CN107966453A - 一种芯片缺陷检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种芯片缺陷检测装置及检测方法，所述芯片缺陷检测装置包括：光源部件，用于发射至少两种波长的光束；分束器，用于接收所述光源部件发射的光束，并将其接收的光束分为第一部分和第二部分；所述光束的第一部分经所述芯片的待检测面反射形成探测光束；参考部件，用于接收所述光束的第二部分，并处理所述光束的第二部分以形成参考光束；探测部件，用于接收所述探测光束和所述参考光束，所述参考光束和探测光束具有一定的夹角，以在所述探测部件的探测面上形成干涉条纹，基于所述干涉条纹确定所述芯片的待检测面的缺陷参数。采用本申请的装置检测芯片可以提高检测精度和检测效率，并且能适应较大芯片样片的检测。

Description

一种芯片缺陷检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种芯片缺陷检测装置及检测方法。
背景技术
“超摩尔定律”等概念引领IC行业从追求工艺技术节点的时代，转向更多地依赖于芯片封装技术发展的全新时代。相比于传统封装，晶圆级封装(Wafer Level Packaging，WLP)在缩小封装尺寸、节约工艺成本方面有着显著的优势。因此，WLP将是未来支持IC不断发展的主要技术之一。
WLP主要包括Pillar/Gold/Solder Bump、RDL、TSV等工艺技术。为了增加芯片制造的良率，在整个封装工艺过程都需要对芯片进行缺陷检测，早期的设备主要集中在表面2D的缺陷检测，例如污染、划痕、颗粒等。随着工艺控制要求的增加，越来越需要对表面3D特征进行检测，例如Bump高度、RDL厚度、TSV(Through Silicon Vias“通过硅片通道”)的孔深等。
目前对芯片3D测量的精度相对较低，且检测效率较低，难以满足晶元全方位扫描检测的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芯片缺陷检测装置及检测方法，以解决现有的芯片缺陷检测装置在检测芯片时，检测精度低，效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种芯片缺陷检测装置，其特征在于，包括：光源部件，用于发射至少两种波长的光束；
分束器，用于接收所述光源部件发射的光束，并将其接收的光束分为第一部分和第二部分；所述光束的第一部分经所述芯片的待检测面反射形成探测光束；
参考部件，用于接收所述光束的第二部分，并处理所述光束的第二部分以形成参考光束；
探测部件，用于接收所述探测光束和所述参考光束，所述参考光束和探测光束具有一定的夹角，以在所述探测部件的探测面上形成干涉条纹，基于所述干涉条纹确定所述芯片的待检测面的缺陷参数。
可选的，所述探测部件包括至少一个探测器，用于探测所述干涉条纹。
可选的，所述探测器的数量为多个，每个所述探测器探测一种波长的光束。
可选的，所述探测器为互补金属氧化物半导体或电荷藕合器件图像传感器。
可选的，所述参考部件为反光镜，所述反光镜的表面与所述芯片的待检测面之间呈一定的夹角。
可选的，当所述光源部件发射两种波长的光束时，波长较短的光束的光照强度和两种波长的合成波长的光束的光照强度如下式：
其中，I1表示波长λ1的光照强度，I2表示波长λ1和波长λ2的合成波长的光照强度，θ表示所述反光镜的表面与所述芯片的待检测面之间的夹角，z表示芯片待测面高度，x表示像素坐标。
可选的，波长较短的光束决定所述芯片缺陷检测装置的分辨率，两种波长的合成波长的光束决定所述芯片缺陷检测装置竖直向探测范围；所述芯片缺陷检测装置的分辨率和所述芯片缺陷检测装置竖直向探测范围分别按如下公式计算：
R0＝λ1/2/SNR；
Z0＝λs/2；
其中，R0表示所述芯片缺陷检测装置的分辨率，SNR表示所述芯片缺陷检测装置的信噪比，Z0表示所述芯片缺陷检测装置垂向探测范围，λs表示波长λ1和波长λ2的合成波长。
可选的，所述干涉条纹由若干超像素构成，所述超像素包括多个像素，每个像素的光照强度如下式：
其中，x和y表示像素坐标；B1、B2和B3是各波长的光束在光路中的透射和反射相关的系数，可通过标定获得；A1、A2和A3是各波长的光束与芯片的待检测面反射率相关的系数，表示初始相位，I表示光强强度，θ表示从所述参考部件反射回来的光束和从所述芯片待测面反射回来的光束之间的夹角。
可选的，芯片的待检测面的缺陷参数通过FFT算法获得。
可选的，还包括物镜，用于放大所述芯片的待检测面，所述物镜位于所述分束器和芯片的待检测面之间。
为解决上述技术问题，本发明另一方面提供一种芯片缺陷检测方法，采用上述芯片缺陷检测装置，
利用光源部件发射至少两种波长的光束；
利用分束器接收所述光源部件发射的光束，并将其接收的光束分为第一部分和第二部分；所述光束的第一部分经所述芯片的待检测面反射形成检测光束；所述光束的第二部分经参考部件处理形成参考光束；
利用探测部件探测检测光束和参考光束所形成的干涉条纹，并基于所述干涉条纹确定所述芯片的待检测面的缺陷参数。
在本发明提供的芯片缺陷检测装置及其检测方法中，通过解析多束不同波长的光束产生的干涉条纹对芯片进行缺陷检测，实现了对芯片的3D测量，并提高提高了检测精度和检测效率，并且能适应较大芯片样片的检测。
附图说明
图1是本申请实施例一的芯片缺陷检测装置原理示意图；
图2是本申请实施例一的芯片缺陷检测装置光源发射两种波长的光所提取的干涉信号图；
图3是本申请实施例一的芯片缺陷检测装置光源发射一种波长的光束的光路示意图；
图4是本申请实施例一的芯片缺陷检测装置光源发射三种波长的光路示意图；
图5是本申请实施例二的芯片缺陷检测装置原理示意图。
图中：10-光源部件；12-光缆；20、71、72、73-反光镜；11、31、32、33-透镜；40、721、731、921、931-分束器；41-参考光束；42-探测光束；50-物镜；60-芯片；70-参考部件；90-探测部件；91、92、93-探测器。
具体实施方式
本申请的核心思想在于利用不同波长的光束对物体待测平面进行扫描，并利用一参考光路在探测器上形成干涉条纹，通过求解干涉条纹中干涉信号的相位对待测面进行3D检测。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种芯片缺陷检测装置及检测方法作进一步详细说明。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
参阅图1，其示出的是实施例一的芯片缺陷检测装置原理示意图。
本实施例提供的芯片缺陷检测装置主要包括光源部件10、参考部件70、物镜50、探测部件90、分束器40、反光镜20以及若干透镜。
光源部件10用于产生具有一定波长的光束，这些光束经反射镜20反射后进入透镜31，经透镜31到达分束器40，分束器40将光束分为两部分，一部分经物镜50照射到芯片60的待测面上，并又从芯片60的待测面反射回来形成探测光束42依次经过物镜50、分束器40和透镜33后到达探测部件90；另一部分进入参考部件70，然后又从参考部件70反射回来形成参考光束41依次经过分束器40和透镜33后到达探测部件90；探测光束42和参考光束41具有一定的夹角θ，因此探测光束42和参考光束41在探测部件90上形成干涉条纹，通过解析干涉条纹相位便可以提取待测面高度。
光源部件10所产生的光束至少包含两个不同波长的光束，光源部件10优先选择相干性、方向性好的光束。光束波长的选择取决于探测高度范围需求和分辨率的需求。
为了方便说明，下面分别列举光源部件10采用两个不同波长的光束和三个不同波长的光束。
当光源部件10采用两种波长时，分别为λ1和λ2(λ2＞λ1)，则需解析如下两个函数：
其中公式(1a)表示波长λ1的干涉信号，而公式(1b)表示合成波长的干涉信号，如图2所述，I2表示较大高度z范围内的变化趋势，而I1表示局部(小范围z内)的振动。因此波长为λ1的光束决定所述系统的分辨率R0＝λ1/2/SNR(其中SNR表示所述系统的信噪比)，合成波长λs决定所述系统的垂向探测范围Z0＝λs/2。
当光源部件10采用3个照明波长λ1、λ2和λ3(λ3＞λ2＞λ1)，则需解析如下三个函数。
在三个波长的所述系统中，λ1决定所述系统的分辨率R0＝λ1/2/SNR(其中SNR表示所述系统的信噪比)，合成波长决定所述系统的垂向探测范围Z0＝λs/2。
根据本领域相关技术知识，所述探测系统可以扩展到更多的探测波长。
参阅图3，其示出的是一种波长λ的干涉光路图，其中，探测部件90选用了一个探测器91，参考部件70选用了一个反光镜71。在本图中，芯片60待测面水平放置，反光镜71与垂直方向具有一定的夹角θ，从而使探测器91上形成了干涉条纹。探测器91可以是光电探测器(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体或CCD，Charge Coupled Device，电荷藕合器件图像传感器)。探测光束42和参考光束41在探测器91上形成的干涉条纹所解析出的干涉信号如公式(3)。为求解单点的垂向高度z，在探测器上构造一系列的Superpixel(超像素)，每个Superpixel由m×n的像素构成(例如5×5像素)，对应物镜50的光学分辨率大小。
其中x＝1,2，…，m；y＝1,2,…,n，表示像素坐标；B1、B2和B3是各波长在参考光路中的透射和反射相关系数，可通过标定获得；A1、A2和A3是各波长与待测面反射率相关的系数。对于一个m×n的Superpixel，可获得m×n个矩阵方程，通过相位提取算法，例如FFT算法，依次求解相位和即可获得对应该探测点的高度值z。
参阅图4，其采用三种波长的光束，分别为λ1、λ2、λ3可分别取值为560nm、630nm、719.5nm，假设所述系统的信噪比为SNR＝20，则所述系统的垂向探测分辨率为R0＝560/SNR＝28nm，垂向探测范围Z0＝518μm。三个波长照明光通过透镜11耦合进光缆12，经光缆12传导后进入透镜31；这里的光缆12代替了反光镜20。在本实施例，参考部件70采用一个反射镜71，探测器91采用一个CCD或CMOS探测三种波长的干涉信号。当待测面处于不同高度z时，每个Superpixel会检测到不同的干涉信号，解析Superpixel信号中相位，即可获得高度z值。
实施例二
参阅图5，其示出的是实施例二提供的芯片缺陷检测装置原理示意图。与实施例一不同的地方是实施例二的芯片缺陷检测装置中采用的参考部件70采用三个反射镜71、72、73；探测部件90采用三个探测器91、92、93，分别对应于λ1、λ2、λ3的干涉信号探测。在参考部件采用三个反射镜，每个反射镜与芯片60的待测面夹角(θ1，θ2，θ3)设置不同，用于调节干涉条纹的周期分布。探测部件90采用三个探测器，其目的是消除三个波长干涉信号间的串扰，提高探测系统的信噪比。731、721、921和931均为分束器，分束器731反射波长λ1，透射波长λ2和λ3；分束器721反射波长λ2，透射波长λ3；分束器921反射波长λ2和λ3，透射波长λ1；931分束器反射波长λ3，透射波长λ2。
综上两个实施例，本申请提供的芯片缺陷检测装置通过解析多束不同波长的光束产生的干涉条纹对芯片进行3D测量，提高提高了检测精度，而且提高了检测效率，并且能适应较大芯片样片的检测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种芯片缺陷检测装置，其特征在于，包括：
光源部件，用于发射至少两种波长的光束；
分束器，用于接收所述光源部件发射的光束，并将其接收的光束分为第一部分和第二部分；所述光束的第一部分经所述芯片的待检测面反射形成探测光束；
参考部件，用于接收所述光束的第二部分，并处理所述光束的第二部分以形成参考光束；
探测部件，用于接收所述探测光束和所述参考光束，所述参考光束和探测光束具有一定的夹角，以在所述探测部件的探测面上形成干涉条纹，基于所述干涉条纹确定所述芯片的待检测面的缺陷参数。
2.如权利要求1所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，所述探测部件包括至少一个探测器，用于探测所述干涉条纹。
3.如权利要求2所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，所述探测器的数量为多个，每个所述探测器探测一种波长的光束。
4.如权利要求2所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，所述探测器为互补金属氧化物半导体或电荷藕合器件图像传感器。
5.如权利要求1所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，所述参考部件为反光镜，所述反光镜的表面与所述芯片的待检测面之间呈一定的夹角。
6.如权利要求1所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，当所述光源部件发射两种波长的光束时，波长较短的光束的光照强度和两种波长的合成波长的光束的光照强度如下式：
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其中，I1表示波长λ1的光照强度，I2表示波长λ1和波长λ2的合成波长的光照强度，θ表示所述反光镜的表面与所述芯片的待检测面之间的夹角，z表示芯片待测面高度，x表示像素坐标。
7.如权利要求6所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，波长较短的光束决定所述芯片缺陷检测装置的分辨率，两种波长的合成波长的光束决定所述芯片缺陷检测装置竖直向探测范围；所述芯片缺陷检测装置的分辨率和所述芯片缺陷检测装置竖直向探测范围分别按如下公式计算：
R0＝λ1/2/SNR；
Z0＝λs/2；
其中，R0表示所述芯片缺陷检测装置的分辨率，SNR表示所述芯片缺陷检测装置的信噪比，Z0表示所述芯片缺陷检测装置垂向探测范围，λs表示波长λ1和波长λ2的合成波长。
8.如权利要求1所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，所述干涉条纹由若干超像素构成，所述超像素包括多个像素，每个像素的光照强度如下式：
其中，x和y表示像素坐标；B1、B2和B3是各波长的光束在光路中的透射和反射相关的系数，可通过标定获得；A1、A2和A3是各波长的光束与芯片的待检测面反射率相关的系数，表示初始相位，I表示光强强度，θ表示从所述参考部件反射回来的光束和从所述芯片待测面反射回来的光束之间的夹角。
9.如权利要求8所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，芯片的待检测面的缺陷参数通过FFT算法获得。
10.如权利要求1所述的芯片缺陷检测装置，其特征在于，还包括物镜，用于放大所述芯片的待检测面，所述物镜位于所述分束器和芯片的待检测面之间。
11.一种芯片缺陷检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-10所述的任一芯片缺陷检测装置；
利用光源部件发射至少两种波长的光束；
利用分束器接收所述光源部件发射的光束，并将其接收的光束分为第一部分和第二部分；所述光束的第一部分经所述芯片的待检测面反射形成检测光束；所述光束的第二部分经参考部件处理形成参考光束；
利用探测部件探测检测光束和参考光束所形成的干涉条纹，并基于所述干涉条纹确定所述芯片的待检测面的缺陷参数。
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