CN103165492B

CN103165492B - 一种晶圆的tsv的光学显微图像检测方法

Info

Publication number: CN103165492B
Application number: CN201310115902.5A
Authority: CN
Inventors: 潘建军; 缪旻; 李红莲; 牛延召; 朱蕴辉; 文江川
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: CN103165492A

Abstract

本发明提供一种晶圆的贯穿硅通孔(TSV)的光学显微图像检测方法，在晶圆上加工有TSV阵列，所述方法包括：(1)利用标定板对光学显微成像系统进行标定，确定光学显微成像系统所采集的显微图像像素与实际尺寸之间的对应关系；(2)利用光学显微成像系统对加工有TSV阵列的晶圆成像，采集TSV阵列的显微图像，对TSV阵列的显微图像进行图像处理，获得TSV阵列的显微图像中TSV的待测尺寸占据的像素数量；(3)利用TSV阵列的显微图像中TSV的待测尺寸占据的像素数量以及确定的所述对应关系，来测量TSV的加工尺寸；(4)确定测量出的TSV的加工尺寸是否在预定误差范围内。

Description

一种晶圆的TSV的光学显微图像检测方法

技术领域

本发明属于电子封装技术领域，具体涉及一种晶圆的贯穿硅通孔(ThroughSiliconVia，TSV)的加工尺寸是否合格而进行光学显微图像检测的方法。

背景技术

晶圆也称为硅晶片，通常为圆形，用于半导体集成电路制造。TSV是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通以实现芯片之间互连的一种新的封装技术。该技术能够使芯片在三维(3D)方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。图1示出了一种基于TSV的3D系统级封装。这种3D封装技术的主要优势在于：具有最小的尺寸和重量，将不同种类的技术集成到单个封装中，用短的垂直互连代替长的二维(2D)互连，降低寄生效应和功耗等。目前TSV的加工主要采用深反应离子刻蚀(DRIE)方法。TSV刻蚀后的尺寸对后续工艺及最终器件特性都有重要的影响。

TSV的无损检测方法主要有微焦点X射线CT、扫描超声显微镜检测、干涉显微镜检测、红外显微镜检测、电学检测等。微焦点X射线CT和扫描超声显微镜检测可以透过晶圆，对TSV内部的缺陷进行检测，但是一般检测精度较差。干涉显微镜检测具有较高地检测精度，但其检测时间较长，不适合进行在线工艺质量监测。红外显微镜检测和电学检测方法具有较高的检测速度，可以进行在线测试，但目前检测精度较差，仍处于研发阶段，尚未投入实际应用。

发明内容

在步骤(1)中，光学显微成像系统对标定板成像，根据标定板坐标与显微图像像素坐标之间的线性关系，来确定光学显微成像系统所采集的显微图像像素与实际尺寸之间的对应关系。

可利用标定板的未参与标定的部分的光学显微图像对所述对应关系进行验证。

在步骤(2)中，光学显微成像系统采集TSV阵列的多个视野的显微图像，将多幅显微图像进行拼接，对拼接TSV阵列的显微图像进行图像处理以获得TSV阵列的待测尺寸占据的像素数量。

TSV阵列可以是圆孔阵列、正方形孔阵列、正六边形孔阵列中的一种。

TSV的加工尺寸可包括TSV的直径以及TSV之间的间距。

在步骤(4)中，确定测量的TSV的直径以及TSV之间的间距是否均在预定误差范围内。

标定板可以是设置有圆点阵列的点阵标定板。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1是基于TSV的3D系统级封装的示意图；

图2是在本发明中所要检测的单个芯片上的TSV分布设计的示意图；

图3是根据本发明的点阵标定板的示意图；

图4是根据本发明的TSV的光学显微图像检测方法的流程图。

具体实施方式

通常，可通过例如深反应离子刻蚀(DRIE)方法在晶圆上加工TSV阵列。加工了TSV阵列的晶圆可被切割为多个芯片，TSV可在芯片和芯片之间进行垂直导通，从而实现芯片之间的互连。刻蚀所形成的TSV的尺寸对后续工艺及最终器件特性都有重要的影响。因此，需要准确地测量TSV的加工尺寸。

在本发明中，首先标定光学显微成像系统；采用光学显微成像系统对晶圆上的TSV阵列进行成像，通过对TSV阵列的显微图像进行相应处理，测量出TSV的加工尺寸。显微光学成像系统包括光学显微镜和成像装置(CCD/CMOS摄像机)。光学显微镜对测量对象进行放大，成像装置对放大的对象成像。在构造整个成像系统时，可考虑待测TSV的设计尺寸、光学显微镜的物镜的放大倍数以及CCD/CMOS图像传感器的像素尺寸等；以既确保单个TSV的像占有足够的像素，能够被较精确地提取出来，又确保单个视野实际尺寸较大。

以下参照附图来详细说明本发明的实施例。

图2是在本发明中所要检测的单个芯片上的TSV分布设计的示意图，此TSV的加工形状为圆孔，TSV的设计直径为50μm，TSV圆孔阵列的设计间距(即，TSV的中心距)为400μm，图3是根据本发明的点阵标定板的示意图，图4是根据本发明的TSV的光学显微图像检测方法的流程图。应该理解，TSV的加工形状不限于圆形，也可以是正方形、正六边形等。

参照图2至图4，在步骤401，利用标定板对光学显微成像系统进行标定，确定标定参数，即光学显微成像系统所采集的显微图像像素与实际尺寸之间的对应关系(可表示为显微图像的水平像素间距和垂直像素间距，单位为μm/像素)。

选取合适的标定板将对整个光学显微成像系统的测量精度起着重要的影响。在标定过程中可用十字线标定板、栅格标定板、棋盘格标定板、点阵标定板等结构的标定板。TSV的加工形状有圆形、正方形、正六边形等，目前主要采用圆孔，因此测量TSV的加工尺寸时选用点阵标定板(即，在标定板上光刻预定点直径和点间距的圆点阵列)会更适合本发明。应该理解，设置有圆点阵列的点阵标定板也可适用于正方形或正六边形的TSV的检测。

光学显微成像系统对点阵标定板成像，以点阵标定板的圆心作为特征点，根据标定板坐标与图像像素坐标间的线性关系来来确定标定参数，即，光学显微成像系统所形成的图像像素与实际尺寸之间的对应关系。

标定板的基底材料可为陶瓷、玻璃等。标定板的精度对标定的精度有较大的影响。因此，期望尽可能选定高精度的标定板，例如可选定结构误差为±0.15μm的标定板。为提高标定精度，点阵标定板的点直径小于或等于TSV的设计直径，并且点阵标定板的点间距小于或等于TSV阵列的设计间距。参照图2，TSV的设计直径为50μm，TSV阵列的设计间距为400μm。参照图3，图3中的(a)是点阵标定板的示意图，图3中的(b)是点阵标定板的局部放大视图。点阵标定板的点直径D为50μm，点阵标定板的点间距L为100μm。应该理解，本发明不限于此，可根据需要改变TSV的设计尺寸、标定板的结构以及结构参数。在标定完成后，可利用标定板的未参与标定的部分的光学显微图像对标定参数进行验证，验证后可对TSV的尺寸进行检测。

在步骤402，利用光学显微成像系统对加工(例如DRIE加工)有多个TSV的晶圆进行成像，采集TSV阵列的显微图像，对TSV阵列的显微图像进行图像处理，获得TSV阵列的显微图像中TSV的待测尺寸占据的像素数量。图像处理可包括彩色转灰度、二值化、去噪、轮廓跟踪、亚像素边缘检测、曲线拟合中的至少一种。

可采集光学显微成像系统的多个视野的光学显微图像，将多幅光学显微图像进行拼接。在采集多个视野的光学显微图像期间，为了保证能够完整的进行图像拼接，在进行连续的下一视野采集时，要注意装载有晶圆的载物台移动的距离，保证下一视野与上一视野有重合的部分，以便进行图像拼接。

在步骤403，利用TSV阵列的显微图像中TSV的待测尺寸占据的像素数量以及确定的标定参数(，所述对应关系)，来测量晶圆的TSV的加工尺寸。

优选的是，在步骤402中，采集TSV的多个视野的光学显微图像，将多幅光学显微图像进行拼接，对拼接TSV阵列的显微图像进行图像处理以获得TSV阵列的待测尺寸占据的像素数量。

在步骤404，确定测量的TSV的加工尺寸是否在预定误差范围内。假定待测的TSV被设计为圆孔，如果测量的TSV的孔直径和阵列间距均在预定误差范围内，则确定TSV的加工精度满足预定的工艺要求；如果测量的TSV的孔直径和阵列间距中的至少一个超出了预定误差范围，则确定TSV的加工精度不满足预定的工艺要求。

因此，本发明提出了一种TSV的加工尺寸的检测方法，所述检测方法可以在TSV填充、晶圆减薄前检测TSV盲孔，而不是在晶圆减薄、堆叠键合后检测TSV，可以尽早发现工艺质量问题。整个检测过程具有非接触、非破坏、多视场测量、高精度和自动化程度高的特点。由于本发明可望实现智能化、快速和低成本的在线检测，能够显著提高TSV的检测效率和质量。

与目前采用的电学检测方法相比，本发明的光学显微图像检测方法不需要在TSV内填充特定材料，也不需要直接接触芯片，只靠载物台自动移动，整个检测过程具有非接触、智能化的优点，可以避免对芯片本身造成的损坏，而且可以尽早发现工艺质量问题。

与干涉测量法相比，本发明的光学显微图像检测方法所依赖的检测系统成本相对较低，检测效率高，由于工艺简单，操作性好，因此能够显著提高TSV的检测效率。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims

1.一种晶圆的贯穿硅通孔(TSV)的光学显微图像检测方法，在晶圆上加工有TSV阵列，所述方法包括：

(1)利用标定板对光学显微成像系统进行标定，确定光学显微成像系统所采集的显微图像像素与实际尺寸之间的对应关系；

(2)利用光学显微成像系统对加工有TSV阵列的晶圆成像，采集TSV阵列的显微图像，对TSV阵列的显微图像进行图像处理，获得TSV阵列的显微图像中TSV的待测尺寸占据的像素数量；

(3)利用TSV阵列的显微图像中TSV的待测尺寸占据的像素数量以及确定的所述对应关系，来测量TSV的加工尺寸；

(4)确定测量出的TSV的加工尺寸是否在预定误差范围内，

其中，在步骤(2)中，光学显微成像系统采集TSV阵列的多个视野的显微图像，将多幅显微图像进行拼接，对拼接TSV阵列的显微图像进行图像处理以获得TSV阵列的待测尺寸占据的像素数量。

2.根据权利要求1所述的光学显微图像检测方法，其中，在步骤(1)中，光学显微成像系统对标定板成像，根据标定板坐标与显微图像像素坐标之间的线性关系，来确定光学显微成像系统所采集的显微图像像素与实际尺寸之间的对应关系。

3.根据权利要求2所述的光学显微图像检测方法，其中，利用标定板的未参与标定的部分的光学显微图像对所述对应关系进行验证。

4.根据权利要求1所述的光学显微图像检测方法，其中，TSV阵列是圆孔阵列、正方形孔阵列、正六边形孔阵列中的一种。

5.根据权利要求1所述的光学显微图像检测方法，其中，TSV的加工尺寸包括TSV的直径以及TSV之间的间距。

6.根据权利要求5所述的光学显微图像检测方法，其中，在步骤(4)中，确定测量的TSV的直径以及TSV之间的间距是否均在预定误差范围内。

7.根据权利要求1所述的光学显微图像检测方法，其中，标定板是设置有圆点阵列的点阵标定板。