在半導體生產中使用拉曼光譜監測紫外線固化
在半導體生產中使用拉曼光譜監測紫外線固化
重點 :
• 紫外線固化環氧樹脂
• 晶片封裝加工
• 半導體生產
技術 :
• 拉曼
應用 :
• 反應監測
• 過程控制
找到一個工具能用多種方式幫助你不是很讚嗎?工具通常會以某項工作來制定，但是在複雜的產業像是半導體生產中，通常需要充分利用手中的每項資源。由於時間就是金錢，在生產過程中特別耗時的步驟最終會為用戶帶來更多的成本，特別是在要生產上千個產品的時候。
舉例來說，曾經使用膠水修理東西的任何人都知道在等待膠水乾的時候是令人沮喪，而且很少有人知道他是否完全牢固了；同樣的問題也發生在半導體組裝的晶片封裝過程中。
晶片封裝的過程最常使用某些1部分或2部分環氧樹脂膠來黏合部件，通常是使用熱固化(1)。然而延長的固化時間以及在組件上潛在的溫度應力都會讓這些常見的環氧樹脂膠不太理想。藉由使用也可以熱固化的紫外線固化環氧樹脂，透過固化露出的邊緣以及固定在同個位置並對齊來快速將部件固定到位(圖一)。從那裡開始，可以進行常規的熱處理來固化任何被遮蔽的地方。
所以，從短期來看，我們要怎麼知道紫外線固化已經完成? 從長遠來看，我們如何測試以及確定還有那些能在晶片封裝過程中改善的速率常數?
圖一: 使用紫外線固化技術是在半導體生產中最常使用的幾種晶片封裝的選項之一。
拉曼光譜用在過程控制
拉曼光譜學是一種強大的技術，已經存在了幾十年，但直到最近才被使用在主流生產流程中。這項基於雷射的技術能夠快速檢測以及追蹤樣本的參數，這些參數對於標準的寬帶光譜學方法來說是隱藏的或尤其具有挑戰性的。
拉曼激發峰通常對應於某些化合物。在這則例子中的紫外固化膠，我們可以通過追蹤環氧樹脂的峰隨時間變弱來確定部件已經完全固化。
在這裡介紹的研究中，使用了 QE Pro785nm 拉曼光譜儀以及搭配的785激發拉曼雷射模組以及對應 785nm 的拉曼探頭來評估常見的半導體紫外線固化膠。我們研究訊號品質作為積分時間以及光譜平均的函數，因為總掃描時間是積分時間乘於平均次數。舉例來說，積分時間 200ms 搭配3次掃描做平均，總共需要花費 600ms。
圖二: 一台高靈敏度光譜儀像是QE Pro-Raman+，可以搭配適合的雷射及探頭來方便對大範圍的樣本作拉曼分析。
優化量測參數
在追蹤快速固化黏著劑時，要如何調整成最好的積分時間以及平均次數搭配?你應該要增加更多的積分時間來獲得更大的訊號，或是提高平均來提升穩定性?在下面的圖中，我們觀察三種不同的總掃描時間－3秒、1秒 及 0.25秒( 4Hz)－我們追蹤在固化過程中 1630cm-1 峰的強度下降。
在圖三中，圖A展示了重視積分時間而不使用平均的響應，但是這讓某些峰產生了扭曲，並且在最快掃描速率時看不出變化。接著，當我們著重平均而使用3次平均如圖B時，我們能看到更好的峰型，甚至在最快的 4Hz 速度也能發現一些能察覺到的變化。在圖C，藉由設定3boxcar 來增加額外的波數平滑，我們看到了更加連貫的峰以即可提取的數字。從這能學到平均通常能給你更清晰的拉曼結果，比單純增加積分時間來增幅訊號來的好。
此外，我們可以使用時間相關的資料以及下列公式來計算預估的固化解析度，其中的 Ilow% 以及 Ihigh% 是觀察到的兩個已知固化條件的強度:
圖三: 圖A展示更高的積分時間以及較少的平均，圖B展示較低的積分時間以及更多的平均，圖C展示使用3-boxcar平滑後的圖B。
圖四: 圖D展示在不同積分時間及平均下的跟時間相關原始資料，圖E展示用於確定速率係數的五秒滾動平均的衰減曲線。
在圖3中的圖B，使用了積分時間1秒及3次平均，最終結果略好於 20%，意思是我們可以確定環氧樹脂已經化學反應完 80%。
這資訊對於處理產品出廠的組裝團隊來說是直接有用的，但是在早先我們談過工具有多種使用方式。確實，這對在進行全部製程最佳化的工程師來說，這種測量有著長期價值。這些時間相關的趨勢可以被用在確定固化過程的速率常數，這能確認當前的環氧樹脂能表現出符合規格的，以及評估未來能用更快的固化速度。
在圖四，圖D展示了一些拉曼峰在不同積分時間即平均下的時間相關的比較。請注意在高平均的趨勢的平滑程度。圖E展示了原始的衰減資料以及五秒滾動平均後更加平滑的響應。這允許緊密的曲線擬合來提取速率係數。
總結
這裡顯示的內容對於監測生產環境中的黏合劑固化很有價值，但是這些概念對平時的拉曼使用也是很有價值的。
Boxcar 平滑是個很有力的工具，不像標準的光譜平均會影響總掃描時間，而是平滑相鄰像素上的訊號。然而，這可能對拉曼光譜有點棘手，因為通常觀測到的尖銳峰會被 boxcar 平滑給快速消除。但是在我們知道峰的位置並採取低強度採集訊號的情況下，使用一些較小的boxcar平滑來增加訊號的一致性會對這狀況很有幫助。
第三種在後製處理時使用的平均方式是滾動平均，在圖4 圖E 上以淡藍及紫色表示。雖然核心平均的特徵是累積掃描然後轉存這些資料，滾動平均則是會持續回顧最新的掃瞄，來提供時間平滑曲線而不會增加總掃描時間。
紫外線固化是個關鍵的生產步驟，需要進行實驗才能達成特定部件和製程的最佳性能。藉由使用正確的積分時間、掃描平均、boxcar 平滑以及滾動平均搭配組合，你可以從看起來混亂或是微小的激發峰裡提取意想不到的有用拉曼資料。從這些資料我們能獲得有關製程狀態的即時資訊和更廣泛的行為參數來實現長期的流程改進。
雖然我們沒有時間去嘗試其他類似的光譜設備是如何監測傳遞的紫外光強度，但也肯定有不少的應用是使用寬波段光譜的優勢在半導體組裝上。
參考:
1. Rebecca Wilmot. Adhesives for Die Attach for Electronics. Permabond.com. Permabond, April 2017. https://www.permabond.com/resource-center/adhesives-die-attach-electronics/.
2. What is the Die Attach process? Oricus-Semicon.com. Oricus Semicon Solutions, November 2021. https://oricus-semicon.com/what-is-the-die-attach-process/.