CN103460368B - Tsv检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，本发明的TSV检测用干涉仪在检测TSV时，利用可变视场光阑检测TSV的直径及深度，从而能够缩短检测时间，并且减少结果数据容量，其中可变视场光阑将光线的焦点调节到TSV的入口和底面。而且，本发明利用远心透镜，从而即使在如TSV那样纵横比大的情况下也能确保到达底面的光量，从而提高检测精度，其中远心透镜使向TSV入射的光线实质上成为直线光。
Description
技术领域
本发明涉及一种TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，更为详细地涉及一种在干涉仪中设置可变视场光阑，从而能够检测在硅半导体上形成的如TSV(ThroughSiliconVia，硅通孔)等具有大纵横比的通孔的直径和深度的TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法。
背景技术
最近，在半导体领域中为了克服有限面积的芯片的二维微细化技术的局限性，三维结构的芯片开发作为对策来提出。
三维结构的概念已应用在封装领域中，但在以往的方式中，由于各种端子只配置在半导体芯片的一面并且通过焊接方式电连接多个芯片的信号端子，因此在芯片的大小、布线的复杂性以及电力消耗等方面会产生问题。
于是，为了克服这种问题曾经提出一种TSV(ThroughSiliconVia)技术。该技术在半导体基板材料即硅中形成垂直贯通的电极，提供如高层建筑的电梯那样的信号传递路径。
这种TSV技术在电路的集成度、工作速度、电力消耗以及制造成本等上有望大有改善效果，因此正在集中进行研究。
然而，现实情况是仍然将以往的干涉仪作为形成TSV并检测TSV的形成状态的TSV检测装置来使用。
在干涉仪中最为代表性地使用的干涉仪为白光干涉仪(WLI,WhiteLightInterferometer)，该干涉仪将从一个光源输出的光线分为两束，并使被分割的两束光以彼此成为直角的方式行进后再相遇，并通过两束光的光路差形成干涉条纹。
通过所述原理能够检测如硅半导体晶片等薄膜的表面拓扑等特性。
图1是白光干涉仪的示意图。参照图1，白光干涉仪通过分光器120将由光源110生成的光线分为互相垂直的两个方向的光，在分割光中的一束光线则通过镜子130反射，另一束光线则通过检测对象140反射后重新射入分光器120。
而且，重新射入的各分割光经过分光器120而结合，通过物镜160和中继镜(未图示)在CCD（电荷耦合装置）150上形成干涉条纹。
在此，物镜160通过压电传感器170沿光路方向移动，从而能够调节在CCD150成像的光的焦距。
此时，白光的干涉由于相干距离(coherencedistance)短，因此当对未知的检测对象检测规定量时，从检测对象140的最高处开始出现干涉现象。即，干涉条纹只出现在物镜160的最佳焦距位置。
因此，对未知的检测对象按照从高处到低处的顺序确认光强度(intensity)的变化量，并区别各部分的高低，此时的高度值则通过分析装置160获取。
即，可通过干涉条纹确认检测对象的各部分的高低情况，此时的高度值可通过压电传感器170检测。
在如上所述的干涉仪中，利用压电传感器170使物镜160向检测对象方向移动，并且每隔规定间隔通过CCD拍摄图像。
利用这种干涉仪，以往在检测如晶片等薄膜的表面时，可通过对压电传感器的一次带动来对高度值进行分析。
然而，在以往的干涉仪中，当向TSV射出光线的透镜为广角镜头时，向TSV入射的光线的入射角比通孔直径大，因此实质上射入TSV内部的光量较少，光线不能够到达底面。因此，实质上不能检测TSV。
而且，即使取代光源，以使到达底面的光强度进一步加强，需要在TSV的形成方向上按规定距离检测向TSV射出的光线的焦点，因此检测时间长，而且结果数据的容量又很大，对整个系统产生过载问题。
发明内容
本发明是为了解决如上所述的以往问题而提出的，其目的是提供一种TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，该TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，在检测TSV时，利用可变视场光阑检测TSV的直径及深度，从而能够缩短检测时间，并且减少结果数据容量。其中，可变视场光阑将光线的焦点调节到TSV的入口和底面。
而且，本发明的目的是提供一种TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，该干涉仪及检测方法利用远心透镜，即使在如TSV那样纵横比大的情况下也能确保到达底面的光量，从而提高检测精度。其中，远心透镜使射入TSV的光线实质上成为直线光。
所述目的可通过本发明的TSV检测用干涉仪实现。本发明的TSV检测用干涉仪，包括：分束器，接收由光源生成并且射入的光，并将所述光分割并输出为互相垂直的第一方向和第二方向的光，并且结合由所述第一方向和所述第二方向输入的光，并将结合的所述光作为结合光来输出；镜子和形成有至少一个TSV的检测对象，分别设置在所述第一方向或所述第二方向上，接收从所述分束器输出的输出光并向所述分束器反射；照相装置，接收由所述镜子及所述检测对象反射并从所述分束器输出的结合光，并通过所述结合光形成干涉信号；物镜，位于所述分束器和所述照相装置之间或者位于所述分束器和所述检测对象之间；以及可变视场光阑，位于所述分束器和所述照相装置之间，将被分割到所述检测对象的光的焦点调节到所述TSV的入口即基准位置和所述TSV的底面即可变位置，根据所述基准位置上的干涉信号和所述可变位置上的干涉信号检测所述通孔的直径和深度。
其中，从所述物镜输出的光线可为直线光，而且所述物镜可为远心透镜。
而且，所述可变视场光阑可包括：第一开口，使从所述分束器分割的光在TSV的入口即基准位置上聚焦；及第二开口，使从所述分束器分割的光在所述TSV的底面即可变位置上聚焦。
此时，所述所述第一开口的大小可为10mm至14mm，所述第二开口的大小可为0.1mm至4.5mm。可根据所述孔的深度或者直径而改变。
另外，利用所述TSV检测用干涉仪的检测方法，包括以下步骤：使焦点形成在形成于所述检测对象的TSV的入口即基准位置；生成光线并通过所述分束器分割光线，接收反射的光线且将其结合，并通过所述照相装置形成第一干涉信号；调节可变视场光阑，使焦点形成在形成于所述检测对象上的TSV的底面即可变位置上；生成光线并通过所述分束器分割光线，接收反射光线且将其结合，并通过所述照相装置形成第二干涉信号；及分析所述第一干涉信号及所述第二干涉信号，并检测所述TSV的直径和深度。
此时，向所述检测对象输出的光线可为直线光。
本发明提供一种TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，该干涉仪及检测方法在检测TSV时，利用可变视场光阑检测TSV的直径及深度，从而能够缩短检测时间并减少结果数据容量。其中，可变视场光阑使光的焦点调节到TSV的入口和底面。
而且，提供一种TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，该干涉仪及检测方法利用远心透镜，即使在如TSV那样纵横比大的情况下也能确保到达底面的光量，从而提高检测精度。其中，远心透镜使射入TSV的光线实质上成为直线光。
附图说明
图1是白光干涉仪的示意图。
图2是本发明的第一实施例的TSV检测用干涉仪的示意图。
图3是利用本发明的第一实施例的TSV检测用干涉仪的检测方法的算法。
图4是视场光阑的移动时的工作状态图。
图5和图6是在实验例中的TSV的SEM图像。
具体实施方式
在进行说明之前需要强调的是，在多个实施例中，对于具有相同结构的构件使用相同的附图标记，并在第一实施例中进行代表性的说明，在其他实施例中针对与第一实施例不同的结构进行说明。
以下，参照附图详细说明本发明的第一实施例的TSV检测用干涉仪。
图2是本发明的第一实施例的TSV检测用干涉仪的示意图。参照图2，本发明的第一实施例的TSV检测用干涉仪包括光源10、分束器20、镜子30、物镜50、照相装置60、中继镜70和可变视场光阑80构成。
所述光源10作为决定干涉仪的深度分辨率和透射深度的最为重要的因素，可为相干距离(coherencelength)短的宽带光源。
具体来讲，可为发光二极管(LightEmittingDiode)、超发光二极管(SLD,superluminescentdiode)、卤素灯、超短脉冲激光器和光子晶体光纤(PCF,photoniccrystalfiber)等的连续光光源；也可为在宽带范围中快速改变频率的高速变频激光器(frequncy-sweepinglaser)的傅立叶域锁模激光器(Fourierdomainmode-lockedlasersource)，从而能够快速获取图像。
而且，也包括相干距离长的如短波长的激光器或者LED等。
所述分束器（BeamSplitter）20设置为，接收由光源10生成并且射入的的光线，且将所述光分割并输出为互相垂直的第一方向和第二方向的光线。而且将从后述的镜子30及检测对象40反射并被输入的光线结合后作为结合光输出。
所述镜子30(mirror)和检测对象40分别配置在从分束器20输出的输出光的第一方向或者第二方向上，并且设置为从分束器20输出的输出光入射后，向分束器20反射。
图中示出的是所述镜子30设置在第一方向即分束器20的右侧，检测对象40位于与第一方向垂直的第二方向即分束器20的下方。
所述物镜50由远心透镜构成，设置在分束器20和后述照相装置60之间或者设置在分束器20和检测对象40之间，所述远心透镜在内部具备多个透镜，使得入射的光线以直线（平行）光输出。
在本发明中，从物镜50输出的输出光以直线光的形式输出，因此与以往不同地，可位于分束器20和照相装置60之间，在本实施例中设置在分束器20和照相装置60之间。
使用由远心(telecentric)透镜构成的物镜50，与以往使用广角物镜等的情况相比，即使在检测对象40的TSV41的纵横比大的情况下，光线也能到达TSV41的底面。
所述照相装置60为常规的CCD照相机，接收被镜子30及检测对象40反射并经过分束器20而结合的结合光，并且形成干涉信号。
而且，可通过规定的分析装置分析由照相装置60获取的干涉信号，并根据干涉信号检测检测对象40的直径和深度。
所述中继镜70设置为，其位于照相装置60和后述的可变视场光阑80之间并用来中继光线。
在所述可变视场光阑(fieldstop)80中可形成有第一开口81和第二开口82。其中，第一开口81形成为，其大小使得分割光在检测对象40的TSV41的入口即基准位置上聚焦；第二开口82形成为，使得分割光在检测对象40的TSV41的底面即可变位置上聚焦。
在本实施例中示出的可变视场光阑80的形状具有两个开口，但可以形成为普通照相机中使用的光圈形式，并被设置为能够调节开口。
而且，可变视场光阑80与具有规定发动机的驱动装置(未图示)连接，从而使第一开口81和第二开口82移位。
可通过在改变第一开口81和第二开口82的位置的同时获取基准位置上的干涉信号和可变位置上的干涉信号，并且结合所获取的各干涉信号，从而检测形成在检测对象40上的TSV41的深度或者宽度。
下面，对利用所述的TSV检测用干涉仪的检测方法进行说明。图3是利用本发明的第一实施例的TSV检测用干涉仪的检测方法的算法，图4是在视场光阑移动时的工作状态图。
参照图3，首先在如图2的准备状态下，使可变视场光阑80的第一开口81位于能够使焦点形成于在检测对象40上形成的TSV41的入口即基准位置上的位置(S10)。
而且，由光源10生成光线并通过分束器20分割并输出光线，通过检测对象40的TSV41的基准位置和镜子30反射的光线通过分束器20结合，并在照相装置60上形成第一干涉信号(S20)。
接下来，如图4所示，使光线通过可变视场光阑80的第二开口82通过，并在TSV41的底面即可变位置上形成分割光线的焦点(S30)。
而且，由光源10生成光线并通过分束器20分割并输出光线，通过检测对象40的TSV41的基准位置和镜子30反射的光线通过分束器20结合，并在照相装置60上形成第二干涉信号(S40)。
通过设置有分析干涉信号的分析程序的分析装置，结合在照相装置60上形成的第一干涉信号和第二干涉信号，并检测TSV41的直径和深度(S50)。
如上所述，仅通过两次的TSV41的基准位置和可变位置的检测，也能检测TSV41的直径和深度，因此能够显著缩小结果数据的容量，能够防止系统过载。
而且，以往将物镜50由广角镜头构成，因此不能检测纵横比大的TSV，但在本发明中，物镜50由远心透镜构成，因此能够显著增加向TSV的内部流入的光量，从而能够进行检测。
实验例1
准备形成有TSV的基板，并利用常规扫描电子显微镜获取如图5的SEM(ScanningElectronMicroscope，扫描电子显微镜)图像，并根据所述SEM图像直接测量（实测）TSV的直径及深度。
而且，通过图1的以往的利用压电传感器的干涉仪，将TSV分为规定的区间并进行连续扫描，并且检测TSV的直径及深度。
而且，通过本发明的TSV检测用干涉仪的可变视场光阑80将焦点调节到TSV的入口即基准位置(TopCD)上并获取第一干涉信号，并且通过可变视场光阑80使焦点调节到TSV的底面即可变位置(BottomCD)上并获取第二干涉信号，而且通过规定的分析程序检测TSV直径及深度。
所述SEM图像和以往的干涉仪以及利用本发明的TSV检测用干涉仪的检测值如下。
[表1]
| Top CD(μm) | Bottom CD(μm) | Height(μm) | |
| SEM图像的实测值 | 7 | 6 | 55 |
| 以往干涉仪的检测值 | 7.0358 | - | - |
| 本发明干涉仪的检测值 | 7.1556 | 6.1118 | -54.2293 |
通过SEM图像实测到，TSV的入口直径(TopCD)为7μm，TSV的底面直径(BottomCD)为6μm，TSV的深度为55μm。.
在利用以往的干涉仪进行检测时，检测到TSV的入口直径(TopCD)为7.0358μm，但是对TSV的底面，没有形成干涉信号，因此无法检测底面直径。从而TSV的深度也无法检测。
而且，通过本发明的TSV检测用干涉仪检测到，TSV的入口直径(TopCD)为7.1556μm，TSV的底面直径(BottmCD)为6.1118μm，此时的深度(Height)为-53.2293μm。
在此，由于利用本发明的干涉仪的通孔检测装置的基准位置为基板表面，因此显示为(-)值。
利用本发明的TSV用干涉仪检测TSV的结果，能够进行在通过以往的干涉仪不能进行的TSV的底面检测，从而也能够检测TSV的深度。
此时，利用本发明的TSV用干涉仪的检测值与实测值之间会有一点差距，但这是可容许公差范围内的值，因此可以认为实质上几乎同等的值。
实验例2
准备具有与实验例1不同形状的TSV的基板，通过与实验例1相同的方法实施实验并获取如图6的SEM图像并且实测TSV，利用如图1的以往的干涉仪以及利用本发明的TSV检测用干涉仪检测TSV并获取如下的检测值。
[表2]
| Top CD(μm) | Bottom CD(μm) | Height(μm) | |
| SEM图像的实测值 | 11 | 10 | 65 |
| 以往干涉仪的检测值 | 11.0862 | 6.2675 | -53.4829 |
| 本发明的干涉仪的检测值 | 11.1556 | 10.1995 | -64.5011 |
如实验例1那样，在实验例2中检测到更为接近实测值的值，这说明随着TSV的直径增大，所检测的值更为准确。
同时确认到，随着TSV的直径增大也能够利用以往的干涉仪进行检测，但其检测值的准确度明显低于本发明的干涉仪检测的值。
因此，当通过本发明的TSV检测用干涉仪检测TSV时，能够通过视场光阑使光的焦点调节到TSV的基准位置和可变位置，从而与以往相比能够更为准确地进行检测。
而且，本发明的TSV用干涉仪检测TSV入口和底面这两处，相比之下，以往的干涉仪将TSV分成规定区间并进行连续检测，结果，本发明的干涉仪能够显著减少结果数据容量。
本发明的权利范围并不限于上述实施例，在所附的权利要求书中记载的范围内可实现为多种形式的实施例。在不脱离权利要求书所要求保护的本发明精神的范围内，本发明所属技术领域中的技术人员均能变形的各种范围也应属于本发明的保护范围。
产业化应用可行性
本发明提供一种TSV检测用干涉仪以及利用该干涉仪的检测方法，该TSV检测用干涉仪以及利用它的检测方法，在检测TSV时，利用可变视场光阑检测TSV的直径及深度，从而能够缩短检测时间并能减少结果数据的容量。其中，可变视场光阑将光线的焦点调节到TSV的入口和底面。
Claims (6)
1.一种硅通孔检测用干涉仪，包括：
分束器，接收由光源生成并且射入的光，且将所述光分割并输出为互相垂直的第一方向和第二方向的光，并且结合由所述第一方向和所述第二方向输入的光，并将结合的所述光作为结合光来输出；
镜子和形成有至少一个硅通孔的检测对象，分别设置在所述第一方向或所述第二方向上，接收从所述分束器输出的输出光并向所述分束器反射；
照相装置，接收由所述镜子及所述检测对象反射并从所述分束器输出的结合光，并通过所述结合光形成干涉信号；
物镜，位于所述分束器和所述照相装置之间或者位于所述分束器和所述检测对象之间；以及
可变视场光阑，位于所述分束器和所述照相装置之间，将被分割到所述检测对象的光线的焦点调节到所述硅通孔的入口即基准位置和所述硅通孔的底面即可变位置，
根据所述基准位置上的干涉信号和所述可变位置上的干涉信号检测所述通孔的直径和深度；
所述可变视场光阑包括：
第一开口，使从所述分束器分割的光线在硅通孔的入口即基准位置上聚焦；及
第二开口，使从所述分束器分割的光线在所述硅通孔的底面即可变位置上聚焦。
2.根据权利要求1所述的硅通孔检测用干涉仪，
从所述物镜输出的光线为直线光。
3.根据权利要求1所述的硅通孔检测用干涉仪，
所述物镜为远心透镜。
4.根据权利要求1所述的硅通孔检测用干涉仪，
所述第一开口的大小为10mm至14mm，所述第二开口的大小为0.1mm至4.5mm。
5.一种利用硅通孔检测用干涉仪的检测方法，
所述硅通孔检测用干涉仪形成光线并通过分束器进行分割并向相互垂直的第一方向和第二方向输出，所输出的输出光被镜子和检测对象反射后射入所述分束器并被结合，从而在照相装置上形成干涉信号，所述检测方法包括以下步骤：
调节可变视场光阑，从而焦点形成在形成于所述检测对象的硅通孔的入口即基准位置；
生成光线并通过所述分束器分割光线，接收反射的光线且将其结合，并通过所述照相装置形成第一干涉信号；
调节所述可变视场光阑，使焦点形成在形成于所述检测对象上的硅通孔的底面即可变位置上；
生成光线并通过所述分束器分割光线，接收反射的光线且将其结合，并通过所述照相装置形成第二干涉信号；及
分析所述第一干涉信号及所述第二干涉信号，并检测所述硅通孔的直径和深度；
所述可变视场光阑包括：
第一开口，使从所述分束器分割的光线在硅通孔的入口即基准位置上聚焦；及
第二开口，使从所述分束器分割的光线在所述硅通孔的底面即可变位置上聚焦。
6.根据权利要求5所述的利用硅通孔检测用干涉仪的检测方法，
向所述检测对象输出的光线为直线光。
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