CN112649444A - 半导体元件内部影像信息检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体元件内部影像信息的检测方法，应用于一半导体元件，该半导体元件包含一垂直堆栈结构，其内部信息无法以单次扫描完整取得。内部信息检测方法首先是将镜头对焦于半导体元件表面清晰的焦平面位置取像，接者将焦平面位置向下移动一景深距离取像，重复动作至半导体元件底层，最后依据取得的多个影像判断半导体元件内部信息。

Description

半导体元件内部影像信息检测方法

技术领域

本发明涉及一种半导体元件内部影像信息检测方法，特别是有关一种具有多层次厚度影像信息的半导体元件内部检测。

背景技术

在美国专利公开号US20080037859A1中，描述一晶圆检测技术，利用红外线将一镜头景深范围内的晶圆表面下瑕疵投影为二维平面影像取得晶圆内部信息。

然而，随着半导体元件尺寸持续缩小，对光学检测的分辨率性能要求日益增加，但提升分辨率的同时也因光学物理限制造成景深范围的损失，亦即无法同时达成高分辨率以及足够的景深，而当半导体元件垂直方向结构深度大于光学检测的镜头景深时，将会造成镜头景深范围外晶圆内部信息的遗失。

如图1，光学检测以镜头取得镜头景深范围内半导体元件内部信息。又如图1所示，其中含有一光学镜头101，具有一景深范围102，其景深范围长度为d1；一半导体元件110，具有一深度h1，以及另一半导体元件120，具有一深度h2；其中，d1、h1以及h2的关系为：d1大于等于h1、d1小于h2。当光学镜头101，对一半导体元件110，进行扫描，因其光学镜头景深范围长度d1，大于等于h1，半导体元件110，垂直方向于d1范围内的内部信息皆可被取得；当光学镜头101，对一半导体元件120，进行扫描，因其光学镜头景深范围长度d1小于h2，半导体元件120，垂直方向于d1范围内的内部信息将被取得，而光学镜头景深范围长度d1以外的信息将于该次扫描中遗失。

发明内容

本文描述用于半导体元件内的三维信息检测方法。

有鉴于在现有技术中，检测表面不可见的半导体元件内部信息，主要是以单次扫描的方式对半导体元件进行扫描，又因于自动检测中所取得的影像需具备清晰的参考点影像，一般而言，会将镜头景深范围涵盖受测半导体元件表面位置，以取得半导体元件表面的参考点影像位置。然而，仅依据单次扫描所获得的影像，因其是将镜头景深范围内的半导体元件内部垂直方向信息以投影方式压缩为二维影像，在半导体元件垂直方向结构深度大于光学检测的镜头景深时，将造成镜头景深范围外晶圆内部信息的遗失，以致进行完整精细的半导体元件内部信息检测难以实现。

为解决上述问题，本发明提供一种半导体元件内部影像信息的检测方法，是以涵盖半导体元件内部完整景深范围的影像集来分辨半导体元件内部信息，此影像集是由多个影像所构成，而此多个影像是分别由不同焦平面深度所取得，所代表的不同厚度层信息经过整合处理后，进而得到半导体元件内部完整信息及其三维分布关系。

承上所述，本发明为解决传统检测技术的问题，所必要技术手段为将镜头焦平面移至半导体元件内部一厚度层，并对半导体元件内部该厚度层进行扫描，以取得该厚度层的焦平面影像；接者将镜头焦平面向下移动一景深距离，到达一新厚度层，并对半导体元件进行取像取得该新厚度层的焦平面影像；接者重复向下移动、取像直至镜头焦平面向下移动至半导体元件最底层；最后以取得上述的焦平面影像集，依据该影像集判断分析半导体元件内部信息。

由上述的必要技术手段所衍生的操作方法为，将镜头焦平面移至半导体元件内部一厚度层的步骤包含：镜头焦平面由放置半导体元件平台向上移动对焦至半导体元件表面，再依检测需求将焦平面移至半导体元件内部特定高度层。

由上述的必要技术手段所衍生的操作方法为，依据扫描影像判断分析半导体元件内部信息的步骤包含：判断影像内信息分类，并结合上述移至半导体元件内部一高度层的步骤得出的特定高度层位置信息，得出半导体元件内部特定信息与三维位置的关系。

其中，上述半导体元件内部信息包含，半导体元件表面不可见的分层堆栈电路，以及半导体元件基板内部的表面不可见瑕疵。

附图说明

图1显示一半导体元件垂直深度与镜头景深关系示意图；

图2为一实施例的系统示意图；

图3为一半导体元件三维立体模型；

图4为一种用于半导体元件的三维信息检测方法的一项实施例的一简化剖面信息示意图；

图5为本发明半导体元件的内部信息检测方法的步骤流程。

附图标记说明：101-光学镜头；102-景深范围；110-半导体元件；120-半导体元件；d1-景深范围长度；h1-半导体元件深度；h2-半导体元件深度；200-系统方块图；201-半导体元件；202-承盘；203-成像光学系统；204-镜头；205-逻辑计算单元；206-光源总成；300-三维立体模型；301-半导体元件基板；302-检测镜头；310-基板上分层电路；320-半导体元件基板上层瑕疵；330-表面不可见的半导体元件基板内部瑕疵；340-表面不可见的半导体元件基板底部瑕疵；400-半导体元件的三维信息检测方法的一项实施例的一简化剖面信息示意图；401-景深涵盖范围；402-景深涵盖范围；403-景深涵盖范围；410-基板上分层电路剖面；420-表面不可见的半导体元件基板上层瑕疵剖面；430-表面不可见的半导体元件基板内部瑕疵剖面；440-表面不可见的半导体元件基板底部瑕疵剖面；h2-半导体元件垂直方向高度；d3-景深范围长度；z1-焦平面中心位置；z2-焦平面中心位置；z3-焦平面中心位置；S110-步骤；S120-步骤；S130-步骤；S140-步骤；S150-步骤。

具体实施方式

本文中描述用于分析一具垂直堆栈结构的半导体元件内部影像信息的检测装置及方法。

在本实施例中，多个半导体元件是由一晶圆经半导体制程所形成的多个晶粒，其中构成上述晶圆的基板是由砷化镓所组成。

本发明的半导体元件内部影像信息检测装置，请参阅图2是一实施例的系统200示意图，其中包含一承盘202、一成像光学系统203、一光源总成206、一镜头204以及一逻辑计算单元205。其中，承盘202用以承载多个半导体元件201，以及成像光学系统203设置于距离承盘202一工作距离并连接逻辑计算单元205，镜头204设置于光学系统203及承盘202之间，且光源总成206邻设于镜头204，并用以发射至少一线光束至半导体元件201表面。图2为一实施例的系统200示意图。系统200包含执行检测时用以固持一待检测半导体元件201的承盘202。其中检测半导体元件201如图3所述半导体元件三维立体模型300，为一垂直堆栈结构。

系统200包含一成像光学系统203，其中成像光学系统203包含具有一景深范围的镜头204，用以取得该景深范围内焦平面的影像，其中，前述镜头204可为暗视野镜头、相位差镜头、偏光镜头或为明视野镜头。。

成像光学系统203包含可移动镜头204焦平面的机构。在一实施例中，前述的机构可为一垂直运动轴，藉由移动成像光学系统203的垂直位置，达到移动镜头204焦平面的目的，其中该对焦系统除可为机械线性移动机构，移动成像光学系统203与镜头204位置达成焦平面移动；该对焦系统亦可为一棱镜总成，通过该棱镜总成内棱镜位置移动达成焦平面移动。

其中该对焦系统含有传感器可传送上述焦平面移动的位置信息。

其中，镜头204轴线可与承盘202上的半导体元件201上表面垂直、与半导体元件201下表面垂直、与半导体元件201上表面呈一角度或与半导体元件201下表面呈一角度。

系统200包含一逻辑计算单元205，用以分析成像光学系统203取得的影像，获得影像中信息，以及各个影像的焦平面位置，并结合各个影像中信息与焦平面位置，得半导体元件201内部信息。

请参阅图3、图4及图5。其中，图3是一半导体元件三维立体模型300，其中包含半导体元件基板301、检测镜头302、基板上分层电路310、一半导体元件基板上层瑕疵320、一表面不可见的半导体元件基板内部瑕疵330以及一表面不可见的半导体元件基板底部瑕疵340；图4是一种用于半导体元件的三维信息检测方法的一项实施例的一简化剖面信息示意图400，其内部信息为方便说明，分别对应图3一半导体元件三维立体模型300，其中，基板上分层电路剖面410对应基板上分层电路310、半导体元件基板瑕疵剖面420、430以及440亦分别对应半导体元件基板瑕疵320、330以及340，并且该半导体元件有一垂直方向高度h2、焦平面中心位置z1、z2及z3、一景深范围长度d3以及相对应焦平面中心位置z1、z2及z3的景深涵盖范围401、402以及403；图5为本发明半导体元件内部影像信息检测方法的步骤流程图。如图所示，在一实施例中，多个相邻的半导体元件放置于一检测平台上。其中，上述半导体元件具一垂直堆栈结构并包含沿芯片厚度方向的深度。

其中，上述垂直堆栈结构构成可为逐层电路或为晶圆基板。上述半导体元件可能因半导体制程造成一沿芯片厚度方向变化的瑕疵损伤。此外，上述的瑕疵损伤可为表面不可见的点蚀、隐裂或崩角。

承上所述，在本实施例中，如图5所示检测方法，其步骤S110首先是将检测镜头302，对焦于半导体元件300，最上层物体位置清晰的焦平面位置z1，并对半导体元件进行取像，取得具景深涵盖范围401内部清晰信息的影像；接着步骤S120将镜头焦平面向下移动一景深距离至z2，并对半导体元件进行取像，取得具景深涵盖范围402内部清晰信息的影像；然后，步骤S130重复向下移动、取像直至镜头焦平面向下移动至半导体元件最底层，取得具景深涵盖范围403内部清晰信息的影像。接着，步骤S140依据上述各个影像判断半导体元件于各个高度层的信息，例如具景深涵盖范围401，内部清晰信息的影像中包含基板上分层电路(410、310)，以及半导体元件基板上层瑕疵(420、320)的信息；具景深涵盖范围402内部清晰信息的影像中包含一部份半导体元件基板上层瑕疵(420、320)的信息，以及表面不可见的半导体元件基板内部瑕疵(430、330)的信息；具景深涵盖范围403内部清晰信息的影像中包含一部份表面不可见的半导体元件基板内部瑕疵(430、330)的信息，以及一表面不可见的半导体元件基板底部瑕疵(440、340)的信息。最后，步骤S150，逻辑计算单元205，结合上述各个影像与各个影像的焦平面位置，通过分析涵盖芯片厚度的景深范围影像集内部信息，即可得半导体元件完整内部信息。

其中，上述步骤S150中的必要技术手段所衍生的一技术手段为分析各个影像内部信息，以及纪录该各个影像的焦平面位置。举例而言，当成像光学系统203，取得具景深涵盖范围401内部清晰信息的影像后，通过逻辑计算单元205，分析影像信息得其中包含基板上分层电路(410、310)、半导体元件基板上层瑕疵(420、320)，以及其在影像中的位置，并通过成像光学系统203内对焦系统中传感器，得到具景深涵盖范围401内部清晰信息的影像焦平面位置；成像光学系统203，取得具景深涵盖范围402内部清晰信息的影像后，通过逻辑计算单元205，分析影像内部信息得其中包含一部份半导体元件基板上层瑕疵(420、320)、表面不可见的半导体元件基板内部瑕疵(430、330)，以及其在影像中的位置，并通过成像光学系统203内对焦系统中传感器得到具景深涵盖范围402内部清晰信息的影像的焦平面位置；此时逻辑计算单元205可归纳得出：具景深涵盖范围401内部清晰信息的影像于焦平面移动方向的焦平面位置，以及该焦平面位置中基板上分层电路(410、310)的位置；具景深涵盖范围402内部清晰信息的影像于焦平面移动方向的焦平面位置，以及该焦平面位置中一部份半导体元件基板上层瑕疵(420、320)、表面不可见的半导体元件基板内部瑕疵(430、330)的位置。即可于各个焦平面中得内部信息二维方向位置关系，再加上各个焦平面于焦平面移动方向的位置关系，即得到半导体元件的内部三维信息。

其中逻辑计算单元205分析影像内部信息的方式，可为机器学习、特征提取、边缘检测、角点检测、对象检测、其他单一计算器视觉技术或任意上述技术组合。

在一实施例中，因为前端制程特性，于半导体元件下层，不确定特定瑕疵是否发生，并需检测上述特定瑕疵存在与否，而半导体元件理论高度于前端制程可知。缘此，检测方法首先是将检测镜头对焦于半导体元件表面，接着将镜头焦平面向下移动至特定瑕疵存在高度层，并对半导体元件进行取像；依据此影像判断半导体元件于此高度层是否存在一瑕疵。

由上述的必要技术手段所衍生的一技术手段为，通过将检测镜头对焦于半导体元件表面的过程中机械行程，可得半导体元件的一参考高度，并由此参考高度分布得半导体元件实际高度信息。

承上所述，本发明的一种用于半导体元件的三维信息检测方法提供有效、检测成本低廉且可完整分析一具垂直堆栈结构的半导体元件内部信息的检测方法。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (3)

1.一种半导体元件内部影像信息的检测方法，用以得到半导体元件内部信息的三维分布关系，其特征在于，包含下列步骤：

(A)将镜头焦平面移动对焦至半导体元件表面，再依检测需求将焦平面移至半导体元件内部特定高度层，并对半导体元件内部该高度层进行扫描；

(B)依据该影像判断分析半导体元件内部信息；

(C)综合该影像高度层位置与上述内部信息，得到半导体元件内部信息的三维分布关系。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤A所述镜头焦平面的移动方式，为移动镜头焦平面的机械线性移动机构，藉由移动镜头的位置，达到移动镜头焦平面的目的，或为一棱镜总成，通过该棱镜总成内棱镜位置移动达成焦平面移动。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，上述镜头为一具有一景深范围的镜头，用以取得该景深范围内焦平面的影像，镜头为暗视野镜头、相位差镜头、偏光镜头或明视野镜头。

Images