CN104279978A - 三维图形检测装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维图形检测装置及测量方法，该装置包括：照明投影模块，用于产生探测光束及参考光束，并将探测光束投影到所述待测样品表面；参考成像模块，包括一参考平面，所述参考成像模块用于收集投射到所述参考平面处的所述参考光束，以产生参考光光强分布信号；探测成像模块，用于收集待测样品表面的反射及衍射光，以产生探测光光强分布信号；以及控制处理模块，用于将所述探测光光强分布信号与参考光光强分布信号进行强度关联运算，获取待测样品表面形貌参数。本发明采用传统的成像探测方式，收集待测硅片的零级反射光和各级衍射光，不需空间滤光，提高光能利用效率；实现大视场的照明，探测光斑能覆盖多个表面形貌，提高检测效率。

Description

三维图形检测装置及测量方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种三维图形检测装置及测量方法。

背景技术

随着半导体制造技术的发展，芯片的集成度不断提高，为满足摩尔定律，进一步减小器件的特征尺寸已变得愈加困难。为克服上述困难，一种基于硅通孔（TSV，through Silicon Via）的垂直封装技术逐步发展起来，它可以获得更高集成度的半导体器件。TSV是通过在芯片和芯片、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的3D封装技术，与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度更大，单位面积上集成度更高，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV的各项参量（包括孔径、深度、侧壁形貌等）都会影响到器件的电学性能，因此，为保证半导体器件的质量，需要对TSV进行检测。

TSV通常采用刻蚀方法形成，典型的TSV孔直径为1～50um，孔深最大可达200um，深宽比最高可达20:1。因此，一般的基于成像的缺陷检测设备很难测量TSV的内部信息。目前的TSV检查装置有两种，一种TSV检查装置，通过宽光谱光束照射待测硅片，滤除高级次衍射光，采用光谱仪配合阵列CCD记录不同波长的反射光强，利用仿真建模的方法分析探测信号，从而获得TSV各项参量。另外一种TSV检测装置，则采用暗场测量方式，滤除零级反射光，只收集高级次的衍射光信号，通过仿真建模的方法测量TSV各项参量。

上述两种TSV检测装置的测量方案具有很多相似之处：

1，两者均采用光谱分析的原理，即根据不同波长反射率的变化计算相关参数，因此都必须采用高分辨率的光谱仪或其他分光器件，增加设备成本；

2，前者只探测待测硅片的零级反射光，而后者只探测待测硅片的高级衍射光，光能利用效率不高；

3，两者均采用仿真建模的求解方法，即需对比实际测量的光谱与模拟计算的光谱曲线，寻找最优匹配结果，为加速收敛，需预先定义待测硅片的工艺参数，即各膜层的厚度、折射率等；

4，为保证测量精度，两者照明视场较小，探测光斑直径只有几十微米，仅略大于TSV直径，一次只能检测单个TSV。

发明内容

本发明提供一种三维图形检测装置及测量方法，以克服现有技术需要高分辨率的光谱仪、光能利用率低、求解需仿真建模，并且一次只能检测单个TSV的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种三维图形检测装置，包括：照明投影模块，用于产生探测光束及参考光束，并将探测光束投影到所述待测样品表面；参考成像模块，包括一参考平面，所述参考成像模块用于收集投射到所述参考平面处的所述参考光束，以产生参考光光强分布信号；探测成像模块，用于收集待测样品表面的反射及衍射光，以产生探测光光强分布信号；以及控制处理模块，用于将所述探测光光强分布信号与参考光光强分布信号进行强度关联运算，获取待测样品表面形貌参数。

作为优选，所述照明投影模块沿光传播方向依次包括：照明光源、光学调制组件、可变光阑以及分束器，所述照明光源产生的光束经所述光学调制组件、可变光阑及分束器后形成探测光束及参考光束。

作为优选，所述照明光源为热光源，所述热光源采用汞灯、氙灯、金属卤化物灯或空心阴极灯。

作为优选，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的准直透镜、起偏器、滤光片和透镜，用于对所述照明光源发出的光进行括束整形。

作为优选，所述照明光源采用多个波长不同的激光器，所述多个激光器产生的激光通过单模保偏光纤和多路转换器进入所述光学调制组件。

作为优选，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的扩束器、旋转玻璃、起偏器和透镜，用于对所述照明光源发出的光进行括束整形。

作为优选，所述旋转玻璃由一电机控制旋转。

作为优选，所述参考成像模块包括第一成像透镜及第一探测器，所述第一成像透镜用于将投射到所述参考平面处的参考光成像到所述第一探测器表面，所述第一探测器产生参考光光强分布信号并输出至所述控制处理模块。

作为优选，所述探测成像模块包括偏振分束器、1/4波片、第二成像透镜和第二探测器，所述探测光束经所述偏振分束器、1/4波片投射至所述待测样品表面，经所述待测样品反射及衍射光再次经过所述1/4波片、偏振分束器、第二成像透镜成像至所述第二探测器表面，所述第二探测器产生探测光光强分布信号输出至所述控制处理模块。

作为优选，所述参考平面与所述待测样品表面满足关于所述第一成像透镜的物像共轭关系。

作为优选，所述探测器与所述待测样品表面满足关于所述第二成像透镜的物像共轭关系。

本发明还提供一种三维图形测量方法，应用于上述的三维图形检测装置中，包括：

步骤1、在工件台上放置待测样品；

步骤2、控制处理模块分别从所述参考成像模块和所述探测成像模块获取参考光光强分布信号与探测光光强分布信号；

步骤3、控制处理模块对所述参考光光强分布信号与探测光光强信号进行关联运算；

步骤4、控制处理模块根据关联运算的结果，获得待测样品表面形貌参数；

步骤5、根据所述形貌参数，绘制并输出一三维形貌图。

作为优选，所述三维形貌图为TSV形貌图，所述表面形貌参数包括TSV的孔径、深度和侧壁角。

本发明还提供了另一种三维图形检测装置，用于对待测样品进行检测，包括：照明投影模块，用于产生一探测光束，并将所述探测光束投射到所述待测样品表面；探测成像模块，用于收集待测样品表面的反射及衍射光，以产生探测光光强分布信号；以及控制处理模块，用于将所述探测光光强分布信号与一参考平面处的参考光光强分布信号进行强度关联运算，获取待测样品表面形貌参数。

作为优选，所述照明投影模块包括沿光传播方向依序设置的照明光源、光学调制组件、可变光阑及反射镜，所述照明光源产生的光束经所述光学调制组件、可变光阑后形成探测光束，所述探测光束经所述反射镜反射后投射到所述待测样品表面。

作为优选，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的扩束器、空间光调制器、起偏器和透镜。

作为优选，所述空间光调制器采用液晶调制器或微反射镜阵列。

作为优选，所述参考光强分布信号是透过所述空间光调制器出射表面光场的相对振幅和相位分布进行光线追迹法或衍射积分法获得。

作为优选，所述照明光源采用多个波长不同的激光器，所述多个激光器产生的激光通过单模保偏光纤和多路转换器进入所述光学调制组件。

作为优选，所述探测成像模块包括偏振分束器、1/4波片、成像透镜和探测器，所述探测光束经所述偏振分束器、1/4波片投射至所述待测样品表面，经所述待测样品反射及衍射光再次经过所述1/4波片、偏振分束器、成像透镜成像至所述探测器表面，所述探测器产生探测光光强分布信号输出至所述控制处理模块。

作为优选，所述探测器与所述待测样品表面满足关于所述第二成像透镜的物像共轭关系。

本发明还提供一种三维图形测量方法，上述的三维图形检测装置中，其特征在于，包括：

步骤1、在工件台上放置待测样品；

步骤2、控制处理模块分别从所述探测成像模块获取探测光光强分布信号，并从一数据库中获取参考光光强分布信号；

步骤3、控制处理模块对所述参考光光强分布信号与探测光光强信号进行关联运算；

步骤4、控制处理模块根据关联运算的结果，获得待测样品表面形貌参数；

步骤5、根据所述形貌参数，绘制并输出一三维形貌图。

作为优选，所述三维形貌图为TSV形貌图，所述表面形貌参数包括TSV的孔径、深度和侧壁角。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、不需要进行多色光分离，无需高分辨率的光谱仪，节约设备成本；

2、采用传统的成像探测方式，收集待测样品的零级反射光和各级衍射光，不需进行空间滤光，提高光能利用效率；

3、直接利用光强的二阶或更高阶关联特性计算TSV参量，不需要预先定义待测硅片的工艺参数，简化求解方法；

4、本发明可以实现大视场的照明，探测光斑能覆盖多个TSV，同时测量多个TSV参量，提高检测效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中三维图形检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中三维图形检测装置的光路原理图（省略部分器件）；

图3为本发明实施例1中二阶关联函数随TSV通孔深度的变化曲线；

图4为本发明实施例1中三维图形测量方法的流程图；

图5为本发明实施例1中仿真计算中的圆柱形孔示意图；

图6a为对图5中圆柱形孔进行仿真计算而获得TSV孔深度的流程示意图；

图6b为对图5中圆柱形孔进行仿真计算而获得TSV孔直径的流程示意图；

图7a为实施例1中对梯形孔仿真计算得到的G²分布；

图7b为根据图6中的G²拟合的TSV侧壁形貌图；

图8为本发明实施例2中三维图形检测装置的结构示意图；

图9为本发明实施例3中三维图形检测装置的结构示意图；

图10a～10b分别为空间光调制器的结构示意图；

图11为本发明实施例3中通过菲涅尔公式获得参考平面处光强分布的示意图。

图1～7b中：110-照明投影模块、111-照明光源、112-准直透镜、113-起偏器、114-滤光片、115-可变光阑、116-透镜、117-分束器、120-参考成像模块、121-参考面、122-第一成像透镜、123-第一探测器、130-探测成像模块、131-偏振分束器、132-1/4波片、133-第二成像透镜、134-第二探测器、140-控制处理模块、150-待测样品、160-工件台。

图8中：210-照明光源、211-激光器、212-单模保偏光纤、213-多路转换器、220-光学调制组件、221-扩束器、222-毛玻璃、223-起偏器、224-透镜、225-电机、230-分束器、240-探测成像模块、250-参考成像模块、260-控制处理模块、270-待测样品。

图9～11中：310-照明光源、311-激光器、320-滤光装置、321-扩束器、322-空间光调制器、323-起偏器、324-透镜、330-可变光阑、340-反射镜、350-探测成像模块、360-控制处理模块、361-信号控制处理单元、362-存储器、370-待测样品、380-参考平面。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

请参照图1，本实施例提供的三维图形检测装置，用于对待测样品150进行检测，其包括：

照明投影模块110，用于产生探测光束及参考光束，并将探测光束投影到所述待测样品150表面；

参考成像模块120，包括一参考平面121，所述参考成像模块120用于收集投射到所述参考平面121处的所述参考光束，以产生参考光光强分布信号；

探测成像模块130，用于收集待测样品150表面的反射及衍射光，以产生探测光光强分布信号；以及

控制处理模块140，用于将所述探测光光强分布信号与参考光光强分布信号进行强度关联运算，获取待测样品150表面形貌参数。

具体地，所述照明投影模块110沿光传播方向依次：包括照明光源111和光学调制组件，可变光阑115以及分束器117，所述照明光源111产生的光束经所述光学调制组件、可变光阑115及分束器117后形成探测光束及参考光束。进一步的，所述光线调制组件包括沿光传播方向依次设置的准直透镜112、起偏器113、滤光片114和透镜116，用于对所述照明光源111发出的光进行括束整形。

所述参考成像模块120包括第一成像透镜122及第一探测器123，所述第一成像透镜122用于将投射到所述参考平面121处的参考光成像到所述第一探测器123表面，所述第一探测器123产生参考光光强分布信号并输出至所述控制处理模块140。较佳的，所述参考平面121到所述分束器117的距离与分束器117到待测样品150的距离相等，也就是说，所述参考平面121与所述待测样品150表面满足关于所述第一成像透镜122的物像共轭关系。

所述探测成像模块130包括：偏振分束器131、1/4波片132、第二成像透镜133以及第二探测器134，所述探测光束经所述偏振分束器131、1/4波片132投射至所述待测样品150表面，经所述待测样品150反射及衍射光再次经过所述1/4波片132、偏振分束器131、第二成像透镜133成像至所述第二探测器134表面，所述第二探测器134产生探测光光强分布信号输出至所述控制处理模块140。同样地，所述第二探测器134与所述待测样品150表面满足关于所述第二成像透镜133的物像共轭关系。

较佳的，所述第一探测器123和第二探测器134均采用具有空间分辨能力的阵列CCD，且所述控制处理模块140采用信号控制处理单元。

请继续参照图1，本实施例中，所述照明光源111为热光源。较佳的，所述热光源采用汞灯、氙灯、金属卤化物灯或空心阴极灯，所述汞灯、氙灯、金属卤化物灯和空心阴极灯均满足热光源统计特性。即，其产生的光场在空间上相互独立，且各点振幅和相位独立，其振幅A服从参数σ的瑞利分布：

$p\left(A\right)=\frac{A}{{\mathrm{\σ}}^2}\exp (-\frac{A^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$   A≥0，       （1）其相位θ满足(-π,π]上的均匀分布

$p\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}$   -π＜θ≤π      （2）

请继续参照图1，照明光源111产生的光束通过起偏器113变为线偏振光，接着经滤光片114选择所需的照明波长，最后再由可变光阑115调节光斑直径，从而控制照明视场大小。其中，滤光片114可根据实际待测样品150工艺特性，选择反射率较大的波长透过。

请重点参照图2，并结合图1和图3，光束光斑的尺寸由可变光阑115的孔径D决定，参考平面121到可变光阑115的距离为Z，待测样品150到可变光阑115的距离同样为Z，TSV的深度由参数h表示。参考平面121处的光强分布I_r由第一探测器123记录，待测样品150处光强分布I_t由第二探测器134记录。I_r、I_t输入到信号控制处理单元进行二阶关联运算

$<I_r{I}_t>=<E_r{E}_r^{*}{E}_t{E}_t^{*}>---\left(3\right)$

其中，E_r、分别表示参考平面121处光场的复振幅及其共轭，E_r、分别表示待测样品150处光场的复振幅及其共轭。

由于照明光源111满足统计特性，即，公式（1）和（2），根据统计光学理论，（3）式可简化为

$<I_r{I}_t>=<E_r{E}_r^{*}{E}_t{E}_t^{*}>=<E_r{E}_r^{*}><E_t{E}_t^{*}>+<E_r{E}_t^{*}><E_t{E}_r^{*}>$

                                                    （4）

$=I_r{I}_t+\left|{<E_r{E}_t^{*}>}^2\right|$

定义归一化的二阶关联函数

$G^2(x,y,h)=\frac{<I_r{I}_t>-I_r{I}_t}{I_r{I}_t}---\left(5\right)$

根据惠更斯衍射光学理论，可获得归一化的二阶关联函数的数学表达式为

$G^2(x,y,h)=\frac{4\sqrt{2(1-\cos (\mathrm{\&pi;h}/4\mathrm{\&Lambda;})}}{\mathrm{\&pi;h}/\mathrm{\&Lambda;}},---\left(6\right)$

其中Λ＝λZ²/D²，表示探测面光场归一化的纵向相关长度。G²(x,y,h)随通孔深度增加的而减小，如图3所示。对于给定的Λ，其检测量程为8Λ，一般精测范围可选取全量程的即因此，本实施例中，照明光斑可以覆盖的待测样品150上的各个TSV，多个TSV可同时进行检测。

请参照图4，并结合图1～3，应用于所述三维图形检测装置的三维图形测量方法，包括：

步骤1、在工件台160上放置待测样品150，准备测量；

步骤2、控制处理模块140分别从所述参考成像模块120和所述探测成像模块130获取参考光光强分布信号与探测光光强分布信号，即，第一探测器123和第二探测器134分别将所述参考光光强分布信号与探测光光强分布信号传递给所述信号控制处理单元；

步骤3、所述信号控制处理单元对所述参考光光强分布信号与探测光光强信号进行关联运算；具体地，所述信号控制处理单元根据如公式（4）、（5）所述的二阶关联算法计算G²(x,y,h)，当然，除了采用本实施例中的强度二阶关联实现TSV测量外，更高阶（大于二阶）的强度关联算法可以达到相同的效果；

步骤4、根据关联运算的结果，计算待测样品150表面形貌参数；具体地，依据公式（6）计算待测样品150表面各点的深度值，从而计算孔径、深度、侧壁角等参数；

步骤5、根据所述形貌参数，绘制并输出三维形貌图。

请参照图5～6b，仿真计算中，若以图5所示的A、B、C三个圆柱形孔为待测对象为例，其直径均为10μm，孔深分别为40μm、50μm、60μm。三个TSV大约覆盖30μm×45μm的范围，为保证三个孔能同时被检测到，只需调节可变光阑115直径，使其大于因此选择可变光阑115直径D=100μm，参考平面121与可变光阑115距离Z=434μm，探测波长为λ=0.532μm，则Λ≈10μm。此时探测系统的量程为80μm，精测范围为[0，57μm]。

首先，信号控制处理单元控制第一探测器123和第二探测器134进行同步采样，获得各帧图像信息。图5a表示第二探测器134获得的多帧图像数据，图5b代表第一探测器123获得各帧图像数据所示。其次，在采样同时，图像数据实时传输到信号控制处理单元，按如下原则进数据处理

$G^2(m,n)=\frac{\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{ri}}(m,n)I_{\mathrm{ti}}(m,n)-\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{ri}}(m,n)\&CenterDot;\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{ti}}(m,n)}{\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{ri}}(m,n)\&CenterDot;\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{ti}}(m,n)}---\left(7\right)$

上式为公式（5）的离散化表现形式，其中k表示采集到的总图像帧数，I_ti(m,n)和I_ri(m,n)分别对应第一探测器123和第二探测器134记录的第i帧图像中第m行、第n列像素的光强值。根据公式（7），信号控制处理单元处理完毕后，输出G²(m,n)的空间分布，如图5c所示。利用公式（6），可将图5c所示G²(m,n)的转化为待测样品150表面的高度分布h(m,n)，如图5d所示，从而获得三个TSV的深度hA、hB、hC。

此外，为获得TSV孔的直径参数，可取高度分布h(m,n)的横截面，如图6a所示，利用图像算法，提取TSV孔的边界，如图6b所示，根据TSV孔的边界分布即可求得孔径参数dA、dB、dC。

请参照图7a和图7b，为阐述本实施例可实现TSV孔侧壁形貌测试功能，可对梯形TSV孔（顶部孔径为10μm，底部孔径为5μm，孔深50μm）进行仿真，计算结果如图7a和图7b所示，图7a图为对梯形孔仿真计算得到的G2分布；图7b图为根据G2获得深度的分布，从而拟合出TSV的侧壁形貌，计算侧壁角。进一步的，其测量值与真实形貌的残差可通过系统测校方法进行标定。

实施例2

本实施例与实施例1的区别点在于，本实施例采用的照明光源不同，相应的光学调制组件也不同。

请参照图8，本实施例中，照明光源210采用多个波长不同的激光器211，例如波长分别为λ₁、λ₂、λ₃的激光器211，所述多个激光器211产生的激光束通过单模保偏光纤212和多路转换器213进入光学调制组件220。进一步的，所述光学调制组件220包括沿光传播方向依次设置的扩束器221、旋转玻璃222、起偏器223和透镜224，用于对所述照明光源210发出的光进行括束整形。较佳的，所述旋转玻璃222由一电机225控制旋转。

具体地，多个激光器211产生的激光束，经单模保偏光纤212传输进入多路转换器213，再通过单模保偏光纤212将激光束输出到扩束器221，根据实际待测样品工艺特点，选择在待测样品270表面反射率最大的波长作为激光束。激光束达到旋转玻璃222上，发生散射，产生赝热光。忽略旋转玻璃222的吸收和厚度，激光束横截面的强度不衰减，但空间各点的相对相位被破坏，其分布特性仍满足公式：

$p\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}$   -π＜θ≤π，其中，θ为相位。

旋转玻璃222由电机225驱动而旋转，保证赝热光在时间上也符合热光源的随机特性。激光束经旋转旋转玻璃222产生的散射光依次经过起偏器223、可变光阑、透镜224、分束器230后，分别进入后续的探测成像模块240和参考成像模块250。

需要说明的是，本实施例中应用于三维图形检测装置的测量方法与实施例1相同，都是由控制处理模块260收集探测成像模块240和参考成像模块250的光信号，并根据光信号仿真出三维形貌图，此处不再赘述。

实施例3

本实施例的照明投影模块与实施例2相同，与实施例1和实施例2的共同区别点在于，本实施例中的参考成像模块为一虚拟模块，因此，本实施例中亦无需使用分束器，控制处理模块与实施例1和2也不同。

请参照图9，本实施例中，照明投影模块同样包括沿光传播方向依序设置的照明光源310和光学调制组件320、可变光阑330及反射镜340，其中照明光源310的结构与实施例2相同，均是采用多个不同波长的激光器311作为三维图形检测装置的光源，光学调制组件320包括沿光传播方向依次设置的扩束器321、空间光调制器322、起偏器323以及透镜324，。具体地，激光器311产生的激光束经扩束器321、空间光调制器322、起偏器323、可变光阑330、透镜324以及反射镜340反射后至探测成像模块350；探测成像模块350对待测样品370表面进行探测，并传递给控制处理模块360。

较佳的，所述空间光调制器322采用如图10a所示的液晶调制器或如图10b所示的微反射镜阵列，所述空间光调制器322可以对激光器311产生的激光束的空间振幅或相位进行调制。具体地，由于空间光调制器322的每个像素单元均可认为是独立的子光源，通过计算机和控制器（图中未示出）调节空间光调制器322上每个像素的振幅或相位，使其满足热光源的统计特性，从而获得所需的赝热光源。

请继续参照图9，作为优选，所述控制处理模块360包括信号控制处理单元361和存储器362。由于赝热光源是通过计算机控制产生的，因此空间光调制器322后表面光场的相对振幅和相位分布是已知的，因而参考平面380处的光强分布是可预知的，不需要采用专门的探测器进行探测。因此，在本实施例的参考成像模块，是假设存在一虚拟的参考光路。

较佳的，参考平面380处光强分布可通过光线追迹或衍射积分等方法获得。具体请参照图11，通过菲涅耳积分公式可获得参考平面380处光场分布E(x',y')，

$E(x^{\&prime;},y^{\&prime;})=\&Integral;\&Integral;E(x,y)h(x,y;x^{\&prime;},y^{\&prime;})\mathrm{dxdy}---\left(7\right)$

其中，E(x,y)代表空间光调制器322平面x-o-y的光场；h(x,y；x',y')表示系统的点扩散函数。

其中，h(x,y；x',y')由起偏器323、可变光阑330和透镜决定，参考平面351处光强为I(x',y')＝|E(x',y')|²。检测前，设置空间光调制器322的每帧图像，其对应产生的光强I(x',y')也可以预先获得，并保存到存储器363。测量时，将存储器363中数据和探测器361信号进行高阶关联运算即可，可以提高检测效率。

综上所述，本发明的三维图形检测装置及测量方法，该检测装置包括：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用单波长（实施例1）或多波长（实施例2和3）光束测量，不需要进行多色光分离，无需高分辨率的光谱仪，节约设备成本；

2、采用传统的成像探测方式，收集待测硅片的零级反射光和各级衍射光，不需进行空间滤光，提高光能利用效率；

3、直接利用光强的二阶或更高阶关联特性计算TSV参量，不需要预先定义待测硅片的工艺参数，简化求解方法；

4、本发明可以实现大视场的照明，探测光斑能覆盖多个TSV，同时测量多个TSV参量，提高检测效率。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (23)

1.一种三维图形检测装置，用于对待测样品进行检测，包括：

照明投影模块，用于产生探测光束及参考光束，并将探测光束投影到所述待测样品表面；

参考成像模块，包括一参考平面，所述参考成像模块用于收集投射到所述参考平面处的所述参考光束，以产生参考光光强分布信号；

探测成像模块，用于收集待测样品表面的反射及衍射光，以产生探测光光强分布信号；以及

控制处理模块，用于将所述探测光光强分布信号与参考光光强分布信号进行强度关联运算，获取待测样品表面形貌参数。

2.如权利要求1所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述照明投影模块沿光传播方向依次包括：照明光源、光学调制组件、可变光阑以及分束器，所述照明光源产生的光束经所述光学调制组件、可变光阑及分束器后形成探测光束及参考光束。

3.如权利要求2所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述照明光源为热光源，所述热光源采用汞灯、氙灯、金属卤化物灯或空心阴极灯。

4.如权利要求2所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的准直透镜、起偏器、滤光片和透镜，用于对所述照明光源发出的光进行括束整形。

5.如权利要求2所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述照明光源采用多个波长不同的激光器，所述多个激光器产生的激光通过单模保偏光纤和多路转换器进入所述光学调制组件。

6.如权利要求2所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的扩束器、旋转玻璃、起偏器和透镜，用于对所述照明光源发出的光进行括束整形。

7.如权利要求6所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述旋转玻璃由一电机控制旋转。

8.如权利要求1所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述参考成像模块包括第一成像透镜及第一探测器，所述第一成像透镜用于将投射到所述参考平面处的参考光成像到所述第一探测器表面，所述第一探测器产生参考光光强分布信号并输出至所述控制处理模块。

9.如权利要求8所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述探测成像模块包括偏振分束器、1/4波片、第二成像透镜和第二探测器，所述探测光束经所述偏振分束器、1/4波片投射至所述待测样品表面，经所述待测样品反射及衍射光再次经过所述1/4波片、偏振分束器、第二成像透镜成像至所述第二探测器表面，所述第二探测器产生探测光光强分布信号输出至所述控制处理模块。

10.如权利要求9所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述参考平面与所述待测样品表面满足关于所述第一成像透镜的物像共轭关系。

11.如权利要求9所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述第二探测器与所述待测样品表面满足关于所述第二成像透镜的物像共轭关系。

12.一种三维图形检测装置，用于对待测样品进行检测，包括：

照明投影模块，用于产生一探测光束，并将所述探测光束投射到所述待测样品表面;

探测成像模块，用于收集待测样品表面的反射及衍射光，以产生探测光光强分布信号；以及

控制处理模块，用于将所述探测光光强分布信号与一参考平面处的参考光光强分布信号进行强度关联运算，获取待测样品表面形貌参数。

13.如权利要求12所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述照明投影模块包括沿光传播方向依序设置的照明光源、光学调制组件、可变光阑及反射镜，所述照明光源产生的光束经所述光学调制组件、可变光阑后形成探测光束，所述探测光束经所述反射镜反射后投射到所述待测样品表面。

14.如权利要求13所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的扩束器、空间光调制器、起偏器以及透镜。

15.如权利要求14所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述空间光调制器采用液晶调制器或微反射镜阵列。

16.如权利要求14所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述参考光强分布信号是透过所述空间光调制器出射表面光场的相对振幅和相位分布进行光线追迹法或衍射积分法获得。

17.如权利要求13所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述照明光源采用多个波长不同的激光器，所述多个激光器产生的激光通过单模保偏光纤和多路转换器进入所述光学调制组件。

18.如权利要求12所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述探测成像模块包括偏振分束器、1/4波片、成像透镜和探测器，所述探测光束经所述偏振分束器、1/4波片投射至所述待测样品表面，经所述待测样品反射及衍射光再次经过所述1/4波片、偏振分束器、成像透镜成像至所述探测器表面，所述探测器产生探测光光强分布信号输出至所述控制处理模块。

19.如权利要求18所述的三维图形检测装置，其特征在于，所述探测器器与所述待测样品表面满足关于所述成像透镜的物像共轭关系。

20.一种三维图形测量方法，应用于权利要求1～11中任一项所述的三维图形检测装置中，其特征在于，包括：

步骤1、在工件台上放置待测样品；

步骤2、控制处理模块分别从所述参考成像模块和所述探测成像模块获取参考光光强分布信号与探测光光强分布信号；

步骤3、控制处理模块对所述参考光光强分布信号与探测光光强信号进行关联运算；

步骤4、控制处理模块根据关联运算的结果，获得待测样品表面形貌参数；

步骤5、根据所述形貌参数，绘制并输出一三维形貌图。

21.如权利要求20所述的三维图形测量方法，其特征在于，所述三维形貌图为TSV形貌图，所述表面形貌参数包括TSV的孔径、深度和侧壁角。

22.一种三维图形测量方法，应用于权利要求12～19中任一项所述的三维图形检测装置中，其特征在于，包括：

步骤1、在工件台上放置待测样品；

步骤2、控制处理模块分别从所述探测成像模块获取探测光光强分布信号，并从一数据库中获取参考光光强分布信号；

步骤3、控制处理模块对所述参考光光强分布信号与探测光光强信号进行关联运算；

步骤4、控制处理模块根据关联运算的结果，获得待测样品表面形貌参数；

步骤5、根据所述形貌参数，绘制并输出一三维形貌图。

23.如权利要求22所述的三维图形测量方法，其特征在于，所述三维形貌图为TSV形貌图，所述表面形貌参数包括TSV的孔径、深度和侧壁角。