CN1997926A - 用于测量设备中的构形结构的方法 - Google Patents

Abstract

为了能够以没有损坏的方式测量在晶片或设备上的构形，本发明提供了一种用于测量在晶片(2)或设备上的三维构形结构(22)的方法，其中借助于共焦显微镜(1)，使用激发光线扫描至少一个发荧光构形结构(22)，并且检测从物镜(15)的焦平面(19)中的焦点(17)发出以及由所述激发光线激发的荧光光线，并且从焦点(17)的位置和检测的荧光信号中获得测量数据。

Description

用于测量设备中的构形结构的方法

技术领域

本发明大体上涉及显微术领域，特别地涉及利用共焦显微术进行设备中的构形(topographic)结构的测量。

背景技术

在半导体制造领域中需要测量设备表面的测量设备，以便以二维或三维来控制生产步骤。还特别希望能够测量和检查所施加的清漆层(例如，光清漆层或绝缘层)的构形。

特别适合于该目的的是电子显微镜或白光干涉仪。尽管电子显微镜传输很好的图像，但它们有晶片或设备必定被损坏的缺点。

白光干涉仪也允许高精度的测量。然而，这些单元具有不希望的数值孔径，从而没有光线以陡峭的角度从表面落回光学器件，因此无法检测这些表面。此外，无法测量清漆层的厚度。

为了能够测量在采样上的光刻胶图案，从JP 10019532 A2已知可使用UV光线通过分色镜和物镜照射所述采样，并且使用影像记录设备来记录激发的荧光光线，其由所述采样上的光刻胶发出并且在通过物镜的通道之后通过分色镜被反射。这样，获得了光刻胶图案的荧光图像。然而，使用该装备，仅检测光刻胶的横向分布。

此外，从JP 60257136 A2已知相似的装备。除了荧光信号之外，检测来自位于发荧光薄膜之下的表面的信号。可以从荧光光线和反射光线的强度比的确定中，确定反射膜的层厚度。然而，这种装置仅适合于测量相对平坦的构形，因为传统显微镜的景深是有限的。

从US 6,133,576 A中已知一种宽带的反折射(catadioptric)UV显微镜。而且，描述了一种用于检查晶片表面的方法，其中在三维空间中检测被测试表面，同时使用各种波长的光线进行扫描。设计显微镜以便各种波长的光线的焦平面位于不同的深度，以便在所有情况下借助于不同波长的光线来记录不同深度的层。这样，可以合成与不同波长相关的各个图像，以形成采样的三维图像。

然而，该方法的缺点在于它仅贫乏地适合于进行荧光记录。荧光信号已知为具有与激发光线相比更大的波长。在宽带照明(如依照在US 6,133,576 A中描述的方法来使用)的情况下，荧光信号的波长区域逐渐与激发光线的波长区域重叠，或者对激发光线的各种波长产生相同波长的荧光光线。在这两种情况下，所检测的光线无法再被分配给荧光或反射，也无法再被分配给在各个层中的激发光线的散射。从而，深度信息被丢失，因此发荧光结构的三维重现是有缺陷的。

因此，本发明所根据的目标是使能够在晶片或设备上进行发荧光结构的精确的三维测量。

该目标已经由一种如权利要求1中所主张的方法，以非常惊人地简单的方式来实现。在相关的权利要求书中指定了本发明的有利的改进和发展。

因此，本发明提供了一种用于测量在晶片或设备上的三维构形结构的方法，其中借助于一种共焦显微镜以激发光线扫描至少一个发荧光构形结构，并且检测从物镜的焦平面上的焦点发出并且由激发光线激发的荧光光线，并且从焦点的位置和所检测的荧光信号中获得测量数据。依照本发明的方法大体上适合于检查有构形的晶片和设备，也就是说，例如用于检查有微机械、电子、光电子和/或光学设备的晶片或设备。

因此，本发明利用共焦显微术的可能性以便测量构形。与在US6,133,576 A中描述的方法相反，在共焦显微术的情况下，被用来测量晶片或设备的构形的并非宽带光线而是单色或至少基本上单色的光线。结合共焦显微术，这使能够向激发光线和发射位置，特别是激发光线的焦点，进行检测的荧光光线的唯一分配，并且从而进行在被检查晶片或设备中或上的发荧光构形结构的高精密测量。这样，除了结构的表面之外，依照本发明的方法还可以测量这些结构的体积。与电子显微镜分析相反，共焦显微术特别地还能够进行所述采样的非破坏性测量。此外，比起白光干涉测量装置，共焦显微镜具有更有利的数值孔径。

所述方法适合于检查许多类型的三维构形结构，例如清漆层、在光刻胶的光致成形之后剩余的清漆、被插入发荧光材料中或用发荧光材料填充的蚀刻孔或切割的间隔。进一步有利的应用是在晶片上的微机械设备的测量，例如微电机(MEMS)或微光电机(MOEMS)结构。

然而，检测反射和/或散射的激发光线也是有利的。特别地，从而还可能获得非发荧光或者仅微弱地发荧光的晶片或设备的结构的数据。检测从发荧光或透明结构散射的激发光线还允许，例如与其内部特性(例如与可被表示的浑浊度)的情况相关的结论。

根据所需信息的应用，足以在穿过被检查结构的剖面上，沿着一条线或曲线测量，或者记录测量点。然而，依照本发明的有利的实施例，特别地还可能从三维分布的测量点获得测量数据。这些测量点可被分布以便以其整体和三维结构来检测一个或多个被测量结构、子区域或晶片或设备的完整表面。

特别地，本发明的一个优选实施例提供了从荧光光线的强度值和焦点的分配位置值计算构形结构的三维重现。然后，这被显示例如在显示屏上以用于检查和分析。

而且，本实施例的一个有利的发展提供了为计算三维结构，额外使用由具有反射的激发光线的强度值和焦点的分配位置值的测量数据。举例来说，有可能容易地借助于这种反射通道和荧光通道的组合来从衬底材料(例如，硅或铜)上辨别在被检查晶片或设备上的发荧光清漆。

依照本发明获得的测量值还可被用来，例如，确定被检查构形结构的层厚度。当计算三维重现或穿过所述结构的二维剖面时，除了平均层厚度之外，还有可能形成与层厚度平均值的偏差。例如，层厚度的变化和最小和最大值可以提供关于构形结构或晶片或设备的质量和可能的瑕疵的信息。

特别有利的是沿着显微镜的焦平面，以在层范围的方式扫描被测量构形结构。为此，可以根据想要的信息，来测量来自单个层的测量点或者特别地来自层层相叠的若干层的测量点。在此情况下的选择是为了扫描所述层，相对于构形结构，沿着共焦显微镜的物镜的光轴移动焦平面。可以以简单的方式通过移动晶片或设备，来进行焦平面的移动。而且，对于所述结构的层范围扫描，提供显微镜的扫描单元是便利的。这种扫描单元可以，例如，包含沿着层移动一个或多个光束或其焦点的扫描镜、Nipkow盘和/或声光偏转器。

各种共焦显微镜适合于依照本发明的所述方法。特别地，激光扫描显微镜(LSM)被证明为对于本发明的目的是有利的，因为使用激光作为激发光线使能够以高空间分辨率进行快速扫描。

借助于紫外光，许多物质可被特别有效地激发来发荧光。因此，使用紫外光作为激发光线是有利的。特别地，在此情况下，波长为480nm、458nm或514nm的光线是合适的，可以借助于激光光源产生这种光线。

一般来说，有机材料，特别是聚合物，特别适合于荧光激发。因此，可以借助于有机衬底，尤其有利地测量所述结构。因此，依照本发明的一个实施例，提供了测量三维构形结构，其具有包含光刻胶、BCB(benzocyclobuten)例如cycloten以及SUB或其它可光致成形的环氧树脂的物质中至少一个。在电子学和光电子学的领域中，这些表面是通常的，并且以许多方法构成所使用的有机材料。

举例来说，依照本发明的方法可被有利地用于测量和检查在晶片或设备中的蚀刻的孔或切割的间隔。在此情况下，例如，衬底材料本身可以发荧光和/或所述孔或切割的间隔可被发荧光材料填充。

在检查晶片或设备上的构形结构中的特殊问题是，无法从一个观测方向以整体检测所述结构测量，因为它们有被覆盖的区域。这种结构不借助于先前的惯用方法被损坏或被接触，就无法被测量。因此，依照本发明进一步的特征，一种方法还配备有可测量这种结构的帮助。

因此，依照本发明，还提供了一种方法来测量在晶片或设备上的三维构形结构，其中借助于一个共焦显微镜，以光线扫描至少一个构形结构，并且检测从物镜焦平面中的焦点返回的光线，并且从焦点的位置、检测的返回光线和被检测结构的区域获得测量数据，所述被检测结构的区域其表面沿着平行于光轴的方向，或者当光线平行于显微镜光轴入射时甚至被遮挡。

该方法还可以与依照本发明借助于共焦荧光光线显微术来测量构形结构的方法的上述实施例相结合。

令人惊讶地发生了共焦显微镜的大数值孔径允许这种有非常陡峭表面甚至遮挡区的结构被成像以及测量。在此情况下，以大角度入射的照明光线的光束还可以照亮这种由于遮挡作用不再由沿着或并行于物镜的光轴入射的光线到达的区域。例如，因而有可能测量在以平行于物镜光轴的方式入射的光线被晶片或设备的结构的另一区域遮蔽或覆盖的情况下的结构区域。

借助于依照本发明的方法，为测量目的而获得的测量数据可以从所述在结构表面上回射的光线，和/或从扩散地反向散射的光线和/或从在焦点产生的荧光光线中产生。

特别有可能的是，在激发光线以切线入射或以平角到达的情况下，使用本发明来检测这些相对于晶片表面的大角度倾斜的极陡峭表面，当这些表面具有足够的粗糙度时。然后，检测信号基本上属于扩散地反向散射的光线。

可依照本发明测量的遮挡区可以例如包括背面蚀刻(例如重复地出现蚀刻结构)的情况。

附图说明

在下文中，借助于典型实施例并参照附图，更详细地解释了本发明，其中相同和相似的元件具有相同的附图标记，并且有可能相互组合各个典型实施例的特征。

在附图中：

图1表示一种用于执行依照本发明的方法的共焦显微镜的示意图，

图2A表示在晶片上的抗蚀结构的反射信号的显微镜图像，

图2B表示所述抗蚀结构的荧光信号的显微镜图像，

图3表示进一步的抗蚀结构的三维重现，

图4表示一个晶片表面的区域的三维重现，

图5表示图4所示的三维重现沿着在yz平面上的截面沿着线A-A剖开的视图，

图6表示沿着截面沿着图4中的线A-A的测量的高度值，以及

图7表示沿着穿过一个有一个蚀刻的孔的晶片的剖面的测量的值。

具体实施方式

图1是共焦LSM的示意图，其整体由附图标记1表示，适合于执行依照本发明用于测量晶片或设备上的三维构形结构的方法。这种共焦显微镜1通常包含激光5作为照明源。紫外线光源，例如UV激光，特别适合在此情况下来在有机材料中激发荧光。

提供了光电倍增管7以检测由激光光线激发的荧光光线。将来自激光5的光线经由一个分色镜8耦合到显微镜1的光轴上。为了除了荧光光线之外还检测反射或散射的激发光线，分色镜8可由一个光束分离器8′替代，其对来自于采样的光线透明。

共焦显微镜1借助于激发光线，用于扫描一个发荧光的构形结构22并且用于检测从物镜的焦平面19中的焦点17发出以及由激发光线激发的荧光光线。然后，从焦点17的位置和检测的荧光信号中获得测量数据，并将其记录。提供于显微镜的光束路径中以便产生共焦配置的是两个光圈9和11，其为激光或从被检查采样反射或发射的光线共焦地排列。

表示为在图1所示典型实施例的情况下的采样的是一个晶片2，在其表面21上，排列被测量的发荧光构形结构22。以在层范围的方式，使用共焦显微镜1沿着xy方向上的焦平面19，扫描所述结构22以及(可选的)晶片表面21。在此情况下，通过借助于扫描单元13来扫描激发光线，以进行层的扫描。可以例如借助于移动的扫描镜、旋转的Nipkow盘或声光偏转器作为扫描单元13的设备，进行所述层的扫描。

可以记录在z方向上层层相叠的若干层，以便从三维分布的测量点中获得测量数据，从而有可能计算结构22和晶片表面的三维重现。

为了连续地记录或扫描所述层，沿着显微镜1的物镜15的光轴16，相对于构形结构22移动焦平面19，其中通过沿着z方向移动晶片2来进行所述焦平面19的移动。

最后，计算机25使用荧光光线的强度值和焦点分配的已知位置值来计算构形结构22的三维重现。为此，计算机被经由线27、29连接到扫描单元13和光电倍增管7，以便由光电倍增管7检测的强度值可被传递给计算机以及扫描单元，因此可以控制在焦平面19中的焦点17的位置。

此外，还可能结合反射的激发光线的强度值和焦点19的分配位置值来使用测量数据，以计算三维结构。为此，例如，有可能连续地扫描所述层，同时检测荧光光线和反射的激发光线。同样地，在不同于图1的配置中，还可以借助于一个额外的光束分离器和检测器，同时检测荧光光线和反射的激发光线。

使用共焦显微镜拍摄的在晶片上的抗蚀结构的图像如图2A和2B所示。所述图像分别表示从沿着物镜的焦平面的二维层中测量的值。在此，图2A表示抗蚀结构的反射信号的显微镜图像，并且图2B表示同一抗蚀结构的荧光信号的显微镜图像。衬底材料(例如硅或铜)的发荧光抗蚀剂可通过结合这种图像，或大体上一个反射通道和一个荧光通道的组合，而被容易地识别。剩余的抗蚀剂残余物例如可以这种方式在结构中可见。例如，因此还有在圆形部分中的光致成形之后剩余的抗蚀剂残余物，而没有抗蚀剂，如在图2A和2B所示的抗蚀结构的情况下。

图3表示在晶片上的构形结构的三维重现。所述结构是施加到晶片的结构化表面的清漆层30的一部分。晶片的结构化是这样的，以至于后者有一个伴随着倾斜下降侧面的凹陷。例如，在蚀刻的孔或蚀刻或研磨的切割的间距的情况下，出现这种结构。图3所示的清漆层30的截面表示沿着远离所述凹陷的顶部边缘的区域。所述凹陷的边缘由K表示，倾斜地下降的侧面由F表示。

通过扫描清漆层30并检测从物镜焦点发出以及由激发光线激发的荧光光线，获得对清漆层30的三维重现的测量值。用于确定测量数据的测量点在此情况下分布在三维空间中，由沿着焦平面的层层相叠的所述诸个层的层范围扫描来记录测量值。

由于在紫外光作用下发荧光的基本上只有抗蚀剂，可以从清漆层中很好地识别晶片材料。因此，如图3所示，有可能计算清漆层30的正确重现。衬底或晶片材料在所述重现中并非明显的。

本典型实施例的测量的清漆层30是在一个晶片上的BCB绝缘层。相似地，同样还可以借助于用于半导体制造中的其它有机材料，例如光刻胶或可光致成形的环氧树脂例如SU8，来实现在三维重现中的好结果。

BCB在335nm波长的紫外区中表现了最大吸收。然而，对于许多其它有机材料，波长为480nm、458nm或514nm的激发光线也是合适的。来自BCB的荧光光线的发射的最大强度为390nm波长。

在如本例中的结构化晶片表面的情况下，清漆层在许多情况下并不能通过旋涂施加的，因为否则在一些情况下不含清漆的区域将在所述结构上形成。因此，通过喷射到这种结构表面上而频繁地施加封闭的清漆层。然而，即使当喷射清漆时，较薄的清漆层可以在边缘出现。该效果也可从图3所示的典型实施例的凹陷的边缘K中看出。清漆层30在该点表现了显著的窄腰。在此，依照本发明的方法特别有助于控制清漆层厚度是否足以使施加到所述清漆层的导电层与晶片绝缘。

用于依照本发明的方法的进一步可能作为晶片或设备的部件的微机械设备的三维重现。这些部件可以例如由晶片材料产生，或被安装在其上。一种用于产生微机械设备的可能是由适当塑料构成的光致成形的塑料层。可光致成形的环氧树脂，特别是SU8，是用于该目的的合适例子。使用依照本发明的方法，通过记录荧光信号，这种MEMS或MOEMS设备可被有效地测量并重现。

晶片表面21的区域的三维重现如图4所示。在此情况下，晶片位于图4中选择的坐标系中的xy平面。图5表示在yz平面沿着图4所示的重现的线A-A剖开的视图。而且，图6表示有沿着截面测量的高度值的图形。

图4和5所示的晶片表面21的区域有一个凹陷31和一个沟渠33，其中仅表示了半个沟渠33。凹陷31是一个蚀刻的通孔，并且沟渠33是切割的间隔，沿着它们分离各个芯片。都分别蚀刻结构31、33，从晶片的一侧21开始，直到一个蚀刻停止层。在这两个结构31、33中，蚀刻停止层在每个情况下可被视为通孔31和沟渠33的平底区域34。

这两个结构可以例如通过蚀刻产生。结构31、33有相对于晶片所位于的xy平面的非常陡峭的表面，区域35甚至垂直于xy平面，或并行于位于z方向上的显微镜的光轴。

依照本发明，通过使用例如图1所示的共焦显微镜以使用光线扫描具有构形结构31、33的晶片表面21展示区域，并检测从物镜焦平面中的焦点返回的光线，获得图4至6所示的晶片表面的构形的测量值，从焦点位置和检测的返回光线中获得测量数据。在此情况下，检测了整体结构31、33，包括其表面平行于光轴的结构31、33的区域35。

当陡峭的表面表现出高粗糙度时，依照本发明的方法特别有效地起作用，以至于许多光线从焦点回射进物镜并且可被检测。然而，还可能通过检测来自焦点的荧光光线来测量构形结构。为此，晶片表面的结构可使用例如发荧光材料覆盖。这样，同样可以从发荧光材料的重现中重现构形结构。因而，图3所示的清漆层的重现的底面构成了晶片表面的图像。

另一个例子如图7所示，其中沿着穿过有蚀刻的通孔31的晶片的剖面记录测量值。以与通过图4至6所示的典型实施例相似的方式，还在此蚀刻通孔直到一个蚀刻停止层，以至于通孔具有平底区域34。通孔31进一步具有背面蚀刻。这导致晶片表面21的突出区域39。出于测量的目的，如果按常规方法排列晶片以至于其表面21垂直于共焦显微镜的物镜的光轴，区域39相对于沿着平行于物镜的光轴的方向41入射的光线，遮蔽通孔31的表面区域37。因此，当从显微镜方向查看时，这些区域37被覆盖。然而，如借助于图7可看出的，由于显微镜的大数值孔径，依照本发明检测包括被覆盖或遮挡区37在内的结构31的整个表面。因此，依照本发明的方法还使这种三维构形结构能够被完全测量、重现以及可视化而不被损坏。

附图标记列表

1  共焦显微镜

2  晶片

5  激光

7  光电倍增管

8  分色镜

8′光束分离器

9、11  共焦地排列的光圈

13  扫描单元

15  物镜

16  15的光轴

17  焦点

19  焦平面

21  2的表面

22  构形结构

25  计算机

27、29  线

30  清漆层

31  凹陷

33  沟渠

34  31、33的平底区域

35  垂直的表面区域

37  遮挡区

39  遮挡区

41  平行于16的方向

K   边缘

F   侧面

Claims (22)

1、一种用于测量在晶片(2)或设备上的三维构形结构(22)的方法，其中借助于共焦显微镜(1)，使用激发光线扫描至少一个发荧光构形结构(22)，并且检测从物镜(15)的焦平面(19)中的焦点(17)发出以及由所述激发光线激发的荧光光线，以及从所述焦点(17)的位置和所检测的荧光信号中获得测量数据。

2、如权利要求1中所述的方法，其中检测被反射或散射的激发光线。

3、如前述权利要求之一中所述的方法，其中测量数据是从三维分布的测量点中获得的。

4、如前述权利要求之一中所述的方法，其中沿着所述显微镜(1)的焦平面(19)，以在层范围的方式扫描所述构形结构。

5、如权利要求4中所述的方法，其中出于扫描所述层的目的，沿着共焦显微镜(1)的物镜(15)的光轴(16)，相对于构形结构(22)移动焦平面(19)。

6、如权利要求5中所述的方法，其中通过移动晶片(2)或设备来进行所述焦平面(19)的移动。

7、如前述权利要求之一中所述的方法，其中借助于显微镜(1)的扫描单元(13)，以在层范围的方式扫描所述构形结构(22)。

8、如权利要求7中所述的方法，其中所述扫描是借助于移动扫描镜来进行的。

9、如权利要求7中所述的方法，其中所述扫描是借助于Nipkow盘或声光偏转器来进行的。

10、如前述权利要求之一中所述的方法，其中激光被用作激发光线。

11、如前述权利要求之一中所述的方法，其中构形结构(22)的三维重现是从荧光光线的强度值和所述焦点的分配位置值计算的。

12、如权利要求11中所述的方法，其中为了计算三维结构，额外的使用具有反射的激发光线的强度值和焦点(17)的分配位置值的测量数据。

13、如前述权利要求之一中所述的方法，其中从所述测量数据确定所述发荧光结构(22)的层厚度。

14、如前述权利要求之一中所述的方法，其中紫外光被用作激发光线。

15、如前述权利要求之一中所述的方法，其中波长为480nm、458nm或514nm的光线被用作激发光线。

16、如前述权利要求之一中所述的方法，其中测量三维构形结构(22)，其具有包含光刻胶、BCB、可光致成形的环氧树脂在内的物质的至少之一。

17、如前述权利要求之一中所述的方法，其中测量蚀刻的通孔(31)、切割的间隔(33)或微机械结构。

18、一种用于测量在晶片(2)或设备上的三维构形结构(22、31、33)的方法，尤其如前述权利要求之一中所述的，其中借助于共焦显微镜(1)，使用光线扫描至少一个构形结构(22)，并且检测从物镜(15)的焦平面(19)中的焦点(17)返回的光线，并且从所述焦点(17)的位置和检测的返回光线中获得测量数据，其中所述被检测的结构的区域(35、37)的表面沿着平行于光轴的方向(41)，或者当光线平行于所述显微镜光轴入射时被遮蔽。

19、如权利要求18中所述的方法，其中测量数据是从在结构(22、31、35)表面回射的光线中获得的。

20、如前述权利要求之一中所述的方法，其中测量数据是从在焦点(19)产生的荧光光线中产生的。

21、如前述权利要求之一中所述的方法，其中测量所述结构的区域(37)，当光线平行于物镜(15)的光轴(16)入射时，其被晶片(2)或设备的结构(31)的区域(39)遮蔽。

22、如前述权利要求之一中所述的方法，其中测量当光线平行于物镜(15)的光轴(16)入射时被遮蔽的区域(37)，所述区域(37)包括一个蚀刻结构(31、33)的背面蚀刻。

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