近几年整个封装界讨论的热点之一便是从传统2D封装到先进2.5D及3D封装（备注：各种封装形式差异可参看艾邦半导体公众号）。我们之前也对先进封装设备及工艺等进行了一些归纳总结，伴随着封装的工艺尺度变得越来越小，封装的工艺与晶圆生产工艺越来越接近。两者在走到极致时都同时遇到了失效或良率提升中最大的拦路虎之一：洁净室中的各种类型及尺寸的粒子（Particle）。

图1 BA及AE两大联盟

之前的一篇文章《先进封装之混合键合（Hybrid Bonding）的前世今生》中提到，为了能够顺利生产出Hybrid Bonding的设备当前业界有两大阵营：Besi与Applied Material的BA联盟以及香港的ASMPT与EV GROUP (EVG)的AE联盟。那Hybrid Bonding到底需要将洁净度控制到什么程度呢，需要巨头们强强联合？知己知彼百战不殆，先看看Particle长什么样子的呢？

先进封装环境控制之微粒子（Particle）检测原理

图2 光掩膜上的Particle导致Wafer上的缺陷

图3 纳米级particles

图4 纳米级有机物particles，通常有机物由小颗粒聚集

图5 液体挥发后残留的非挥发性物体在表面形成纳米颗粒

图6 不同材质的小于20nm的Particle

今天，我们先从Particle的检测来聊一聊。半导体洁净室等级通常按照图7来进行区分。在wafer to wafer level 形式的先进封装工艺中，由于对整个wafer的共面性要求极高，工作区域的洁净度控制甚至要比现在ISO 1级要求更高。ISO 1级要求每立方米不高于10个0.1微米的颗粒，而wafer to wafer level 先进封装的工作区域洁净度要小于5个0.1微米的颗粒，才能保障健康的良率。

图7 ISO/DIS 14644-1洁净室和洁净区按空气中悬浮粒子浓度的分级

那颗粒数量如何快速计算呢？颗粒尺寸及数量分布通常有四种方法：Laser diffraction激光衍射（<0.1um-8750um）, Dynamic Image Analysis 动态图像分析（<1um-34000um），Ultrasonic Extinction超声波消光（<0.1um-3000um），Dynamic Light Scattering 动态光散射（<0.5nm-10000nm）。

图8 四种测量颗粒尺寸及数量分布的方法

源自：www.sympatec.com

Laser diffraction激光衍射是半导体业界最常用的一种方式，也叫激光粒度仪，激光粒度仪是基于光衍射现象设计的，当光通过颗粒时产生衍射现象（其本质是电磁波和物质的相互作用）。衍射光的角度与颗粒的大小成反比。不同大小的颗粒在通过激光光束时其衍射光会落在不同的位置，位置信息反映颗粒大小；同样大的颗粒通过激光光束时其衍射光会落在相同的位置。衍射光强度的信息反映出样品中相同大小的颗粒所占的百分比多少。激光衍射法就是采用一系列的光敏检测器来测量位置粒径的颗粒在不同角度上的衍射光的强度，使用衍射模型，通过数学反演，然后得到样品的粒度分布。通过该位置检测器接收到的衍射光强度，得到所对应颗粒粒径的百分比含量。

图9 大粒子衍射出现小的图案（r0小）

小粒子衍射后出现大的图案（r0大）

图10 衍射模型

图11 不同形状颗粒衍射图形

Dynamic Image Analysis 动态图像分析法是在前面激光衍射法基础上利用记录动态衍射图，然后对图像进行处理后计算出来的粒子大小及其数量分布。额外有一个Dispersing unit (分散系统)，主要针对细、干和粘性颗粒聚集体进行分析，确保以单个颗粒形式在气溶胶射流中送入传感器的颗粒的有效分离。

图12 动态图像分析法示意图

Ultrasonic Extinction超声波消光，主要应用于具有高浓度固体颗粒或液滴的液体分散体，通常是完全不透明的。普通的光学衍射分析仪需要高度稀释，但是稀释不仅会导致大量的制备工作，还会改变分散的初始状态。超声消光为悬浮液和乳液的粒度分析提供了卓越的性能。超声波消光的一个主要优点是能够在高浓度介质中操作，这通常伴随着湿法工艺阶段。该方法甚至可以应用于高达70%（体积）的典型的糊状颗粒系统。该方法的优势在于可以改变超声波频率来收集不同频率下衍射图案，由于超声波方向固定而方向依赖性较强。超声波信号对不同颗粒的重复扩散和衍射（多次散射）有助于信号偏转，因此这些不需要的信号分量的接收被方便的消除。这简化了测量信号的理论描述，使得该方法特别适合用于高产品浓度。

图13 大的颗粒尺寸超过了超声波波长产生了强烈阻尼作用，而右图小于超声波波长的粒子被携带，只产生微弱的阻尼效应

Dynamic Light Scattering动态光散射，该方法的优点可以对粒子尺寸进行准确测量。在动态光散射之前，业界广泛应用光子相关光谱（PCS）的测量方法，但是该方法需要极度的稀释样品，以减少干扰影响，但是稀释本身会改变原始样品的性状。测量原理基于两个相互垂直偏振的独立激光束，这些激光束被引导到测量区，并通过光学器件通过176°的反向散射平行返回。通过偏振滤波器分离p偏振和s偏振激光束的光，实现了高信噪比。结果，该技术在更高的样品浓度和更短的测量时间下可靠地获得了可重复的测量结果，并提高了精度。

图14 动态光散射示意图同时由两组接收器动态收集两组激光Laser A与Laser B产生的衍射图

最后，我们谈谈相关设备供应商：国内佼佼者四方广电、合资的有沈阳加野、国外的德国新帕泰克、Lighthouse等都是具备系统解决方案且实力较强的供应商。

图15 四方光电应用于各种洁净室的粒子计数器

图16 加野洁净室环境动态在线监测系统CRMS

图17 Lighthouse便携式粒子计数器

当然肯定还有很多实力强劲的供应商没有一一列出，如有兴趣，请一定入群告知。

参考网址及文献：

1. https://www.chem17.com/st3582/article_3077639.

html

2. http://www.winifred-hk.com/show-116.html

3. https://www.sympatec.com/en/particle-measure

ment/

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先进封装设备类似前道晶圆制造设备，供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装的发展，Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到的设备也越先进。以长球凸点为例，主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等，因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、刻蚀机、电镀设备、清洗机等，材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。为促进行业发展，互通有无，欢迎芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游加入艾邦半导体先进封装产业链交流群。

先进封装环境控制之微粒子（Particle）检测原理

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