CN108565205B - 光声基底评估系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种用于识别形成到基底中的结构的一个或多个特征的系统和方法。在所述基底中诱发表面声波和体声波并使其行进通过其中感测到所述声波的所感兴趣的结构。将与所述结构的一个或多个特征有关的信息编码在所述波中。对所编码的信息进行评估以确定所述所感兴趣的特征。

Description

光声基底评估系统和方法
本申请于2014年2月5日作为PCT国际专利申请提交并且要求2013年3月15日提交的美国临时申请序号61/799,089和2013年3月15日提交的美国临时申请序号61/799,448的优先权，所述申请的主题全文以引用的方式并入本文。
本申请是申请号为2014800257358的中国发明专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及与形成到半导体基底中的表面结构和地下结构的制造和测试相关的光声计量系统和方法。
背景技术
声学测量系统通过非破坏性地穿透实心材料来操作以收集与内部特征包括缺陷诸如裂缝、分层和空隙有关的信息。由于它们能够非破坏性地找到和收集信息，因此已在电子组件和组合件的生产中使用了例如声学显微镜，以进行质量控制、可靠性和失效分析。在该领域对光声计量系统和方法的进一步改进的需求不断增长以便与半导体制造行业保持同步并且推动半导体制造行业的进步。
发明内容
本发明可以具有许多应用，但在一个例子中包括用于评估基底诸如半导体晶片中的结构的系统和方法。此类评估半导体晶片中的结构的系统和方法之一包括以下这一步骤：在基底表面的第一位置处诱发至少一个表面声波，该第一位置邻近至少部分横向于该基底表面而形成的结构。测量表面声波行进到基底表面上第二位置所花费的时间长度。表面声波在从第一位置移动到第二位置时，与形成于基底中的结构至少部分地相互作用。表面声波在基底表面中的诱发相对于该结构在多个位置处重复进行。至少基于从测量值所获得的时间长度数据，可确定所感兴趣的结构特征。例如，可确定结构位置，而不管该结构是实心的还是空心的和/或不管该结构是否是连续的。
本发明还涉及对使用微制造技术与基底形成为一体的地理上划界的结构执行计量。本文所使用的地理上划界的结构是指三维结构(这些三维结构为计量主体)并且可包括例如柱状物、隆起物、焊球或金属球、焊盘等，它们形成于半导体晶片上作为半导体装置的一部分诸如芯片、插入器、多芯模块等。可使用平版印刷术和本领域技术人员熟知的其它微制造技术来形成这些结构。通过根据本发明的系统和方法所获得的信息用于制造这些对象，包括例如用于质量保证的目的；用于认证设计选择；以及用于控制形成该对象的微制造过程。应理解，本文所公开的系统和方法可用于广泛种类的应用，包括远远超出半导体制造工业的应用。
附图说明
图1是根据本发明的原理的光声系统的一个实施方案的示意性表示。
图2-4是本发明可寻址的各种半导体装置的截面表示。
图5A是表示从光声系统诸如图1所示的光声系统所获得的时间域数据的图形。
图5B是表示源自图5A所示数据的频率域数据的图形。
图6是用于半导体装置的一种类型的通孔的示意性表示。
图7是根据本发明的一个实施方案的表面声波的诱发和测量的示意性前视表示。
图8是根据本发明的实施方案的表面声波的诱发和测量的示意性平面图。
图9A-9C是可用于执行本发明的各种实施方案的所选择的光学系统的示意性表示。
图10是正同时评估的结构的多种结构的示意性表示。
图11是根据本发明的系统的实施方案的示意性图示，该系统在操作中使用了体声波检测器和表面声波检测器的组合。
图12是图11的系统的某些硬件组件的示意性图示。
图13是图11的系统的示例性检测(探针)和激励(泵)激光器构造的示意性图示。
图14是图13的用于检测内部缺陷在样品中的存在的激光器构造的示意性图示。
图15是从检测激光器所收集的与通孔直径和通孔深度相关的数据的图表。
图16是从检测激光器所收集的指示了通孔中的空隙的数据的图表。
图17是根据本发明的替代检查方法的示意性表示。
具体实施方式
在本发明的以下详细描述中，参照形成其一部分的附图，并且其中通过图解的方式示出了其中可以实践本发明的具体实施方案。在所有附图中，相同的附图标记描述基本相同的组件。对这些实施方案进行了足够详细地描述，以使得本领域的技术人员能够实践本发明。可利用其它实施方案，且能作出结构上、逻辑上和电气上的改变而不脱离本发明的范围。以下详细说明因此并非处于限制的含义，并且本发明的范围仅由所附权利要求及其等效物来限定。
参照图1，示出了可执行本发明的方法的示例性光声计量系统15的示意性表示。总体上，该系统包括泵激光器20(本文也称为激励激光器)；探针激光器22(本文也称为检测激光器)；光学器件，包括将来自泵激光器20和探针激光器22的辐射引导到对象10的透镜、滤光镜、偏振器等(未示出)；用于基底/样品12的机电支撑物24，对象10是基底/样品的一部分，机电支撑物24适于使基底12相对于泵激光器20和探针激光器22移动；束捕集器26，该束捕集器用于从泵激光器捕获从对象10返回的辐射；传感器28，该传感器适于感测来自探针激光器22的从对象10返回的辐射的强度；以及控制器30，该控制器耦合到泵激光器20和探针激光器22、机电支撑物24以及传感器28。
应理解，控制器30可为独立式或分布式计算装置，能够执行必要的计算、接收和发送指令或命令并且能够接收、存储和发送与系统的计量功能有关的信息。
在所描述的实施方案中，在图1所示的光声系统15的实施方案中，泵激光器20和探针激光器22可共享通往和来自对象10的光学路径的至少一部分。例如，这些激光器可具有多种不同的相对布置，包括其中这些路径相同、部分重叠、相邻或如图13所示同轴的配置。在其它实施方案中，泵激光器20和探针激光器22以及束捕集器26和传感器28并不共享光学路径。优选地，泵激光器20和探针激光器22可直接受控以在指向对象10的光脉冲之间获得必要的时间间隔。
应理解，许多光学配置是可能的。在一些配置中，泵可为脉冲宽度在几百飞秒至几百纳秒范围内的脉冲激光器并且探针束为耦合到干涉仪或束偏转系统的连续波束。例如，在其中探针被施以脉冲的系统中，该系统可使用延迟级(未示出)，该延迟级使得与其相关的激光器与对象10之间的光学路径的长度增大或减小。延迟级，如果提供的话，将受控制器30控制以获得入射到对象上的光脉冲的必要的时间延迟。许多其它替代配置也是可能的。在其它实施方案上，该系统并不包括延迟级。应理解，图1的示意性图示并非旨在进行限制，而是描述了多个示例性配置之一以用于阐述本发明的新特征。
在操作中，光声计量系统15将来自泵激光器20的一系列光脉冲引导到对象10。使这些光脉冲入射(即，以某个角度，该角度可为零度至90度之间的任何角度，包括例如45度和90度)到对象10上并且至少部分由对象10吸收。对象对光的吸收导致在对象10的材料中形成瞬态膨胀。所述膨胀足够短以致其诱发本质上是超声波的声波，所述声波以与声纳波向下进入到水体中大致相同的方式向下进入到对象10中。使从对象10反射的进入到束捕集器26(通常也称为“光子旅馆”)中，该束捕集器消除或吸收泵辐射。
除了引导泵激光器20的操作外，控制器30还引导探针激光器22的操作。探针激光器22将一系列光脉冲中的辐射在某个时间序列中引导到对象10的表面上，这旨在拦截超声波返回到对象的表面。探针激光器22的光脉冲与对象10的表面的相互作用在超声波返回到该对象的表面时修改了探针激光器的光脉冲，这些光脉冲从对象10通过分束器29引导到传感器28。传感器28可适于感测由于因穿过该系统的瞬态应力波所引起的对象的光学特征的应力诱发变化而造成的探针光束的强度变化。
在使用了连续波(CW)探针激光器的配置中，可使用干涉法检测样品表面的平面内或平面外位移。或者，可通过检测束偏转来分析表面倾角的变化或表面曲率的变化。或者或除了感测强度变化之外，传感器28还可感测由于因与对象10的表面相交的瞬态应力波所引起的对象10的表面中的物理扰动而引起的探针光束的偏转。在一个实施方案中，传感器28为可感测强度与偏转度的位置敏感装置(PSD)。
如上所述，在一个实施方案中，将所聚焦的泵束和探针束引导到对象10上的同一点。在另一个实施方案中，泵束和探针束可相互侧向偏移，探针束优选定位在对象10上。泵束可与探针束侧向偏移但仍位于对象10上或邻近对象10定位。请注意，可通过使用泵束和探针束的单独的光学路径或通过使用穿过玻璃板的不同波长的束来实现偏移，该玻璃板以不同的方式衍射每个束。还可能希望使泵束和探针束之一或两者抖动以避免对其表面的消融或损坏。
泵束和探针束的点尺寸可基于该方法所投入的具体应用发生变化。对应束的点尺寸可以类似也可以不同。对应束的点尺寸可例如在约100微米至近似用于执行光声计量过程的光学系统的波长衍射极限(即，至小于1微米)的范围内。激光器的点尺寸可至少部分基于正测量的结构的尺寸，这将在以下参照图13和14进一步详细地论述。
图2-4示出了可使用本发明来评估的一些示例性对象。图2-3所示的对象10在半导体行业中通常称为“柱状物”。柱状物，连同焊球或金属球或焊盘一起，是在半导体装置与基底之间形成电气连接或热连接的结构。图4图示了在对于本领域技术人员来说以“倒装芯片”包装众所周知的配置中，焊球将半导体芯片连接到在下面的电子器件的用途。在所图示的实施方案中，检查的焦点并不一定是倒装芯片上的连接完整性，而是与倒装芯片制造相关的划界结构。如上所述，应理解，本发明可用于评估柱状物、球、隆起物以及其它用于在各种半导体装置与基底之间形成电气连接和热连接的地理上划界的结构。应理解，该结构和几何形状(其为计量主体)可如图所示位于样品的表面之上或位于样品的表面之下(埋入、嵌入等)。
参照图5A，示出了从指向具有图2-3所示类型的分层结构的柱状物的光声计量系统15所获得的示例性数据。确切地，处于评估阶段的柱状物在硅晶片上具有由SnAg形成的上层，在该上层下方的是由Ni、Cu和聚酰亚胺(PI)形成的层。图5A中的信号示出了与在柱状物/对象10内行进的声波/振动波的柱状物/对象10的表面的相交。垂直轴为测量信号(以电压为单位)，表示表面偏转(表面变形)，所述表面偏转导致在某个时期在具体位置诱发了声波。
使用傅里叶变换将图5A所示的表面变形时间域信息变换为频率域导致产生在图5B中发现的数据。频率的峰可与各种结构尺寸相关。例如，大的峰可与样品中柱状物的直径相关。峰沿水平频率轴的精确位置可表示直径的幅值。
可以看出，柱状物的多层结构展现出多个共振频率峰。应理解，虽然在某些例子中，在所感兴趣的结构(例如，直径、层数、独特的嵌入式几何形状、层厚等)与图5B所示的频率域信息之间存在简单直接的相关性，但更为经常的情况是对象几何形状并不会被这样简单地识别出来。总体上，必须对标称对象几何形状的计算或分析性振动分析建模以识别如图所示几何形状与频率域信息之间的相关性。当对象10可以多种不同的模式振动时，可将可能结果的模型和数据库建造成反映那些振动模式和它们的测量结果，所述振动模式和测量结果实际上可与对象10的实际几何形状直接相关。
除了穿透基底的体波之外，本发明的系统还能够产生表面声波以用于计量的目的。表面声波是在介质表面附近传播的介质振动。可通过固定到介质表面的压电致动器或通过其中激光脉冲快速加热该表面的一部分以形成介质的局部膨胀的热弹性效应来诱发表面声波。移动穿过介质的表面声波通常呈现典型的振荡脉冲形状，所述振荡脉冲形状可含有关于这些波移动穿过其中的介质或层的机械特性和/或弹性特性的信息。然而，关于结构和介质的特定特征的可从源自表面声波的脉冲形状的数据所获得的解码信息可能是困难的。实际上，给定介质及其变体的标称结构各自设定独特的级，可根据所述独特的级确定特征信息(如果有的话)
图6示意性地图示了硅通孔(TSV)300，该硅通孔是常用于半导体结构中的一种类型的通孔。本领域技术人员将很容易理解，这种类型的通孔仅仅是代表性的并且本发明可应用于许多不同类型的通孔。此外，本领域技术人员将很容易了解，本发明可应用于许多类型的3D结构，这些3D结构通常存在于当前和计划的半导体装置和/或包装中，包括但不限于图2-4所示并且在本文其它地方识别出的3D结构。请注意，给定基底可具有一种或超过一种结构诸如所图示的通孔300，并且在一些例子中可具有数千种这样的结构。
通孔300形成为穿过上表面34并且进入基底32(在这种情况下，硅半导体基底)的本体中。将形成集成电路装置的有源部分36的导体和/或绝缘体放置到基底32的上表面34上。请注意，有源部分36本身可使用多种已知平版印刷技术中的任一种由多个离散层(未示出)形成，这些平版印刷技术包括但不限于蚀刻、沉积、掩模和显影。在一些例子中，通孔300的上部暴露表面将用于形成针对其它结构的连接件。这可通过将导电迹线(未示出)铺放在通孔300的上部暴露表面上或如图所示将焊料隆起物或柱状物放置成与通孔300接触来完成。请注意，总体上但并非所有情况都如此，在制造过程中，将在与使用本发明的检查技术相比更迟的阶段形成隆起物/柱状物或其它连接件。
在图6所示的实施方案中，通孔300在基底32的本体内终止。虚线38指示了将基底32研磨或移除到此的位置，从而使得通孔300的底表面暴露以连接到其它结构或集成电路。本文所公开的系统和方法可用于微芯片制造过程。例如，在对晶片进行背面研磨之前，可检查通孔的空隙。如果计量步骤识别出，在通孔中存在使得通孔有缺陷的空隙，那么可避免昂贵且费时的背面研磨步骤。因此，根据一种制造方法，如果所检查的通孔被确定为不包含使得通孔有缺陷的空隙，那么仅发生背面研磨。还可使该系统和方法作为对照集成到制造过程中，以监视生产并且有助于过程的上游设置。换句话说，该系统和方法可用于检查结构诸如通孔以便当某些类型的小空隙被注意到或其它不寻常的且不受欢迎的结构变化开始在通孔内出现时，识别这些用于形成通孔的过程发生问题的时间。基底32中通孔300和其它3D结构的检查成为难题。基底的有源部分36的大部分对光学成像技术不透明。某些技术利用近红外照明和成像技术来从基底32的反面35查看通孔300(参看图17)。然而，红外成像技术遇到某些分辨率和噪声问题。在基底32的有源部分36中或在紧邻基底32的上表面34的基底区域中行进的表面声波的使用避免了与成像通孔300和其它结构相关的很多缺点。
图7图示了如何在基底32中诱发表面声波和可如何测量表面声波中的扰动。辐射脉冲200以倾斜角或法角(201)入射到基底32上。对辐射脉冲200的波长、偏振状态、功率、入射角以及有时方位角进行选择以允许基底32吸收辐射脉冲200的足够的一部分作为热量。基底32在指定位置的加热导致基底32突然膨胀，这在基底32的材料中诱发了超声波。该超声波从入射点220或多或少球状地发射到基底32中。移动到基底中的超声波的垂直/向下进入基底32的表面34中的那部分被称为体波(参看图11)。超声波的沿基底32的表面34传递的那部分被称为表面声波或SAW。请注意，辐射脉冲通常为激光束并且可被称为泵束。
从入射点220发出的SAW具有组件，这些组件沿基底32的表面行进，通过通孔300，到达第二入射点230，在该第二入射点处，辐射脉冲210(脉冲或连续波)入射到基底32的表面34上。辐射脉冲210用于感测由于随时间变化的SAW所引起的基底32的反射率和形状的变化(变形)。在一个实施方案中，将反射率和形状的变化记录为SAW从位置220传播到位置230(即，等于图7和8所示距离d1和d2的总和的距离)所花费的时间的函数。
图8图示了获得SAW数据的一种方式，所述SAW数据将关于形成于基底中的3D结构的至少位置信息编码。可以理解，基底32可具有可能需要检查或评估的一种、许多种或甚至数千种结构300。因此，期望诱使辐射脉冲200、210通过多个结构或通孔300。在一个实施方案中，用户可对基底32的结构300进行简单抽查。在该实施方案中，在基底上仅对单个结构300或相对少的结构300(例如，5-25个通孔)进行评估。在另一个实施方案中，对可抽换结构的很大一部分进行评估。在这种情况下，很大一部分可构成基底32上所有结构或通孔300的10％与75％之间。在一些其它实施方案中，对基底上基本上全部(75％-100％)的可抽换结构或通孔300进行评估。请注意，当结构或通孔300的至少一部分被定位在表面声波传播穿过其中的基底32的那部分内时，该结构或通孔是“可抽换的”。如果表面声波不能与结构或通孔300相互作用，那么结构或通孔300是不可抽换的。
图8图示了本发明的一个实施方案。辐射脉冲(另外也称为泵束)入射到基底32的表面上在入射位置220处。基底32对泵束的辐射能的至少一部分的吸收在基底32的表面中诱发了表面声波(线S)。虽然SAW将从入射点220向四面八方辐射，但SAW将朝向第二入射点230传播。可以理解，传播穿过基底32的SAW也将穿过结构或通孔300，从而将与形式或性质有关的信息编码到SAW中。SAW随后继续行进到第二入射点230，在该第二入射点中，第二辐射脉冲(未示出)入射到基底32上。第二辐射脉冲(也称为探针束)用于从SAW获得数据，所述数据包括与结构或通孔300的形式或性质有关的信息。以下描述执行这个测量的各种方法。本领域技术人员将容易理解其它技术。
在一个实施方案中，对于每组入射点220、230来说，将泵/探针周期重复多次。以此方式，可对多个数据点求和、求平均或以另外的方式组合以提供有用的数据。然而，应理解，可将该周期执行获得有用数据所需的任意次数，包括单次重复。可将通过探针束所获得的数据根据通孔和/或入射点220、230或两者的XY位置进行编码。另外，可根据入射点220、230相对于结构或通孔300的位置来测量或确定使SAW从第一入射点220移动到第二入射点230、通过结构或通孔300所花费的时间。
在一个实施方案中，使基底32相对于辐射脉冲200、210的来源移动，以将它们的入射点220、230如图7所示进行定位并且如图8所示定位在2201和2301处。如上所述，可在位置2201和2301处进行任何必要数量的测量周期，包括单个测量周期。一旦完成各个位置的测量，即使基底和/或辐射脉冲200、210的来源相对于彼此移动，以将辐射脉冲的入射点定位在图8中可见的位置2202和2302处。另外，进行必要数量的测量周期，包括可能仅仅单个周期。下文中，使基底和/或辐射脉冲的来源重复移动到位置220n、230n，在所述位置处进行一个或多个测量周期。请注意，在一些实施方案中，以停止/启动的方式进行n个入射位置之间的移动，即，使基底和辐射脉冲来源相对于彼此移动到所需位置，此后使这些基底和辐射脉冲来源相对于彼此保持静止直到完成所有必要的测量周期。虽然相对缓慢，但使辐射脉冲寻址到基底的停止/启动方法实现了高度的光学和物理控制。
应理解，上述方法以及本文所公开的其它计量方法可应用于样品的两侧。例如，参照图7，应理解，在晶片的下侧上可使用本文所公开的方法。在这样一个实施方案中，可通过与将光声波诱导到晶片/半导体基底的顶表面上相反或除此之外，将声波(表面声波和体声波)诱导到晶片的底表面中来检查样品的所感兴趣的结构(例如，通孔)的空隙。此类计量学的一种方法将涉及使晶片反转并且另一种方法将涉及泵激光束和探针激光束重定向/重定向到样品(例如，晶片)的底表面上。
除了上文所述的之外，许多光学布置也可用于执行本发明的各种实施方案。例如，图9A图示了本发明的实施方案，其中单独的激光器40、42分别提供了泵辐射束44和探针辐射束46。虽然激光器40、42示出为处于垂直入射定向上，但应理解，倾斜入射定向通过该布置在本质上进行描述。来自激光器40的泵束44入射到基底32上在一个或多个入射点220处，以在基底中诱发表面声波SAW。来自激光器42的探针束46入射到基底32上在一个或多个第二入射点230处，以感测与表面声波和基底32的结构有关的信息。在图9A所示的实施方案中，传感器48通过分束器50耦合到激光器42的光学路径中。传感器48可为位置敏感检测器(PSD)等，并且可感测任何有用的特征诸如基底32的偏转或基底的反射率或其它光学特性的变化。请注意，传感器48可测量基底32的特征作为绝对值或作为其它数据诸如时间的函数。
激光器40、42，传感器48和上面支撑有基底32的级52由控制器54控制。控制器54对基底32进行定位以确保激光器40、42中的每一者均入射到适当的点220、230处。控制器54还控制激光器40、42的操作以确保这些激光器以对于在绝对值意义上并且根据时间在基底32中诱发和测量表面声波来说必要的方式进行操作。因此，除了别的之外，图9A所示的实施方案还可根据基底相对于结构300位置的位置来确定表面声波花费多长时间从第一入射点220行进到第二入射点230。请注意，基底32相对于级52的位置通过校准来确定，所述校准可使用对准系统(未示出)来执行，该对准系统包括照明装置、相机或传感器，以及用于处理从相机或传感器所捕获的图像/数据以确定级52和基底32的相对位置的装置。在一些例子中，激光器42和传感器48可用于确定基底相对于级的位置。在任何情况下，级52具有电子编码器或光学编码器(未示出)，这些编码器在任何给定时间为基底32提供精确的位置信息。
图9B图示了与图9A所示类似的实施方案，主要区别在于后者使用单个激光器40来向第一入射点220与第二入射点230提供辐射脉冲。定位在从激光器40发出的光学辐射路径中的分束器51将辐射分成两个脉冲：泵脉冲44和探针脉冲46。第一脉冲入射到基底32上在入射点220之一处。第二脉冲穿过延迟级56(该延迟级改进了第二脉冲所行进的路径长度)并且通过这样做，改进了第二脉冲入射到第二入射点230之一上相对于第一脉冲入射到入射点220上的时间延迟。使从入射点230返回的光传递到传感器48，该传感器测量基底32的一个或多个特征以识别在点220与230之间传递的表面声波中编码的信息。
图9C图示了其中使用干涉仪60代替位置敏感检测器来确定基底32的特征的另一个实施方案。在该实施方案中，激光器62穿过分束器64，该分束器使入射到基底32上在点230处的第一部分与入射到参照镜68上的第二部分之间的束分裂。从基底32和参考镜68返回的光通过分束器64组合并且返回到传感器66，该传感器可为成像装置诸如相机或点传感器诸如光电二极管。本领域技术人员将该构造识别为迈克耳逊干涉仪。也可以使用其它类型的干涉仪。
图10图示了其中单个激光束分裂为多个泵束70的替代光学布置。单个激光束(源自与泵束70相同的来源或源自完全不同的来源)可同样分成或分裂为多个探针束72。在该实施方案中，多个探针束72和泵束70可被布置成如图所示对多个第一入射点和第二入射点寻址。光学装置诸如声光调制器或电光调制器可用于将单个束分裂为多个独立束。本领域技术人员熟知其它这样的布置。
本领域技术人员还将认识到，为了清楚起见，已将本文所描述类型的光学系统中常用的某些光学元件省略。一些这样的光学元件包括但不限于：透镜、束转动元件、光纤装置、束混合器、偏振器、分析仪、带通滤波器、停止件等。
当使用本发明的系统和方法重复地确定和识别基底32的结构300的特征时，期望控制器54记录一系列指令以用于操作本发明，这些指令使得该过程易于自动化。这样的指令列表通常被称为“处方”。处方可为可由控制器读取并实施以确定基底特征的文本或二进制输入列表。所述处方可不仅包括简单的指令，而且包括关于允许控制器54如所预期执行的基底32的一般信息。可包含于基底中的数据的例子为结构300的尺寸和形状以及基底次单元的位置，例如半导体装置在晶片上的位置。另外，所述处方可包括基底或其子集上所发现的所有结构的标称位置。
在一个实施方案中，控制器引导级52来定位基底32，以使得辐射束可如上所述入射到点220和230上。在该实施方案中，使基底32以停止/启动的方式移动，从而将基底32串联地定位在所需位置并且随后在所述位置停留足够长的时间，用于使额外的振动渐次减弱，用于使光学元件聚焦在点220和230处，以及用于捕获与结构300的特征有关的数据。可在每个静止期以该方式进行多个数据收集周期。
在另一个实施方案中，控制器54引导级52连续地移动，以使入射点220、230连续地移位，通过入射辐射束。在基底32的连续移动与泵/探针数据收集过程相比充分缓慢的情况下，可将每个数据收集周期(每个泵/探针周期)视为已在单独的点处进行，所述点的位置为已在任何给定时期扫描过的路径的中心。在该实施方案中，可扫描基底32上的所有结构300。通常，这通过建立左右交互路径来完成，所述左右交互路径将所有待扫描结构顺序地带到它们的所需位置。在这种类型的路径之后，实现基底的快速评估。在其它实施方案中，使用了左右交互路径，而不是检查或评估所有结构300，仅对所选择的结构寻址。在另一个实施方案中，级52使基底32沿着路径移动，所述路径适合所选择的结构300在基底32上的位置。该路径可为花键或线性路径段和弓形路径段的组合。移动基底以使传感器寻址到所选择位置的这种模式通常被称为“醉汉走路”路径，尽管待访问位置必然可以随机选择也可以不随机选择。
在另一个实施方案中，执行泵/探针数据收集周期的光学系统装备有光学机制，所述光学机制允许入射到点220、230上的泵束和/或探针束快速移动(即，抖动)，以免向任何给定位置施加太多的热量。在这种情况下，将点220、230视为这些束在上面抖动的区域的中心。将由该布置产生和收集的数据分配给由点220、230限定的中心位置。可使用这种抖动技术，而不管基底32和级52是连续地还是间断地移动。
在另一个实施方案中，用于使具体区域或基底32的区域上的束抖动的光学机制可用于当基底被扫描通过泵束/探针束的来源时，使泵束/探针束维持位于点220、230中的所选择的一个点上。
如上所述，穿过和/或围绕形成到基底中的结构诸如通孔传递的表面声波已在其中编码有某些信息，可对所述信息进行解析以提供对于结构性质的洞察。然而，在可以开始数据采集之前，首先需要分别确定泵束和探针束的入射点的位置。虽然对于这些入射点中的每一者来说，存在一系列位置，但关键是确保第一入射点220足够接近第二入射点230以得到清晰的信号。当表面声波远离诱发它们的来源行进时，在远离表面声波发起点的任何点处，表面声波的强度以d-1/2衰减，其中d为传播距离。因此，需要获得足够靠近的点220、230，以确保实现足够的信号强度。然而，同时，需要确保在点之间存在充分的距离，在所述点处，执行泵和探针以跨越所感兴趣的结构。
参照图11，示出了包括体波(BAW)检测与表面波(SAW)检测的系统和方法的示意性图示。在所描述的实施方案中，所聚焦的激励激光器用于生成体声波，该体声波向下行进到基底中并且朝向体波检测器向上反弹。在所描述的实施方案中，耦合到迈克耳逊干涉仪的聚焦光学探针被配置来检测样品中所诱发的体波与表面波。在所描述的实施方案中，探针束被配置来与泵束物理地分离，以使得它们可聚焦在处于检查阶段的样品上的不同物理位置处。应理解，许多其它配置也是可能的，包括例如使用了多个聚焦光学探针的配置。
在所描述的实施方案中，激励激光器施以脉冲几百飞秒至几百纳秒以产生大约一兆赫至几百兆赫(例如，1-200MHz)的声学。这个相对低的频率使得该系统能够测量相对深地埋入或嵌入在样品内的结构。例如，在一些实施方案中，本发明的系统被配置来检测通孔中的空隙和其它内部缺陷，这些空隙和其它内部缺陷在样品表面下方深达300微米(例如，0-75微米、0-50微米、0-300微米、50-300微米、100-300微米等)。本发明的系统可穿透和测量样品并且提供关于隆起物、焊盘、柱状物和其它覆盖式、埋入式和嵌入式结构的信息，这些结构另外很难甚至不可能以非破坏性的方式确定。在某些实施方案中，脉冲频率足够低以免需要使用延迟级进行数据收集。在一些实施方案中，单独地使用光电二极管传感器来收集数据(无延迟级)。然而，应理解，在其它实施方案中，也可使用延迟级(例如，图9B)。
在所描述的实施方案中，对某个时期内所诱发的声能的材料响应用于确定样品中材料的几何形状。这些材料响应(例如，以电压为单位测量的表面变形)与例如通孔几何形状和其它材料特性相关。具体来说，各种模式在时间域中的到达时间可例如用于提供与空隙在通孔中的存在或不存在有关的定性信息。
参照图12，示出了示例性光学示意图。在所描述的实施方案中，激励脉冲激光器将激光束引导穿过一系列镜子M6、M7、M8、M9、GM、CM2、M10、M11和透镜L4、L6、L7以及其它光学组件(半波板HWP2、偏振分束器PBS3、非偏振分束器BS1)到达定位在卡盘上的样品。或者，可将激励激光束引导穿过透镜L5、镜子M5、M4以及偏振分束器PBS2和四分之一波板QWP3。检测激光器将激光束引导穿过一系列镜子M1、M2、M3、CM1和透镜L2以及其它光学组件(半波板HWP1、偏振分束器PBS1、四分之一波板QWP1、分色镜DM和非偏振分束器BS1)到达定位在卡盘上的样品。在所描述的实施方案中，该系统还包括子系统，该子系统包括分色镜DM、偏振分束器PBS1、非偏振分束器BS1和非偏振分束器BS2；以及子系统，该子系统包括相机、非偏振分束器BS2、透镜L8、管透镜TL、非偏振分束器BS1。
参照图13和14，使泵束和探针束定位在处于检查阶段的通孔正上方。具体来说，在所描述的实施方案中，检测激光束被同轴定位在激励激光束内以使得它们重叠。在所描述的实施方案中，激励激光器的直径是充分大的以覆盖通孔，而检测激光器(探针束)的直径较小但也是充分大的以覆盖通孔的投影。在所描述的实施方案中，可执行单个测量以检测体声波与表面声波。激励激光器在通孔的整个顶表面上诱发了声波，并且同时(或顺序地)，检测器对来自通孔的体波和表面波响应进行了探测。以上实施方案说明，泵束和探针束可至少部分基于结构(它们是测量主体)的几何形状来布置和配置。应理解，许多替代配置也是可能的。例如，在替代配置中，泵束和探针束均可具有比通孔的直径更小的直径。
参照图15和16，检测器(探针激光器)接收返回波数据，所述返回波数据已在其中编码有与Cu通孔中的空隙有关的信息。例如，在体波返回所花费的时间(即，回波时间)方面所收集的数据可说明在具体地理位置存在空隙。与从已知不包含此类空隙的样品返回的响应相比，空隙的存在可与对声能的响应的异常相关。
可通过另外检查返回波的频率和返回时间来收集与处于检验阶段的结构有关的另外的且更多的具体信息。例如，可确定通孔/通孔中的空隙的直径和通孔/通孔中的空隙的深度。
如上所述，与正常共同响应的偏离可指示不正常的结构。结构异常诸如空隙可使得结构(例如，通孔或柱状物)和基底(其为该结构的一部分)(例如，晶片上的模具)有缺陷。换句话说，测量无空隙的通孔，并且将回波图形(包括在所反射的波到达表面的延迟时间左右的信号的一部分)“切出”并且保存为“模板”信号向量。在计量期间，在搜寻相关系数C(tm)的最大值时，利用模板来扫描新的测量信号。如果C(tm)的最大值比来自通孔底部的预期返回时间更早地发生，或比从已知无空隙通孔观察到更早地发生，那么将处于分析阶段的通孔报告为具有空隙。空隙位置大约位于1/2Vs*tm的深度，Vs为铜中的声音速度。
在测量信号图表(例如，图5B)中可以看出，回波图形可通过完全不同的特征频率来表征。在测量信号上计算通过滑动时间窗口(其比得上回波的典型持续时间(～2-3x))所选择的信号的一部分的周期图将产生函数F(t,w)，根据利用围绕t居中的窗口所获得的周期图，所述函数等于频率w下的功率密度。当窗口覆盖信号的回波部分时，在功率谱中存在对应于回波特征频率的峰。时间窗口tm的位置(其中这些功率密度是最强的)将对应于回波返回时间。空隙位置大约位于1/2Vs*tm的深度，Vs为铜中的声音速度。
应理解，可使用许多替代信号处理方法。例如，还可使用“背景相减法”。在图15和16中的测量数据图表上可以看出，在缓慢衰减的背景信号的顶部上出现大幅振荡声学响应。在回波图形匹配之前，可通过适应衰减指数的多项式或线性组合来减去该背景。
另外，还可使用信号频率过滤用于“回波图形匹配”。因为回波图形具有特征频率分布，因此可能有利的是通过频率滤波器运行测量信号以抑制基本上高于和/或低于特征回波频率的频率。这将使得回波图形匹配在相对高信噪比(SNR)的情况下更加稳健。
还可将许多其它替代技术考虑为本发明的一部分(例如，有限元法(FEM))或可在测量通孔的给定参数(例如，直径、深度、侧壁角、衬套或粘合剂层等)之前执行类似的计算机模拟，并且根据此类模拟确定“模板”信号向量(TSV)并将其保存为处方的一部分而不是从实际测量值中剪掉。
也可完成另外的分析步骤，例如，表征所检测的空隙。如上所述，在时间-周期图分析的情况下，可使用返回回波的光谱功率密度分布的细节来表征空隙尺寸和形状。这将需要在光谱与空隙尺寸和形状之间建立相关性。可利用FEM或类似模拟，或收集样品的测量值来建立这些相关性，随后通过电子显微镜学或其它能够表征空隙形状和尺寸的技术来分析这些测量值。应理解，来自参考测量或模拟的信号可用来训练和优化人工神经网络估计器以根据生产测量值确定空隙特征。
尽管在本文中已对本发明的特定实施例进行了图示和描述，但本领域技术人员应理解，任何被分析认为能实现相同目的的配置可代替所示出的特定实施例。对于本领域的普通技术人员而言，本发明的许多适应性是显而易见的。相应地，本申请旨在涵盖本发明的任何修改和变化。显然，本发明仅仅由权利要求和其等效物来限制。

Claims (10)

1.一种制造半导体芯片的方法，包括以下步骤：
在晶片上形成结构，所述结构选自由通孔和柱状物组成的组；
将激光引导到所述晶片的表面上以诱发体声波或表面声波中的至少一个穿过所述结构在所述晶片上的预期位置；
根据所述晶片的表面的表面位移，确定与所述结构的结构特征相关的一个或多个频率；
至少部分地基于对随时间变化的相关频率中的至少一个的检验来确定所述结构是否包括缺陷；
只有所述结构缺少某些缺陷才对所述晶片进行背面研磨；以及
将所述晶片分成单独的微芯片。
2.如权利要求1所述的方法，其中所诱发的声波穿过由介电材料制成的至少一个介电层。
3.如权利要求2所述的方法，其中所诱发的声波穿过由导电材料制成的至少一个导电层，所述导电材料选自由以下各项组成的组：铝、铜、银、硒、铅、镍、金和/或锡化合物。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述至少一个导电层和所述至少一个介电层具有完全不同的声学特性，以使得在所述结构中行进的声波上施加有一个或多个频率，所述频率指示所述结构中的结构异常性或与所述结构相关的感兴趣尺寸中的至少一个。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述至少一个导电层和所述至少一个介电层具有完全不同的声学特性，以使得在所述结构中行进的声波上施加有一个或多个频率，所述频率指示所述结构的材料属性特征。
6.一种制造半导体芯片的方法，包括以下步骤：
在晶片上形成结构，所述结构选自由通孔和柱状物组成的组；
将第一激光脉冲在第一位置处引导到所述晶片的表面上以诱发表面声波穿过所述结构在所述晶片上的预期位置；
根据由所述表面声波引起的所述晶片的表面的表面位移，确定与所述结构的结构特征相关的一个或多个频率；
将第二激光脉冲在第三位置处引导到所述晶片的表面上以检测穿过所述结构的预期位置之后的表面声波；
至少部分地基于对随时间变化的相关频率中的至少一个的检验来确定所述结构是否包括缺陷；
只有所述结构缺少某些缺陷才对所述晶片进行背面研磨；以及
将所述晶片分成单独的微芯片。
7.如权利要求6所述的方法，其中所诱发的声波穿过由介电材料制成的至少一个介电层。
8.如权利要求7所述的方法，其中所诱发的声波穿过由导电材料制成的至少一个导电层，所述导电材料选自由以下各项组成的组：铝、铜、银、硒、铅、镍、金和/或锡化合物。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一个导电层和所述至少一个介电层具有完全不同的声学特性，以使得在所述结构中行进的声波上施加有一个或多个频率，所述频率指示所述结构中的结构异常性或与所述结构相关的感兴趣尺寸中的至少一个。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一个导电层和所述至少一个介电层具有完全不同的声学特性，以使得在所述结构中行进的声波上施加有一个或多个频率，所述频率指示所述结构的材料属性特征。
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