光穿过微小空洞的边缘时,由于折射率(Refractive Index)的微小阶跃会产生干涉和衍射边缘增强效应。这使得哪怕在极低吸收差异下,设备也能大幅度拉高微小空洞和分层缺陷的边界信号对比度。
白光/单色光形貌术: 利用连续谱和单色化的辐射光,针对晶圆接合后的内部晶格畸变与热应力形变进行衍射形貌成像,用于量测由于 Bonding 压力和温度带来的衬底应力分布。
检测设备的软件核心在于高保真度地还原芯片内部的真实三维形貌:
3D Micro-CT 断层扫描重构: 晶圆工作台在辐射光束流中进行高精度角度旋转,采集数百张不同投影方向的二维相衬图像。通过开发专门针对相衬增强信号的相位检索(Phase Retrieval)算法与改进型的 3D 滤波反投影(FBP/FDK)重构算法,将离散的二维投影数据在计算机中还原为亚微米/纳米级体素(Voxel)的三维数字模型。
缺陷特征量化分析: 软件系统可对重建后的 3D 模型进行任意层面的数字切片(A/B/C-Scan),自动量测和计算键合界面微小空洞的总体积占比、空间位置分布以及 TSV 填孔的完整性,为前道键合工艺(如等离子体激活键合 Plasma-Activated Bonding)的参数优化提供量化反馈。
虽然同步辐射光由于光源体积极其庞大(电子加速器环),目前无法直接作为 Fab 厂内在线量产(In-Line)的常规机台使用;但它展现出来的超高信噪比相衬成像技术与三维断层重构软件体系,是指导下一代实验室级/厂内高阶无损3D AXI(自动X射线检测)检测机台设计的最核心底层底座。它成功验证了在不破坏芯片的前提下,清晰捕捉 3D 堆叠互连界面微纳级缺陷的可行性,是先进封装良率管理的高阶技术支撑。