CN105277131A - 三维孔结构的测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三维孔结构的测量装置与测量方法，是基于角谱测量技术对高深宽比三维孔结构的形貌参量测量的装置与方法，能够探测待测的三维孔结构的衍射光，即实现全角谱的测量，获取的孔底面衍射光信号有利于对三维孔结构形貌的求解，测得的角谱有利于判断三维孔结构形貌的非对称性，以提高孔测量技术对孔工艺状况的测量能力，提高测量精度。

Description

三维孔结构的测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种三维孔结构的测量装置与测量方法。

背景技术

随着以3D-TSV(三维孔结构)技术为代表的先进封装技术的迅速发展，大深宽比的硅片穿孔工艺成为影响硅片良率的重要环节。由于孔图形，尤其是其底部和侧壁难以通过光学方式测量，传统的测量方式一般通过切片、打磨的破坏性方式，使孔的横截面暴露出来，再使用电镜等方式进行测量。这种测量方式不仅将破坏样品，也无法应用于在线快速测量，以实现孔工艺的实时监测。因此，亟需找到一种非破坏性、快速测量孔形貌的方式。

现有的测量技术包括了红外显微镜、白光干涉仪、共焦显微镜以及暗场散射测量等。其中，红外显微镜由于波长较长，使其垂向和水平向的分辨率都受到限制。白光干涉仪具有良好的垂向分辨率，非常适合对孔的孔深进行测量，但其水平向分辨率很差，无法进行孔径和侧壁角的测量。共焦显微镜虽然有很高的垂向和水平向分辨率，但其垂向扫描速度慢，且无法对孔进行有效测量。随着孔尺寸的日益缩小，目前先进的孔技术的孔径已经小于5微米，深宽比的不断扩大，最大的深宽比接近10:1，基于光学成像以及光学干涉技术的测量技术由于分辨率和测量精度等原因已逐步无法适应孔的测量需求。

专利WO2012098550A1提出了一种基于暗场的散射测量技术，该技术通过偏振调制或瞳面光强调制等手段，阻挡入射光方向的镜面反射光到达接收端，实现对孔侧壁角衍射光的高信噪比测量。基于散射测量技术的光学测量方法，可以突破光学分辨率的极限，也不受相干条件的苛刻限制，可从光学衍射信号光强的细微变化获得孔3D形貌的参量情况，正逐步成为一种新兴的测量微米及亚微米尺寸孤立图形3D形貌的有效手段。

然而，虽然该测量技术可有效增强孔侧壁衍射光信号的信噪比，但孔上表面和底面衍射光被直接舍弃，将造成了信号损失。其次，该方案提出了一种基于光谱探测的暗场测量方案，无法测得孔衍射光信号的角谱信号，但角谱信号直接反映了孔对称性的信息，可有效地表征孔的工艺状况。因此，有必要找到一种孔3D图形的测量装置与方法，可以同时实现对其上表面、底部镜面反射光的测量以及侧壁衍射光的测量，同时测得侧壁衍射光的角谱，以提高孔测量技术对孔工艺状况的测量能力，提高测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维孔结构的测量装置与测量方法，能够实现对三维孔结构所有方向衍射光的测量，获取的孔底面反射信号有利于三维孔结构形貌的求解，以提高孔测量技术对孔工艺状况的测量能力，提高测量精度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种三维孔结构的测量装置，所述装置包括：

一物镜，用于将光源发出的测量光照射至待测的三维孔结构上；

一探测器，位于所述物镜的后焦面或后焦面的共轭面，用于探测待测的三维孔结构衍射光的角谱。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量装置中，所述装置还包括照明系统、分束镜和成像系统，所述光源发出测量光经过所述照明系统和分束镜折转后进入所述物镜，所述物镜收集待测的三维孔结构的衍射光，所述成像系统将所述衍射光成像至所述探测器上。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量装置中，所述装置还包括一光强调制机构，所述光强调制机构位于所述物镜与探测器之间，用于调制所述衍射光的角谱光强分布。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量装置中，所述光强调制机构位于所述物镜的后焦面或其共轭面。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量装置中，所述光强调制机构位于所述物镜的瞳面。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量装置中，所述光强调制机构为光阑，用于改变所述衍射光角谱的透过率。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量装置中，所述光强调制机构为光强衰减片，用于衰减三维孔结构中镜面反射的部分衍射光。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量装置中，所述照明系统包括视场光阑和孔径光阑，所述光源发出的测量光依次经过所述视场光阑和孔径光阑。

进一步的，本发明还提出一种三维孔结构的测量方法，采用如上文所述的任意一种三维孔结构的测量装置，所述测量方法包括步骤：

通过测量得到三维孔结构的衍射光的角谱；

由所述衍射光的角谱得到所述三维孔结构的形貌参量。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量方法中，采用仿真的方法由所述衍射光的角谱得到所述三维孔结构的形貌参量。

进一步的，在所述的三维孔结构的测量方法中，所述形貌参量包括三维孔结构的孔深、上孔径、下孔径、侧壁角以及侧壁波纹。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：本发明是基于角谱测量技术对高深宽比三维孔结构的形貌参量测量的装置与方法，能够探测待测的三维孔结构的衍射光，即实现全角谱的测量，获取的孔底面衍射光信号有利于对三维孔结构形貌的求解，测得的角谱有利于判断三维孔结构形貌的非对称性，以提高孔测量技术对孔工艺状况的测量能力，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例一中的三维孔结构的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一中的三维孔结构的示意图；

图3为本发明实施例二中的三维孔结构的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的三维孔结构的测量装置与测量方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。

实施例一

请参考图1，在本实施例中，提出了一种三维孔结构的测量装置，所述装置包括照明系统102、分束镜103和成像系统107、物镜104以及探测器108，所述物镜104用于将光源101发出的测量光照射至基底待测的三维孔结构105上；所述探测器108位于所述物镜104的后焦面或后焦面的共轭面，用于探测三维孔结构105衍射光的角谱；所述光源101发出测量光经过所述照明系统102和分束镜103折转后进入所述物镜104，所述物镜104收集待测的三维孔结构105的衍射光，所述成像系统107将所述衍射光成像至所述探测器108上。

具体的，在本实施例中，所述光源101发出测量光，经所述照明系统102形成照明光束，该光束经所述分束镜103折转后进入所述物镜104内。所述光源101可以是激光光源，如He-Ne激光器、半导体激光器等，也可以采用宽带光源，如氙灯、卤素灯等，采用干涉滤波片等方式过滤出一定的带宽范围。

在本实施例中，所述照明系统102中一般包含视场光阑和孔径光阑，所述光源101发出的测量光依次经过所述视场光阑和孔径光阑；所述视场光阑的大小根据需要待测的三维孔结构105的孔径确定，它所形成的视场需要覆盖孔径大小，但不能过大，以免造成较多的背景光和镜面衍射光。孔径光阑确定了入射光的角度范围，为了有效区分镜面反射光(即0级衍射光)和其他方向的衍射光(非0级衍射光，例如正负1级、正负2级、正负3级、....正负7级衍射光)，孔径光阑一般选取较小的范围，使入射光的角度约束在较小的一个范围内。为了简化测量模型，孔径光阑一般使入射光角度接近正入射方向。

在本实施例中，所述物镜104将照明光束投射到基底上待测的三维孔结构105上(如图2所示)。所述物镜104收集待测的三维孔结构105的衍射光，并在所述物镜104的后焦面106形成衍射光信号的角谱。

在本实施例中，所述成像系统107将所述物镜104的后焦面106经调制后的衍射光角谱成像到所述探测器108上，测得待测的三维孔结构105的衍射光角谱。在上述发明方案中，在所述物镜105的后焦面106测得的角谱信号，对应了待测的三维孔结构105各个方向衍射光信号的光强。本方案将使用同一探测器108同时测得物镜104孔径范围内所有方向衍射光的角谱信息。在入射光正入射条件下，角谱的中心反映了待测的三维孔结构105镜面衍射光的大小，角谱的其他部分信息反映了待测的三维孔结构105内部衍射光在各个方向上的信号大小，这部分角谱信息的对称性直接反映了待测的三维孔结构105形状的对称性。

在本实施例中，还提出了一种三维孔结构的测量方法，采用上文所述的任意一种三维孔结构的测量装置，所述测量方法包括步骤：

S1：通过测量得到待测的三维孔结105的衍射光的角谱；

S2：由所述衍射光的角谱得到所述三维孔结构105的形貌参量。

请参考图2，在本实施例中，待测的三维孔结构105的形貌参数一般包括顶部孔径(Top-CD)，底部孔径(Bottom-CD)，侧壁角(SWA:Side-wall-angle)以及侧壁波纹(ripple)等。

为了测量三维孔结构105的上述形貌参量，需要采用仿真的方法由所述衍射光的角谱得到所述三维孔结构的形貌参量，具体的，可以通过理论建模的方式，计算三维孔结构105的衍射光角谱。一般而言，可通过数值计算的方法求解Maxwell方程，求得衍射光角谱。通常使用的理论建模方法有时域有限差分方法(FDTD)、有限元(FEM)方法等。当三维孔结构105的形貌尺寸远大于测量波长时，也可以采用光线追迹等几何光学方法对衍射光角谱进行建模。本方案可通过测量三维孔结构105的角谱信号，采用逆向回归求解等方式将测量结果与理论建模得到的角谱进行比对，求得上述三维孔结构105的形貌参量，完成测量。随着三维孔结构105直径的变化，衍射光角谱的光强分布会发生明显的变化，因此，衍射光角谱对三维孔结构105的形貌参量变化十分敏感。

实施例二

本方明的另一种实施方案如图3所示。由于照明光斑一般大于三维孔结构105的孔径，因此照明光斑中的一大部分光能被三维孔结构105上表面直接反射，形成衍射光强较强的0级衍射光。三维孔结构105底部也可能存在较大的平面反射区域，使入射光发生镜面反射，产生衍射光强较强的0级衍射光。然而，三维孔结构105侧壁的衍射光一般要经过三维孔结构105内部的多次反射，因此光强大大衰减。由于三维孔结构105衍射光的上述特征，入射光经三维孔结构105上表面和底面镜面反射产生的0级衍射光光强要远大于经三维孔结构105内部产生的衍射光光强，光强的绝对值至少相差1～2个数量级，甚至更大。

因此，为了使探测器108能同时测量这两种信号，在本实施例中采用光强调制机构109对三维孔结构105上表面及底面镜面反射的0级衍射光进行光强处理。所述光强调制机构109位于所述物镜104与探测器108之间并位于所述物镜104的后焦面106处或者位于所述物镜104的瞳面，对三维孔结构105上表面和底面所形成的0级衍射光进行衰减或遮挡。所述光强调制机构109可以是光强衰减片，用于衰减三维孔结构上表面及底面反射的0级衍射光；也可以是光阑，用于改变所述0级衍射光角谱的透过率。加入所述光强调制机构109后，所述探测器108可以同时有效地测得三维孔结构105衍射光角谱中的0级衍射光和其他各个方向的衍射光(非0级衍射光)，或测得高信噪比的其他各方向衍射光信号(非0级衍射光)，提高装置的测量精度。

于本发明的其他实施例中，亦可根据实施设计需要，采用上述光强调制机构对衍射光角谱光强分布进行调制，例如对所述衍射光中光强较强衍射级次进行衰减或遮挡，例如对0级及/或正负1级衍射光进行衰减或遮挡。

本实施方案其余部分以及测量方法均与实施例一相同，此处不再赘述。

综上，在本发明实施例提供的三维孔结构的测量装置与测量方法中，本发明是基于角谱测量技术对高深宽比三维孔结构的形貌参量测量的装置与方法，能够探测待测的三维孔结构所有方向的衍射光，即实现全角谱的测量，获取的孔底面衍射光信号有利于对三维孔结构形貌的求解，测得的角谱有利于判断三维孔结构形貌的非对称性，以提高孔测量技术对孔工艺状况的测量能力，提高测量精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种三维孔结构的测量装置，所述装置包括：

一物镜，用于将光源发出的测量光照射至待测的三维孔结构上；

一探测器，位于所述物镜的后焦面或后焦面的共轭面，用于探测三维孔结构衍射光的角谱。

2.如权利要求1所述的三维孔结构的测量装置，其特征在于，所述装置还包括照明系统、分束镜和成像系统，所述光源发出测量光经过所述照明系统和分束镜折转后进入所述物镜，所述物镜收集待测的三维孔结构的衍射光，所述成像系统将所述衍射光成像至所述探测器上。

3.如权利要求2所述的三维孔结构的测量装置，其特征在于，所述照明系统包括视场光阑和孔径光阑，所述光源发出的测量光依次经过所述视场光阑和孔径光阑。

4.如权利要求1所述的三维孔结构的测量装置，其特征在于，所述装置还包括一光强调制机构，所述光强调制机构位于所述物镜与探测器之间，用于调制所述衍射光的角谱光强分布。

5.如权利要求4所述的三维孔结构的测量装置，其特征在于，所述光强调制机构位于所述物镜的后焦面或其共轭面。

6.如权利要求4所述的三维孔结构的测量装置，其特征在于，所述光强调制机构位于所述物镜的瞳面。

7.如权利要求4所述的三维孔结构的测量装置，其特征在于，所述光强调制机构为光阑，用于改变所述衍射光角谱的透过率。

8.如权利要求4所述的三维孔结构的测量装置，其特征在于，所述光强调制机构为光强衰减片。

9.一种三维孔结构的测量方法，采用如权利要求1至8中所述的任意一种三维孔结构的测量装置，所述测量方法包括步骤：

通过测量得到三维孔结构的衍射光的角谱；

由所述衍射光的角谱得到所述三维孔结构的形貌参量。

10.如权利要求9所述的三维孔结构的测量方法，其特征在于，采用仿真的方法由所述衍射光的角谱得到所述三维孔结构的形貌参量。

11.如权利要求9所述的三维孔结构的测量方法，其特征在于，所述形貌参量包括三维孔结构的孔深、上孔径、下孔径、侧壁角以及侧壁波纹。