La última tecnología SWIR para inspeccionar obleas semiconductoras

Los circuitos integrados basados ​​en plataformas de semiconductores sustentan gran parte de nuestra tecnología actual: desde dispositivos electrónicos y sensores hasta paneles solares.

La demanda de este tipo de plataformas es cada vez mayor, y la consultora McKinsey prevé que la industria de los semiconductores tendrá un valor de más de 1 billón de dólares en 20301, frente a los 600.000 millones de dólares de 2021.

Se estima que alrededor del 70% de este crecimiento será impulsado por aplicaciones en vehículos eléctricos, almacenamiento de datos y comunicaciones inalámbricas.

La necesidad de procesos de fabricación confiables y de alto rendimiento ha impulsado la necesidad de excelentes tecnologías de inspección de obleas semiconductoras. La inspección de obleas implica obtener imágenes de chips semiconductores durante todo el proceso de fabricación para detectar defectos.

Pero el proceso de inspección es costoso y requiere mucho tiempo, con cientos de pasos involucrados en la fabricación de un solo chip, un proceso que puede llevar hasta dos meses. La creciente necesidad de abordar estas cuestiones ha hecho que la propia industria de inspección de semiconductores adquiera importancia: actualmente está valorada en 5.000 millones de dólares y se espera que crezca hasta 8.900 millones de dólares en 2031, según Allied Market Research2.

Los fabricantes buscan continuamente soluciones de imágenes más rápidas y de mayor resolución para la inspección de chips para ayudar a aumentar la tasa de fabricación. Por ello, se están desarrollando cámaras de última generación y se están llevando a cabo investigaciones de cielo azul en un intento por aumentar el rendimiento y la eficiencia en una de las industrias más importantes del mundo.

La mayoría de los dispositivos semiconductores están fabricados a partir de obleas de silicio. El silicio es en gran medida opaco a la luz visible, pero su transmisividad a la luz en el espectro infrarrojo de onda corta (SWIR) es mucho mayor, lo que lo vuelve transparente en longitudes de onda superiores a 1.050 nm. Como resultado, muchas tecnologías de cámaras utilizadas para la inspección de chips se basan en sensores SWIR. La mayoría de estos sistemas utilizan sensores de arseniuro de indio y galio (InGaAs) con un rango de sensibilidad de 900 a 1700 nm. Al iluminar chips semiconductores de silicio con luz SWIR, estas cámaras pueden detectar características diminutas como microfisuras o partículas contaminantes.

“Para ver pequeñas funciones y fallas se necesita una buena relación señal-ruido. Para ello, se necesita una cámara que sea muy sensible”, afirma Marc Larive, director de marketing estratégico de Xenics, desarrollador de sensores y cámaras para la inspección de obleas semiconductoras en la fabricación de chips.

Las cámaras de Xenics tienen como objetivo lograr el compromiso vital entre la alta sensibilidad requerida para los detectores SWIR en la inspección de semiconductores y la resolución de píxeles. Si bien la sensibilidad de una cámara es directamente proporcional al tamaño de píxel, optar por tamaños de píxel más pequeños no siempre es la mejor solución.

Cámaras Atlas y Triton SWIR de Lucid Vision Lab

“En las cámaras visibles, el objetivo es conseguir el menor tamaño de píxel posible, porque se pueden obtener resoluciones altas”, afirma Larive. “Pero en SWIR esto no es así porque no hay mucha luz natural. Está buscando defectos pequeños, por lo que el presupuesto reducido es un problema. En Xenics, encontramos una muy buena compensación con un tamaño de píxel de 20 micrones: con él se pueden detectar elementos muy pequeños y fallas pequeñas”.

Las cámaras SWIR que ofrece Xenics son su serie Wildcat+ 640, que utiliza matrices de detectores de fotodiodos InGaAs de fabricación propia, diámetros de píxeles de 20 micrones y ofrece velocidades de fotograma completo de hasta 300 Hz. Larive dice que el Wildcat+ 640 ofrece la "sensibilidad normalizada" más alta (una medida de la superficie de los píxeles en comparación con el ruido del detector) disponible en el mercado, con un alto rango dinámico. También viene con una interfaz industrial estándar y capacidades de activación, funciones que son invaluables para los clientes de fabricación. Xenics afirma obtener una sensibilidad normalizada aproximadamente un 20% más alta que la mayoría de los competidores del mercado que utilizan tamaños de píxeles más pequeños.

Si bien la resolución y la velocidad son métricas importantes, Xenics enfatiza que la fácil integración y la compatibilidad con la infraestructura de fabricación existente también son muy importantes. "No es ciencia espacial", dice Larive. “Pero es muy importante para los fabricantes, para que no tengan que pasar años redesarrollando la tecnología. Debería ser algo plug-and-play”.

Xenics añade que sus productos no sólo cubren SWIR. También apunta al infrarrojo de onda larga (LWIR) a través de su serie de productos Dione CAM. Las cámaras LWIR también son de gran interés para los fabricantes de obleas semiconductoras, en particular por su capacidad para buscar defectos térmicos. La serie Dione utiliza microbolómetros disponibles comercialmente para sus sensores.

Lucid Vision Labs es otra empresa que está dando grandes pasos en la tecnología de cámaras para la inspección de semiconductores. Las gamas Triton y Atlas de Lucid ofrecen cámaras SWIR que utilizan sensores Sony InGaAs IMX 991 de 0,3 megapíxeles e IMX 990 de 1,3 megapíxeles. Lucid lanzó Triton SWIR a principios de 2023, lo que ofrece a los clientes una alternativa de menor costo a su potente serie Atlas. La cámara Atlas SWIR, a diferencia de la gama Triton, ofrece refrigeración interna para disminuir el ruido térmico en la detección SWIR.

Lucid ofrece una amplia gama de productos para la inspección de obleas, hasta 10 Gigabit Ethernet (10GigE) con resoluciones de hasta 47 megapíxeles. Sus cámaras modelo Atlas, con una resolución de hasta 31 megapíxeles, se venden ampliamente y ofrecen más de 5GigE. Lucid está trabajando para impulsar aún más la resolución de sus cámaras, con el objetivo de lanzar una versión de 65 megapíxeles de la cámara Atlas (Atlas10) en el segundo trimestre de 2023. Esta cámara será el modelo de mayor resolución de Lucid, con el sensor CMOS GMAX3265 de Gpixel.

Al igual que otros competidores en la industria, Lucid dice que las cámaras SWIR tienen una gran demanda para la inspección de semiconductores, pero también produce cámaras UV que se utilizan en otras partes del proceso de fabricación de chips. En diciembre de 2022, Lucid lanzó un modelo UV de su cámara Atlas10 GigE con un sensor Sony IMX487 de 8,1 megapíxeles, capaz de capturar imágenes entre 200 y 400 nm.

Si bien tanto el desarrollo de sensores como de cámaras son importantes para la tecnología de Lucid, la compañía afirma que, además de los aumentos en la resolución de imágenes o la velocidad de fotogramas, la gestión del ancho de banda y la transferencia de datos se están convirtiendo en áreas importantes de crecimiento. En la inspección de dispositivos, para una detección de defectos más eficiente, las cámaras necesitan altas velocidades de cuadro y alta resolución de imagen. Esto crea una gran cantidad de datos. El desafío entonces es introducir estos datos en una computadora procesadora o GPU, lo que requiere una interfaz de gran ancho de banda.

"La gran pregunta es '¿cómo se deben procesar todos estos datos entrantes?'", dice Alexis Teissie, gerente senior de productos de Lucid Vision Labs. "En lo que respecta a la interfaz, estamos contemplando una visión global de no sólo llevar todo a la CPU central, sino también de intentar trabajar estrechamente con nuestros clientes para escalar con la tecnología".

Teissie dice que se trata de aprovechar el estándar de red utilizado en los clústeres informáticos de alto rendimiento, pero aplicándolo a la visión artificial. "Y asegurarnos de que podamos transferir de manera confiable 10 Gigabits desde múltiples cámaras sin participación de la CPU", continúa. "Debido a que trabajamos con cámaras de alta velocidad de fotogramas y necesitamos la mayor confiabilidad y, por lo tanto, un gran ancho de banda, estamos desarrollando una tecnología especial de transferencia de red: una tecnología DMA remota".

Remote DMA (RDMA) es una tecnología que permite a las computadoras en red intercambiar información sin depender de los sistemas operativos o procesadores de las propias computadoras. Esta tecnología permite una baja latencia en el proceso de transferencia de datos, lo que significa que los paquetes de datos no tardan mucho en almacenarse o recuperarse. Entonces, al utilizar RDMA, los datos se pueden transferir rápidamente sin ninguna carga para la CPU de los procesadores involucrados.

"Este es un elemento básico para garantizar que tengamos una transferencia confiable, de modo que podamos asegurar que siempre que se requiera un marco, se entregará con certeza", dice Teissie.

"Existe un movimiento para alcanzar velocidades más altas y obtener anchos de banda más altos; este es sólo el primer paso", añade Teissie. “Se acercan 25GigE”.

La próxima cámara Atlas10 de Lucid con RDMA se lanzará a finales del segundo trimestre de 2023 y señala que "uno de los mercados objetivo para esto es definitivamente la inspección de obleas de semiconductores".

Un factor limitante que rodea a las cámaras SWIR basadas en sensores de InGaAs es su precio, que puede alcanzar miles de euros por chip sensor debido a su proceso de fabricación. En los últimos años, los sensores SWIR que utilizan puntos cuánticos (QD) han proporcionado una ruta potencial para reducir los costos. Estos sensores, que se basan en películas delgadas, utilizan QD como mecanismo de detección de radiación SWIR.

Los QD ahora están revolucionando el mercado de las cámaras SWIR, y se implementan en productos como la serie Acuros de SWIR Vision Systems y la cámara VS20 Vis-SWIR de Emberion. Las cámaras Acuros utilizan un tamaño de píxel de 15 micrones en sus detectores, además de ofrecer tecnología de enfriamiento de la cámara para reducir el impacto del ruido térmico. Emberion también está desarrollando una versión de su serie VS20 con una interfaz GigE, que potencialmente ofrece una velocidad de fotogramas de hasta 400 fps.

La cámara Acuros de SWIR Vision Systems, izquierda, y la VS20 Vis-SWIR de Emberion, derecha, se basan en sensores que utilizan tecnología de puntos cuánticos.

"Las cámaras SWIR basadas en QD ya están en el mercado y cuestan aproximadamente la mitad del precio de las alternativas convencionales", afirma el Dr. Hao Pang, director ejecutivo y fundador de Quantum Science, un desarrollador especializado en nanomateriales que utiliza una nueva técnica de fabricación para reducir el precio de Los sensores SWIR basados ​​en QD van aún más lejos. Sus INFIQ QD desarrollados internamente se producen a escala mediante un proceso sintético que facilita el control y la producción. Esto les permite, en palabras de Pang, fabricar sensores SWIR "a una fracción del precio de las tecnologías existentes".

“Los procesos de formación tradicionales implican la deposición de entre 14 y 16 capas de película delgada, lo que introduce múltiples oportunidades para que se produzcan errores de fabricación. Los INFIQ QD se pueden depositar en una sola capa. Esto minimiza el riesgo de que se formen defectos y acelera el proceso de fabricación”.

La fabricación de QD de Quantum Science también sortea otra barrera para la amplia adopción de QD: la toxicidad de los componentes de metales pesados ​​utilizados en su fabricación. La empresa ya se está asociando con empresas de diseño de sensores y grandes empresas de semiconductores con el objetivo de llevar sus QD al mercado rápidamente.

En el ámbito académico también se están produciendo avances prometedores para posibles aplicaciones en la inspección de semiconductores. El equipo de Jinyang Liang en el INRS de la Universidad de Québec, Canadá, lanzó recientemente una nueva cámara basada en tecnología de imágenes de un solo píxel, descrita en Nature Communications3.

La obtención de imágenes de un solo píxel es una tecnología de imágenes computacional que se basa no sólo en la imagen óptica recopilada por un detector, sino también en el uso de una computadora para reconstruir la imagen: tecnología que reúne tanto la ingeniería óptica como la informática.

"La unión de estos dos campos puede brindar muchos aspectos únicos que permiten que los sistemas de imágenes superen las capacidades técnicas de los sistemas de imágenes convencionales", dice Liang. "El objetivo de nuestra investigación es el aspecto [de imágenes] de alta velocidad".

La investigación de Liang describe cámaras que funcionan con velocidades de cuadro de hasta un millón de cuadros por segundo. Por el momento, la tecnología existe sólo en lo visible, pero Liang y su equipo están considerando comercializar sus cámaras para aplicaciones en imágenes infrarrojas de onda larga y terahercios, potencialmente de interés para la inspección de obleas de semiconductores.

La configuración de Liang et al. para combinar técnicas de imágenes de un solo píxel y de terahercios, que podría ofrecer una excelente solución para la inspección de semiconductores no invasivos.

"La combinación de esta técnica [de imágenes de un solo píxel] con imágenes de terahercios podría ser una técnica potencial muy interesante para la inspección no invasiva de semiconductores porque es sensible al flujo de cargas", afirma. "Es posible que podamos ver el flujo de cargas para ver dónde podría haber un cable roto o un chip que no funciona correctamente".

Actualmente, este tipo de inspección se realiza capturando primero una imagen y luego extrayendo información de posición fotograma a fotograma, lo que lleva mucho tiempo. Sin embargo, Liang ve las imágenes de un solo píxel como una técnica que potencialmente puede aumentar drásticamente la velocidad de inspección. "La ventaja sería que tendrías velocidades de imagen mucho más rápidas", dijo.

La investigación de Liang aún se encuentra en su fase de desarrollo, aunque el equipo se ha asociado con Agile Light Industries para trabajar en la aplicación de su investigación a sensores comerciales existentes.

"Para la técnica que hemos desarrollado, el nivel de preparación tecnológica es bastante alto", dice Liang. "En este momento estamos trabajando en el desarrollo conjunto de esta tecnología para convertirla en un dispositivo compacto y listo para usar".

En la industria de inspección de obleas, investigaciones como la de Liang se están filtrando rápidamente hacia productos comerciales, reflejando un entorno de fabricación dinámico e intransigente. Con otros como Lucid, Xenics y Quantum Science aportando nuevas innovaciones a sus propias líneas de productos, el futuro de la inspección de chips ciertamente parece brillante.

Imagen principal: Lucid Vision Labs

Referencias

Soporte de MaximilianoyKlaus Riemercomparta cómo las cámaras CMOS de escaneo lineal en color permiten una inspección de alto rendimiento para la fabricación de semiconductores y PCB

Las geometrías de los semiconductores y los componentes de las placas de circuito impreso (PCB) son cada vez más pequeños, mientras que las demandas de pruebas y control de calidad aumentan.

Debido a las diminutas estructuras implicadas, la inspección óptica en la fabricación moderna de semiconductores se produce en el rango micrométrico. La necesidad de detectar defectos y contaminación a esta escala y con un alto rendimiento impone las más altas exigencias a los sistemas de inspección. Para ello se han desarrollado cámaras de escaneo lineal en color de altísima resolución con tecnología CMOS.

Las cámaras de escaneo lineal son adecuadas para tareas de captura de imágenes en las que se deben capturar y analizar con alta resolución óptica grandes áreas en rápido movimiento u objetos planos. En una cámara de barrido lineal CCD, los píxeles del sensor están dispuestos en una sola línea. El ciclo de lectura se adapta a la velocidad de paso de los objetos o superficies inspeccionados. Luego se crea toda la imagen bidimensional uniendo las líneas individuales.

Los sensores CCD han sido durante mucho tiempo la tecnología elegida en imágenes de escaneo lineal debido a su calidad de imagen, alta sensibilidad, bajo ruido, baja falta de uniformidad en la respuesta fotográfica (PRNU), alto rango dinámico y relación señal-ruido. Estos beneficios son esenciales en el escaneo en línea debido a la adquisición de imágenes de alta velocidad y al número reducido de células fotosensibles, lo que significa que la exposición es limitada.

Los sensores de escaneo de línea CMOS de nueva generación ahora ofrecen una calidad de imagen similar a la de los CCD, junto con beneficios como una mayor velocidad de lectura y modos de lectura flexibles. A diferencia de los CCD de una sola línea, estos sensores tienen varias líneas de píxeles, lo que permite diferentes modos de funcionamiento según los requisitos de la aplicación. Un beneficio clave de un sensor multilínea es la integración de retardo de tiempo (TDI). TDI consiste en sumar los valores de líneas de píxeles adyacentes de forma sincrónica con el movimiento del objeto debajo de la cámara. La misma sección del objeto se visualiza mediante varias líneas, y la suma de las señales de todas estas líneas aumenta la intensidad de la señal en comparación con un sensor de una sola línea. Esta solución tiene una relación señal-ruido mucho mejor que un aumento igual en la ganancia.

Con la integración de retardo de tiempo, todos los píxeles de la misma columna capturan el mismo punto del objeto cuando el objeto pasa por debajo del sensor. Las señales de todos los píxeles se suman para aumentar la sensibilidad.

La combinación de una iluminación de línea especialmente adaptada con cámaras de escaneo de línea CMOS da como resultado un potente sistema adaptado óptimamente a la aplicación. El sistema de iluminación ilumina de forma homogénea una línea sobre el objeto con una luminosidad muy alta, de modo que el color de la luz y la geometría de la iluminación se pueden adaptar con precisión a las necesidades de captura de la imagen.

La rentabilidad en la fabricación de semiconductores depende del nivel de rendimiento impecable del producto. Por lo tanto, los fabricantes prueban los productos varias veces, comenzando con las obleas desnudas y terminando con la inserción de los chips en los paquetes de circuitos integrados.

A medida que la oblea avanza por la línea de producción, se añaden componentes, lo que aumenta su complejidad. Por lo tanto, los defectos que reducen el rendimiento deben identificarse lo más rápido y temprano posible y, al mismo tiempo, reducir el tiempo total de inspección. Esto da como resultado más puntos de inspección en cada paso del proceso en la línea de producción, y el sistema de inspección requerido para producir los resultados del escaneo más rápidamente. El rendimiento de la inspección es fundamental para la producción general de la fábrica.

Las técnicas de escaneo e iluminación ofrecen una solución al proporcionar una inspección de semiconductores más rápida y eficiente. Por regla general, la inspección de las obleas se realiza con iluminación de campo oscuro e iluminación coaxial de campo claro. Los PCB se pueden inspeccionar utilizando una combinación de luz difusa e iluminación de campo brillante: la luz difusa se usa principalmente para componentes con forma 3D para eliminar el brillo y los reflejos, mientras que la iluminación de campo brillante se usa para inspeccionar el sustrato mismo.

Las cámaras de nueva generación cuentan con funcionalidades de iluminación multicanal que permiten diferentes tipos de iluminación en un solo escaneo. La adquisición de hasta cuatro imágenes diferentes en un escaneo proporciona mucha más información y mejora la detección de defectos. Las imágenes multicampo permiten la generación de imágenes HDR a partir de hasta cuatro líneas capturadas con diferentes configuraciones. Esto permite detectar detalles tanto en áreas brillantes como oscuras de la imagen. Ambos se pueden combinar para aumentar la confiabilidad de la detección y acortar el tiempo de inspección.

allPIXA evo de Chromasens permite combinar hasta cuatro configuraciones de iluminación en un escaneo. Aquí se muestran tres configuraciones de luz diferentes.

La tendencia hacia la miniaturización continúa para los PCB y los componentes montados en ellos. Esto conduce a la llamada panelización, en la que se fabrican varios PCB en un panel. Cada PCB del panel se identifica mediante un código de barras único y, por lo tanto, inspeccionar rápidamente los PCB es, en consecuencia, complejo y exigente. Por ejemplo, durante la inspección visual, se deben identificar los defectos de soldadura existentes, como interrupciones, puentes de soldadura, cortocircuitos de soldadura o exceso de soldadura, además de los defectos de los componentes, como soldadura levantada y componentes faltantes o mal colocados. Un sistema de cámara de escaneo de líneas en color puede realizar estas tareas de inspección con gran precisión debido a su alta velocidad de operación y resolución lateral. También se deben detectar cables de cobre oxidados en PCB, pero los sistemas monocromáticos no pueden identificar de manera confiable las áreas oxidadas. Sin embargo, las cámaras de escaneo lineal en color de alto rendimiento, como la allPIXA evo de Chromasens, combinadas con una iluminación de alto rendimiento, destacan en esta tarea.

Los ejemplos de la fabricación de semiconductores y PCB muestran que las cámaras de escaneo de líneas en color de alto rendimiento pueden desempeñar un papel importante como componentes centrales en procesos de inspección 100% en tiempo real. La calidad de imagen y el rendimiento de resolución de los sensores de línea CMOS multilínea a todo color dan como resultado un potencial de aplicación particularmente alto para sistemas de cámaras. Las mediciones de color rápidas y precisas y la inspección 3D rápida son aplicaciones futuras adicionales.

Soporte de Maximilianoes Gerente de I+D yKlaus RiemerDirector de proyectos en Chromasens GmbH.