KR20200014907A - 측정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 계측 시스템을 제공하며, 계측 시스템은 샘플 표면으로부터 반사 광을 수신하고 반사 광을 적어도 제 1 반사 빔 및 제 2 반사 빔으로 분할하도록 구성된 렌즈 조립체; 샘플의 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 적어도 하나의 검출 면적의 분포 정보를 포함하는, 샘플 표면의 이미징 데이터를 생성하기 위해 제 1 반사 빔을 수신하도록 구성된 이미징 유닛; 제 2 반사 빔을 수신하고 검출 면적에서 특정 물체의 필름 두께 데이터를 얻도록 구성된 필름 두께 측정 유닛; 및 이미징 유닛 및 필름 두께 측정 유닛에 통신 가능하게 결합되며, 분포 정보에 기초하여 적어도 하나의 검출 면적의 검출 경로를 결정하도록 구성되고 필름 두께 측정 유닛이 검출 경로에 기초하여 검출 면적의 필름 두께 데이터를 얻게 하도록 구성되는 처리 유닛을 포함하며, 광학 경로에서, 이미징 유닛의 스펙트럼 수신 표면은 샘플 표면과 광학적으로 짝을 이루도록 구성되며, 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면은 샘플 표면과 광학적으로 짝을 이루도록 구성된다.
Description
본 발명은 반도체 패키징(semiconductor packaging)을 위한 검출 기술 분야, 특히 검출 면적의 필름 두께의 고정밀 비파괴 측정을 구현하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
전자 제품의 소형화 및 다-기능성의 발달에 따라서, 집적 회로(IC)는 점차 고밀도, 소형화, 저전력 소비 및 시스템 레벨(system level) 쪽으로 이동하고 있다. IC 패키징 기술은 고밀도 패키징 시대로 진입했다. 피처 크기(feature size)를 감소시킴으로써 계속해서 집적도를 증가시키는 전통적인 패키징 방법이 한계에 도달함에 따라서, 3 차원 패키징 기술이 더 나은 선택이다. 3 차원 패키징 기술(적층 칩 패키징으로서 또한 공지됨)은 두 개 이상의 칩이 패키지 크기를 변경하지 않고 동일한 패키지에 수직으로 적층되는 패키징 기술을 지칭한다. 전통적인 패키징 기술과 비교하여, 3 차원 패키징 기술은 장치의 크기와 무게를 감소시키고 실리콘의 이용 가능한 면적을 더 효율적으로 사용할 뿐만 아니라 더 빠른 변환 속도로 장치를 작동시킬 수 있다.
3 차원 패키징의 달성에는 또한, 칩 사이의 상호접속을 완료하기 위해서 수직 관통-실리콘 비아를 사용하는 TSV(Through Silicon Vias) 기술과 같은 관련 반도체 제작 기술을 요구한다. TSV 공정에 대해서, 일반적으로 TSV 홀(hole) 크기, 위치 정보, 및 홀 바닥의 필름 두께를 검출하는 것이 필요하다. 필름 두께를 측정하는 동안, 검출 면적은 매우 작으며(TSV 홀의 구멍 크기는 일반적으로 수십에서 수백 마이크로미터 정도임), 검출 면적의 높이는 크게 상이하며, 칩에 산재된 홀의 수는 많다.
현재, TSV 홀 바닥의 필름 두께를 측정하기 위한 몇몇 방법이 존재한다. 예를 들어, 필름 두께 분석은 SEM 이미징에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 TSV 홀의 절단 및 TSV 홀 측면의 이미징을 요구하는 파괴적인 측정 방법이다. 따라서, 이러한 방법은 샘플링 연구에만 사용될 수 있으며 범용 공정 모니터링을 달성할 수는 없다.
TSV 홀 바닥의 필름 두께의 측정과 유사하게, 칩 처리 공정은 홈, 사각형 홀, 긴 홀, 기둥형 돌출부, 동심원 등과 같은 수십 마이크로미터의 구조물의 필름 두께를 측정할 필요가 있다. 처리 기술의 발달로, 미크론 크기의 구조물의 필름 두께를 측정할 필요가 있다.
따라서, 범용 공정 모니터링에 적합한 홀 바닥의 필름 두께를 측정하는 방법이 필요하다.
위의 문제점에 대해서, 반사 스펙트럼 측정 광학 시스템 및 대응하는 하드웨어와 소프트웨어 구현 기술 해결법이 제공된다. 광학 시스템의 신호 획득 단(signal acquisition end)은 큰 광 스폿 조명 조건하에서 TSV 홀 바닥의 필름 두께를 분석하도록 설계된다. 광학 시스템은 칩 표면 이미징(imaging)을 실현하여 동일한 측정 시스템에서 TSV 홀 위치 결정 및 구멍 크기 측정 기능을 달성함으로써 칩 상의 TSV 홀의 자동 검출 및 분석을 달성할 수 있다.
본 출원의 일 양태는 시스템을 개시하며, 상기 시스템은: 샘플 표면으로부터 반사 광을 수신하고 반사 광을 적어도 제 1 반사 빔 및 제 2 반사 빔으로 분할하도록 구성된 렌즈 조립체; 샘플의 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 적어도 하나의 검출 면적의 분포 정보를 포함하는 샘플 표면의 이미징 데이터를 생성하기 위해 제 1 반사 빔을 수신하도록 구성된 이미징 유닛; 제 2 반사 빔을 수신하고 검출 면적에서 특정 물체의 필름 두께 데이터를 얻도록 구성된 필름 두께 측정 유닛; 및 이미징 유닛 및 필름 두께 측정 유닛에 통신 가능하게 결합되며, 분포 정보에 기초하여 적어도 하나의 검출 면적의 검출 경로를 결정하도록 구성되고 필름 두께 측정 유닛이 검출 경로에 기초하여 검출 면적의 필름 두께 데이터를 얻게 하도록 구성되는 처리 유닛을 포함하며; 광학 경로에서, 이미징 유닛의 스펙트럼 수신 표면은 샘플 표면과 광학적으로 짝을 이루도록 구성되며, 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면은 샘플 표면과 광학적으로 짝을 이루도록 구성된다. 일 실시예에서, 검출 면적은 오목부 또는 돌출부를 포함한다.
위의 실시예에 따르면, 칩에 대한 손상 유발 없이 샘플(예를 들어, 칩)의 표면에 분포된 복수의 검출 면적의 필름 두께를 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 처리 유닛은 샘플 표면의 국소 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역을 결정함으로써, 적어도 하나의 검출 영역의 검출 경로를 결정하고; 검출 면적의 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 검출 면적의 분포를 결정함으로써, 검출 면적의 검출 경로를 결정하도록 추가로 구성된다.
이러한 실시예는 홀의 검출 경로의 결정을 설명한다. 일반적으로, 샘플에는 다중 검출 영역이 있을 수 있다. 처리 유닛은 이미징 데이터에 기초하여 검출 영역을 식별하고, 이어서 검출 영역의 검출 경로, 즉 검출 순서를 결정할 수 있다. 현재의 검출 영역은 검출 경로에 따라서 결정되고, 이어서 검출 면적의 검출 경로는 현재의 검출 영역의 검출 면적의 분포에 기초하여 결정된다.
일 실시예에서, 검출 면적이 측정될 홀을 포함할 때, 처리 유닛은 이미징 데이터에 기초하여, 원형 홀의 분포 정보 및 특성 정보를 포함하는 원형 홀 정보를 얻고, 측정될 홀의 특성 및 원형 홀 정보에 기초하여 샘플 표면에서 측정될 홀의 분포를 결정하도록 추가로 구성된다.
처리 유닛은 먼저, 원형 홀의 위치 및 크기와 같은 샘플 상의 원형 홀의 분포 및 특성을 얻을 수 있다. 이어서, 측정될 홀의 크기 및 형상과 같은 특성에 기초하여, 측정될 홀이 원형 홀들로부터 결정된다.
일 실시예에서, 필름 두께 측정 유닛은: 광학 경로를 따라서 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면과 렌즈 조립체 사이에 배치되어, 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면이 검출 면적으로부터 반사 광만을 수신하도록 하는 적어도 하나의 구멍을 포함한다. 특히, 필름 두께 측정 유닛은 제 1 특성을 갖는 반사 광을 필터링하도록 구성된 제 1 구멍 및 제 2 특성을 갖는 반사 광을 필터링하도록 구성된 제 2 구멍을 포함한다.
일 실시예에서, 제 1 특성을 갖는 반사 광의 반사 각은 제 2 특성을 갖는 제 2 구멍의 반사 각보다 더 작다.
일 실시예에서, 제 1 구멍은 제 2 구멍과 동축으로 배치된다. 제 1 구멍의 구멍 크기는 제 2 구멍의 구멍 크기보다 더 크다.
홀 외측의 반사 광을 필터링하기 위해 분광계 정면에 적어도 하나의 구멍을 배열함으로써, 큰 이미징 면적의 경우에 소면적 측정을 실현할 수 있다.
일 실시예에서, 지정된 검출 면적은 처리 유닛에 의해서, 적어도 하나의 검출 면적의 검출 경로에 따라서 지정된 검출 면적을 결정하고; 처리 유닛에 의해서, 사용자 입력에 기초하여 지정된 면적을 결정하는 것 중 적어도 하나에 의해서 결정된다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 샘플을 운반하도록 구성되고 처리 유닛의 제어 하에서 이동하는 전기 플랫폼; 및 샘플 표면에 입사 빔을 제공하도록 구성되고 크세논 램프(xenon lamp)를 포함하는 광원 조립체를 더 포함한다.
본 출원의 다른 양태는 방법을 개시하며, 상기 방법은 샘플로부터의 제 1 반사 빔에 기초하여, 샘플의 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 검출 면적의 분포 정보를 포함하는 샘플 표면의 이미징 데이터를 얻는 단계; 샘플 표면으로부터의 제 2 반사 빔에 기초하여 검출 면적의 필름 두께 데이터를 얻는 단계; 및 분포 정보에 기초하여 검출 면적의 검출 경로를 결정하고, 검출 경로에 기초하여 각각의 검출 면적의 필름 두께 데이터를 얻는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 분포 정보에 기초하여 적어도 하나의 검출 면적의 검출 경로를 결정하는 단계는, 샘플 표면의 국소 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역을 결정함으로써, 적어도 하나의 검출 영역의 검출 경로를 결정하는 단계; 및 검출 면적의 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 검출 면적의 분포를 결정함으로써, 검출 면적의 검출 경로를 결정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 검출 면적이 측정될 홀을 포함할 때, 홀의 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에서 측정될 홀의 분포를 결정하는 단계는, 이미징 데이터에 기초하여, 원형 홀의 분포 정보 및 특성 정보를 포함하는 원형 홀 정보를 얻는 단계; 및 측정될 홀의 특성 및 얻어진 원형 홀 정보에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에서 측정될 홀의 분포를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 광학 시스템에서 큰 스폿(spot) 조명 조건하에서 소면적 측정을 실현하여, 동일한 광학 시스템에서 대면적 이미징 및 소면적 필름 두께 측정을 실현하고, 이어서 칩 상의 TSV 홀의 자동 분석을 달성할 수 있다. 본 발명은 칩에 대한 손상 또는 오염을 유발하지 않고, 측정 속도가 빠르며, 제조 공정에서 공정 모니터링에 사용될 수 있는 비접촉 측정 방법이다.
실시예는 도면을 참조하여 도시되고 설명된다. 이들 도면은 기본 원리를 명확히 하는 역할을 하며, 따라서 기본 원리를 이해하는데 필요한 양태만을 도시한다. 이들 도면들은 축척대로 도시된 것이 아니다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 유사한 특징을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 TSV 홀 측정 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 TSV 홀 측정 시스템의 광학 경로를 예시하는 개략도이다.
도 3a는 필름 두께를 측정하는 원리를 예시하는 개략도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 TSV 홀 바닥의 필름 두께 측정을 도시하는 개략도의 일부분이다.
도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 TSV 홀 바닥의 필름 두께 측정을 예시하는 개략도의 다른 부분이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신호 선택적 수신 조립체를 예시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템의 작동을 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단일 면적에서 TSV 홀을 측정하는 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 TSV 홀 측정 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 TSV 홀 측정 시스템의 광학 경로를 예시하는 개략도이다.
도 3a는 필름 두께를 측정하는 원리를 예시하는 개략도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 TSV 홀 바닥의 필름 두께 측정을 도시하는 개략도의 일부분이다.
도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 TSV 홀 바닥의 필름 두께 측정을 예시하는 개략도의 다른 부분이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신호 선택적 수신 조립체를 예시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템의 작동을 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단일 면적에서 TSV 홀을 측정하는 흐름도이다.
다음 실시예의 상세한 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면이 참조된다. 첨부 도면은 특정 실시예를 예로서 예시한다. 예시적인 실시예는 본 발명에 따른 모든 실시예를 포괄하려는 것이 아니다. 다른 실시예가 이용될 수 있고 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 구조적 또는 논리적 변형이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 다음의 상세한 설명은 제한적이지 않으며, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다.
관련 기술 분야의 당업자에게 공지된 기술, 방법 및 장치가 상세하게 논의되지 않을 수 있지만, 공지된 기술, 방법 및 장치는 적절하다면 명세서의 일부로서 고려되어야 한다.
TSV 홀 바닥 필름의 측정을 위해서, 검출 면적이 매우 작기 때문에, 홀 외측 면적에서 신호 간섭을 제거할 필요가 있다. 본 발명은 큰 스폿 조명 조건하에서, 신호 획득 단이 TSV 홀 바닥의 필름 두께 분석을 달성하도록 설계되는 광학 시스템을 제공한다. 시스템의 광학 경로를 사용하여 칩의 표면을 또한 이미지화할 수 있으므로 시스템은 TSV 홀 위치 결정 및 구멍 크기 측정을 실현하여 칩의 TSV 홀에 대한 자동 검출 및 분석을 실현할 수 있다.
본 출원에 사용된 몇몇 용어의 정의가 제공된다. 본 출원에서, 렌즈 조립체는 요건을 만족시키는 임의의 대물 렌즈, 튜브 렌즈, 빔 스플리터(beam splitter) 등을 포함할 수 있다. 측정될 샘플(이후, 샘플로 지칭됨)의 표면을 이미징할 때, 고배율 이미징 및 저배율 이미징은 두 이미징 이미지의 상이한 배율 또는 적용 시나리오(scenario)를 예시하려는 것이며, 특정 이미징 배율로 제한하려는 것이 아니다. 또한, 본 출원에서 측정될 홀의 외측으로부터 방출된 광은 작은 각도 또는 큰 각도를 가지며, 여기서 2 가지 유형의 각도는 반사 광이 생성하는 각도의 차이를 나타내는 것으로 의도된다. 이들 두 유형의 각도는 특정 값으로 제한되지 않는다.
본 발명은 또한, 다른 유형의 오목부 및 돌출부를 측정하는데 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 검출 면적은 칩 상의 원통, 홈, 긴 홀, 동심원 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이후에, 본 발명의 개념에 대한 용이한 설명을 위해서, 측정될 홀(예를 들어, TSV 홀)을 포함한 검출 면적이 예로서 설명된다. 당업자는 TSV 홀이 단지 예로서 사용되고 본 발명의 적용 범주를 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다.
위의 개념에 기초하여, 본 발명에 의해 제안된 TSV 홀 측정 시스템은 2 개의 광학 분야를 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 TSV 홀 측정 시스템의 블록도이다. 시스템은 샘플(10)을 운반하기 위한 전기 플랫폼(platform)(도시되지 않음), 렌즈 조립체(20), 이미징 유닛(IU)(21), 필름 두께 측정 유닛(FTMU)(22) 및 처리 유닛(PU)(23)을 포함한다.
렌즈 조립체(20)는 샘플(10)로부터의 반사 광을 수신하고 반사 광을 적어도 제 1 반사 빔 및 제 2 반사 빔으로 분할하도록 구성된다.
이미징 유닛(21)은 샘플(10)의 표면(이후, 샘플 표면으로 지칭됨)의 이미징 데이터를 얻기 위해 제 1 반사 빔을 수신하도록 구성되며, 이미징 데이터는 샘플(10)의 적어도 하나의 검출 영역에서 측정될 홀(TSV 홀을 포함하지만 이에 제한되지 않음)의 분포 정보를 포함한다. 여기서의 분포 정보는 검출 영역에서 홀의 위치 및 분포를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
샘플 표면이 저배율로 이미징될 때, 이미징 유닛(21)은 제 1 반사 빔을 수신하고 샘플 표면의 이미징 데이터를 생성할 수 있다. 이미징 데이터의 수신 후에, 처리 유닛(23)은 샘플 표면의 각각의 검출 영역의 국소 특성(예를 들어, 각각의 영역의 에지(edge)에 있는 마크(mark))에 따라서 검출 영역을 분할함으로써 검출 영역의 검출 경로를 결정할 수 있다. 샘플 표면이 고배율로 이미징될 때, 이미징 유닛(21)은 고배율에 대응하는 제 1 반사 빔을 수신함으로써 샘플 표면에 대한 더 상세한 특성, 예를 들어 샘플 표면의 특정 영역에 분포된 복수의 원형 홀을 얻을 수 있다. 처리 유닛(23)은 이미징 데이터에 기초하여 원형 홀의 분포 정보 및 특성 정보를 포함한 원형 홀 정보를 얻을 수 있고, 측정될 구멍의 특성 및 얻어진 원형 구멍 정보에 기초하여 측정될 홀(예를 들어, TSV 홀)이 어느 원형 홀인지를 결정함으로써, 샘플 표면에서 측정될 홀에 대한 분포를 얻는다.
고배율 이미징의 조건하에서, 필름 두께 측정 유닛(22)은 제 2 반사 빔을 수신하고 제 2 반사 빔에 기초하여 샘플(10)의 홀 바닥의 필름 두께를 분석한다. 필름 두께 측정 유닛(22)은 제 2 반사 빔으로부터 홀 바닥의 필름 두께와 무관한 광을 필터링하여 홀 바닥만의 필름 두께를 특성화한 데이터를 얻을 수 있다. 처리 유닛(23)은 분포 정보에 따라서 홀의 검출 경로를 결정하고, 두께 측정 유닛(22)이 검출 경로에 기초하여 지정된 홀 바닥의 필름 두께의 데이터를 얻게 하여, 적어도 하나의 검출 영역에서 홀의 측정을 구현할 수 있다. 선택적으로 측정되는 "지정된 홀"은 검출 경로에 따라서 처리 유닛(23)에 의해 결정될 수 있거나, 사용자 입력에 기초하여 처리 유닛(23)에 의해 결정될 수 있음을 유의해야 한다.
위의 내용에 기초하여, 처리 유닛(23)은 분포 정보를 이용하여 검출 영역에서 홀의 위치 및 분포를 얻음으로써 홀의 검출 경로를 결정할 수 있다. 처리 유닛(23)이 하나의 검출 영역만이 존재한다고 결정할 때, 처리 유닛(23)은 검출 영역 내의 홀(들)에 대한 검출 경로 계획을 수행하며; 검출 영역이 2 개 이상일 때, 처리 유닛(23)은 먼저 검출 영역에 대한 검출 영역 레벨의 검출 경로 계획을 수행한 다음, 검출 영역의 검출 경로에 기초하여 검출 영역에서 홀의 검출 경로를 결정한다. 현재 검출 영역에서 홀의 분포를 얻은 후에, 처리 유닛(23)은 홀의 검출 경로에 기초하여 각각의 홀 바닥의 필름 두께의 데이터를 얻음으로써, 검출 영역에서 홀의 측정을 실현한다. 즉, 홀 바닥의 필름 두께 데이터는 전체 샘플(10)에서 홀 바닥의 필름 두께 데이터를 얻기 위해서 홀의 좌표 또는 다른 마크와 관련된다.
측정될 홀의 바닥과 이미징 유닛(21) 및 필름 두께 측정 유닛(22)에 형성된 이미지 사이에 일-대-일 대응을 만들기 위해서, 샘플(10), 이미징 유닛(21) 및 필름 두께 측정 유닛(22)은 광학 경로 상의 물체 평면과 이미지 평면 사이의 공액 관계(conjugate relationship)에 따라서 위치된다. 환언하면, 광학 경로에서, 이미징 유닛(21)의 스펙트럼 수신 표면 및 필름 두께 측정 유닛(22)의 스펙트럼 수신 표면은 샘플(10)의 반사 표면과 광학적으로 짝을 이루도록 배치된다.
광원 및 몇몇 관련 구성요소가 도 1에 도시되지 않았지만, 당업자는 측정 시스템이 적합한 광원 및 관련 구성요소를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 또한,도 1이 처리 유닛(23)을 별도 모듈로서 도시하지만, 처리 유닛(23)의 기능은 이미징 유닛(21) 및 필름 두께 측정 유닛(22)에 통합될 수 있어서, 이미징 유닛(21) 및 필름 두께 측정 유닛(22) 모두에는 데이터 처리 능력이 제공된다. 몇몇 실시예에서, 처리 유닛(23)은 컴퓨터, 각각의 이미지 획득 유닛에 통합된 주문형 집적 회로(ASIC), 또는 별도의 하드웨어 및 소프트웨어 모듈 등일 수 있다.
TSV 홀이 아래에서 예로서 취해진다. 도 2는 도 1에 도시된 TSV 홀 측정 시스템의 광학 경로의 개략도이다. TSV 홀 측정 시스템은 크세논 램프의 광원을 가지며 380 내지 700 나노미터의 측정 파장을 가진다. 용이한 설명을 위해서, 입사 광원 조립체는 측정 시스템에 도시되지 않았다.
도 2를 참조하면, TSV 홀 측정 시스템은 대물 렌즈(201), 튜브 렌즈(202), 빔 스플리터(203), 이미징 유닛(21), 신호 선택적 수신 구성요소(221), 및 광학 전송 경로를 따라서 샘플(10)의 정면에 배치된 분광계(222)를 포함한다. 측정 시스템의 광학 신호 전송 경로는 아래에서 설명될 것이다.
먼저, 광원의 출력 광은 광섬유를 통해 조명 섬유 포트(port)(도시되지 않음)에 결합되고, 조명 렌즈 조립체(도시되지 않음)에 의해 형상화되어 빔 스플리터 (예를 들어, 50/50 빔 스플리터)를 통해 대물 렌즈(201)에 입사된다. 이어서, 수렴된 수직 상태로 샘플(10)의 표면에 입사하고 샘플(10)과 반응하여 반사 광을 생성한다. 반사 광은 튜브 렌즈(202)에 의해 형상화되고, 대물 렌즈(201)에 의해 수집되어 빔 스플리터(203)에 도달한다. 빔 스플리터(203)는 튜브 렌즈(202)의 방출 광을 적어도 제 1 반사 빔 및 제 2 반사 빔으로 분할하며, 제 1 반사 빔은 이미징을 위해 이미징 유닛(21)(예를 들어, 이미징 CCD)에 의해 수신되며, 제 2 반사 빔은 신호 선택적 수신 구성요소(221)를 통과하여 분광계(222)에 의해 수신된다.
실제 적용에서, 기준 스펙트럼 측정은 측정 시스템이 구축된 후에 수행된다. 구체적으로, 샘플(10)에 사용되는 전기 플랫폼에 미러(mirror)가 배치되며, 미러 표면에 조사된 빔이 수렴 상태가 되도록 전기 플랫폼의 높이가 조정된다. 선택적 수신 구성요소(221)에 의해 얻어진 스펙트럼 분포는 스펙트럼 분석기(222)에 의해 측정되며, 이때 얻어진 스펙트럼 분포가 기준 스펙트럼이다.
이미징 유닛(21)은 튜브 렌즈(202)의 출력 광에 기초하여 이미징을 수행하고, 이미징 인식에 의한 TSV 홀 식별, 위치 결정 및 구멍 크기 분석을 실현한다. TSV 홀의 위치를 결정한 후에, 측정될 TSV 홀은 샘플(10)을 운반하기 위한 전기 플랫폼에 의해 조명 스폿의 중심으로 이동되고, 그 스폿은 TSV 홀의 바닥에 초점이 맞추어진다. 필름 두께 측정 단에서, 선택적 수신 구성요소(221)를 통과한 스펙트럼 분포는 분광계(222)에 의해 측정된다. 스펙트럼 분포를 전술한 기준 스펙트럼으로 분할함으로써, 반사 스펙트럼 분포가 얻어질 수 있고, 그에 의해서 TSV 홀 바닥의 필름 두께의 분석이 실현된다.
본 실시예에서, TSV 홀 바닥의 필름 두께의 분석은 도 3a에 도시된 필름 두께 측정의 원리에 따라 구현된다. 입사 빔은 샘플 표면에 수직으로 입사하며, 반사 광은 샘플 필름의 상부 및 하부 표면상에서 반사 광에 의해 간섭성으로 중첩된다. 상부 표면과 하부 표면의 반사 광 사이의 광학 경로 차이가 반사율을 결정한다. 광학 경로 차이는 광의 파장, 필름 두께(d) 및 굴절률에 의해 결정된다. 필름의 굴절률이 공지되면, 파장 범위에 걸친 반사율의 변화를 측정함으로써 필름 두께가 결정될 수 있다.
도 3a 및 도 3b 모두는 TSV 홀 바닥에서 필름 두께의 측정을 예시한다.
조명 부분이 반사광을 생성하기 때문에, TSV 홀 바닥의 필름 두께 측정을 위해서는 스폿을 TSV 홀 바닥에 집속시키고 홀 바닥으로부터의 반사 스펙트럼에 기초하여 필름 두께를 결정하는 것이 필요하다.
도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 입사 빔이 TSV 홀 바닥에 집속될 때, 홀의 주변 영역과 홀 바닥 모두는 반사 광을 생성한다. 따라서, 홀 바닥의 필름 두께를 측정하기 위해서, 홀의 주변 영역에 의해 생성된 반사 광(즉, 손실 광)을 필터링한 후에, 필름 두께를 얻기 위해서 홀 바닥으로부터의 반사 광을 분석하는 것이 필요하다. 도 2의 신호 선택적 수신 구성요소(221)는 홀의 주변 영역에 의해 생성된 반사 광을 감쇠시키면서 홀 바닥으로부터의 반사 광만이 분광계(222)에 의해 수신될 수 있도록 방출 광을 필터링한다. 따라서, 넓은 조명 범위 및 작은 검출 면적이 달성된다.
신호 선택적 수신 구성요소(221)는 도 4와 관련하여 상세하게 설명된다.
선택적 수신 구성요소(221)는 광학 경로를 따라서 분광계 수신 표면과 렌즈 조립체 사이에 배치된 적어도 하나의 구멍을 포함한다. 적어도 하나의 구멍은 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면이 홀 바닥에 의해 생성된 반사 광만을 수신하게 한다. 본 실시예에서, 상기 수신 구성요소는 제 1 구멍(2211) 및 제 2 구멍(2212)을 포함하며, 제 2 구멍은 제 1 구멍과 동축으로 배치된다. 제 1 구멍(2211)은 제 1 특성을 갖는 반사 광을 필터링하는데 사용되며, 제 2 구멍(2212)은 제 2 특성을 갖는 반사 광을 필터링하는데 사용된다. 일 실시예에서, 제 1 특성을 갖는 반사광의 반사각은 제 2 특성을 갖는 반사 광의 반사각보다 더 작다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 구멍(2211)은 제 2 구멍(2212)과 동축으로 배치될 수 있으며, 제 1 구멍(2211)의 크기는 제 2 구멍(2212)n의 크기보다 더 크다. 광학 경로에서, 제 1 구멍(2211)은 선택적 신호 수신을 달성하도록 TSV 홀의 주변 영역에 의해 방출된 작은 각도 반사 광(즉, L1, L2)을 필터링하기 위해서 물체 평면에 더 가깝다. 제 2 구멍(2212)은 물체 평면으로부터 비교적 멀리 떨어져 있고 TSV 홀의 외부 에지로부터 방출된 큰 각도의 반사 광(L4)을 필터링할 수 있다. 분광계(222)는 물체 평면의 광학 축의 중심 근처에서 방출되고 TSV 홀의 필름 두께를 특성화하는 작은 각도의 신호 광만을 수신할 수 있다. 또한, 동일한 위치(예를 들어, TSV 홀의 주변 면적)는 작은 각도의 반사 광을 생성하면서 큰 각도의 반사 광(L3)을 생성할 수 있다. 큰 각도의 반사 광은 또한, 제 1 및 제 2 구멍의 배열에 기초하여 제 2 구멍(2212)에 의해 필터링될 수 있다.
위의 구성에 기초하여, 샘플(10)의 TSV 홀 바닥 및 홀의 주변 영역으로부터의 신호 광은 렌즈 조립체(20)를 통과하고 이어서 제 1 구멍(2211) 및 제 2 구멍(2212)을 통과하며 분광계(222)는 TSV 홀 바닥의 필름 두께를 특성화하는 작은 각도의 신호 광만을 수신할 수 있다.
전술한 바와 같이, 측정 시스템은 물체 평면과 이미지 평면 사이의 공액 관계에 기초하여 구성된다. 따라서, 샘플 표면과 분광계(222)에 의해 형성된 이미지 사이에는 일-대-일 대응이 존재한다. 따라서, 광학 경로에서, 신호 선택적 수신 구성요소(24)는 수신 단(25)(분광계) 정면에 배치되어, 홀의 바닥에서 필름 두께 분포의 결정을 용이하게 한다. 광학 시스템은 물체 평면과 이미지 평면 사이의 공액 관계에 따라서 구성되며, 신호 선택적 수신 구성요소는 신호 필터링 효과를 최적화하고 시스템에서 미광(stray light)의 영향을 감소시키도록 배열된다.
위의 2 개의 구멍의 크기가 측정된 TSV 홀, 신호 수집 시스템의 배율, 수집 시스템 평면과 이미지 평면 사이의 거리, 구멍의 위치 등의 매개변수와 관련이 있음을 당업자가 이해할 수 있다. 다른 인자가 일정할 때, TSV 홀의 애스팩트비가 클수록 필요한 구멍의 크기는 더 작아 질 것이며; 이미징 대응 부분의 배율이 클수록 필요한 구멍의 크기는 더 작아 질 것이며; 물체 평면과 이미지 평면 사이의 거리가 클수록 필요한 구멍의 크기는 더 작아 질 것이며; 구멍이 이미지 평면에 가까울수록 필요한 구멍의 크기는 더 작아질 것이다.
TSV 홀의 측정에서 측정 시스템의 이미지 유닛(21)의 기능이 아래에서 설명된다.
이미징 유닛(21)은 수신된 제 1 반사 빔에 기초하여 이미징을 얻고, 처리 유닛(23)은 이미징 유닛(21)으로부터 수신된 데이터에 기초하여 TSV 홀의 식별, 위치 결정 및 구멍 크기 분석을 구현한다. 검출 경로는 측정되는 샘플 전체에 걸쳐 분포된 TSV 홀의 면적에 기초하여 결정될 수 있다. 이러한 실시예에서, 이들 검출 영역의 검출 경로는 스폿 크기에 따라서 계획된다. 경로 계획이 완료된 후에, TSV 홀은 영역별로 측정된다.
본 발명은 또한, 다음 단계를 포함하는 측정 방법을 제안한다.
샘플로부터의 제 1 반사 빔에 기초하여, 샘플의 적어도 하나의 검출 영역에서 TSV 홀의 분포 정보를 포함하는 샘플 표면의 이미징 데이터를 얻는 단계; 샘플로부터의 제 2 반사 빔에 기초하여 TSV 홀 바닥의 필름 두께의 데이터를 얻는 단계; 및 분포 정보에 기초하여 TSV 홀의 검출 경로를 결정하고, 홀의 검출 경로에 기초하여 각각의 TSV 홀 바닥의 필름 두께의 데이터를 얻음으로써, 적어도 하나의 검출 영역에서 TSV 홀의 측정을 구현하는 단계.
분포 정보에 기초하여 TSV 홀의 검출 경로를 결정하는 공정은: 샘플 표면의 국소 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역을 결정함으로써, 적어도 하나의 검출 영역의 검출 경로를 결정하는 단계; 및 TSV 홀의 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에서 TSV 홀의 분포를 결정함으로써, TSV 홀의 검출 경로를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 도 5 및 도 6을 참조하여 아래에서 상세하게 설명될 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템의 작동의 흐름도를 도시한다.
먼저, 단계(S501)가 수행된다. 구체적으로, 스폿은 이미징을 위해 샘플 표면에 집속됨으로써(저배율 이미징으로 제한되지 않음), 샘플 표면의 이미징 데이터를 얻는다. 이미징 데이터는 후속 단계에서 검출 영역 및 검출 영역의 검출 경로를 결정하는데 사용될 수 있다.
이어서, 검출 영역의 검출 경로를 결정하기 위해서 단계(S502)가 수행된다. 이러한 단계에서, 샘플(10) 상의 복수의 검출 영역의 특성에 기초하여 영역 분할이 수행됨으로써, 복수의 검출 영역의 검출 경로를 결정한다. 예를 들어, 검출 영역의 검출 경로는 각각의 검출 영역의 특성에 따라서 계획될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 영역의 검출 경로 계획은 또한, 스폿 크기에 따라 수행될 수 있다.
다음에, 영역 별로 TSV 홀을 측정하기 위해서 단계(S503)가 수행된다. 이러한 단계에서, 선택된 영역은 결정된 검출 경로에 따라서 측정된다. 특정 영역은 또한, 사용자의 지시에 따라서 측정될 수 있음을 이해할 수 있다. 구체적인 측정 절차는 도 6과 관련하여 아래에서 설명될 것이다.
다음에, 측정되지 않은 영역이 있는지를 결정하기 위해서 단계(S504)가 수행된다.
결과가 "예"이면, 단계(S503)가 수행된다. 결과가 "아니오"이면, 단계(S505)로 처리가 진행하여 현재 샘플의 측정 작동을 종료한다.
도 5에 도시된 흐름도는 아래에서 상세히 설명되는, 영역별로 TSV 홀을 측정하는 단계(즉, 단계(S503))를 포함한다. 도 6은 단일 영역에서 TSV 홀의 측정을 위한 흐름도를 도시한다. 도 6에 도시된 측정 절차가 샘플 표면의 고배율 이미징에 기초함을 명확히 해야 한다.
먼저, 단계(S601)가 수행된다. 구체적으로, 스폿이 이미징(고배율 이미징으로 제한되지 않음)을 위해 샘플 표면 상의 영역에 집속된다. 이미징 공정을 통해, 샘플 표면에서 원형 홀의 위치 표시 정보, 윤곽, 또는 구멍 크기가 이미지 인식의 결과에 따라서 얻어질 수 있다. 이러한 단계에서 이미징 공정은 전술한 영역 검출 경로를 결정하는 이미징 공정과 동일한 공정일 수 있으며, 즉 다중 영역을 이미징할 때 단일 영역에서의 원형 홀 분포가 또한 얻어질 수 있음을 이해할 수 있다.
이어서, TSV 홀을 식별하고 찾아내기 위해서 단계(S602)가 수행된다. 이러한 단계에서, 샘플의 TSV 홀의 특성에 따라서, 샘플 표면 상의 원형 홀 중 어느 것이 TSV 홀인지를 결정하고, 그에 의해서 TSV 홀의 중심 위치 및 구멍 크기 정보를 결정할 수 있다.
다음에, TSV 홀의 검출 경로를 결정하기 위해서 단계(S603)이 수행된다. 이러한 단계에서, 검출 경로가 측정될 샘플 상의 TSV 홀의 분포에 기초하여 결정됨으로써, TSV 홀의 측정 순서를 결정한다.
이어서, TSV 홀 바닥의 필름 두께를 측정하기 위해서 단계(S604)가 수행된다. 이러한 단계에서, 결정된 검출 경로에 따라서, 샘플이 이동되고, 이어서 대응하는 TSV 홀의 중심이 스폿의 중심으로 이동되고, 이어서 스폿의 중심이 홀 바닥에 집속된다. 따라서, 분광계(25)는 홀 바닥의 필름 두께를 특성화하는 신호 광을 수신하여, 필름 두께 및 현재 TSV 홀 바닥의 대응 분포를 얻을 수 있다.
다음에, 현재 영역의 모든 TSV 홀이 완전히 측정되었는지를 결정하기 위해서 단계(S605)가 수행된다. 이러한 단계에서, 모든 TSV 홀이 단계(S603)에서 결정된 검출 경로에 따라서 완전히 측정되었는지가 결정된다. 결과가 "예"이면, 다음 TSV 홀을 측정하기 위해서 단계(S604)가 수행되며, 결과가 "아니오"이면, 현재 영역의 TSV 홀 측정이 종료된다. 검출 경로가 단계(S603)에서 결정되지만, 사용자는 또한, TSV 홀의 일부를 측정하거나 측정을 직접 중지하도록 지정할 수 있음을 이해할 수 있다.
도 6에 도시된 흐름도에 따라서 단일 영역에서의 TSV 홀(들)에 대한 측정이 완료된 후에, 다음 영역의 TSV 홀(들)은 샘플(10)의 측정이 완료될 때까지 결정된 검출 경로에 따라서 측정된다.
본 발명은 광학 시스템에서 큰 스폿 조명의 조건하에서 소면적 측정을 실현하여, 동일한 광학 경로에서 대면적 이미징 및 소면적 필름 두께 측정을 실현하고, 따라서 칩 상의 TSV 홀의 자동 분석을 달성할 수 있다. 본 발명은 칩에 대한 손상 또는 오염을 일으키지 않고 측정 속도가 빠르며, 제조 공정에서 공정 모니터링에 사용될 수 있는 비접촉 측정 방법이다.
본 발명은 예시적이고 비-제한적인 것으로 의도되는 특정 예를 참조하여 설명되었다. 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 개시된 실시예에 대한 변경, 추가 또는 삭제가 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
Claims (14)
- 계측 시스템으로서,
샘플 표면으로부터 반사 광을 수신하고 반사 광을 적어도 제 1 반사 빔 및 제 2 반사 빔으로 분할하도록 구성된 렌즈 조립체;
샘플의 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 적어도 하나의 검출 면적의 분포 정보를 포함하는 샘플 표면의 이미징 데이터를 생성하기 위해 상기 제 1 반사 빔을 수신하도록 구성된 이미징 유닛;
상기 제 2 반사 빔을 수신하고 상기 검출 면적에서 특정 물체의 필름 두께 데이터를 얻도록 구성된 필름 두께 측정 유닛; 및
상기 이미징 유닛 및 상기 필름 두께 측정 유닛에 통신 가능하게 결합되며, 상기 분포 정보에 기초하여 적어도 하나의 검출 면적의 검출 경로를 결정하도록 구성되고 필름 두께 측정 유닛이 상기 검출 경로에 기초하여 검출 면적의 필름 두께 데이터를 얻게 하도록 구성되는 처리 유닛을 포함하며;
광학 경로에서, 상기 이미징 유닛의 스펙트럼 수신 표면은 상기 샘플 표면과 광학적으로 짝을 이루도록 구성되며, 상기 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면은 상기 샘플 표면과 광학적으로 짝을 이루도록 구성되는,
계측 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 처리 유닛은,
샘플 표면의 국소 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역을 결정함으로써, 적어도 하나의 검출 영역의 검출 경로를 결정하고;
검출 면적의 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 검출 면적의 분포를 결정함으로써, 상기 검출 면적의 검출 경로를 결정하도록 추가로 구성되는,
계측 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 검출 면적은 오목부 또는 돌출부를 포함하는,
계측 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 검출 면적이 측정될 홀을 포함할 때, 상기 처리 유닛은,
상기 이미징 데이터에 기초하여, 원형 홀의 분포 정보 및 특성 정보를 포함하는 원형 홀 정보를 얻고,
측정될 홀의 특성 및 원형 홀 정보에 기초하여 샘플 표면 상의 측정될 홀의 분포를 결정하도록 추가로 구성되는,
계측 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 필름 두께 측정 유닛은:
광학 경로를 따라서 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면과 렌즈 조립체 사이에 배치되어, 필름 두께 측정 유닛의 스펙트럼 수신 표면이 검출 면적으로부터의 반사 광만을 수신하도록 하는 적어도 하나의 구멍을 포함하는,
계측 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 필름 두께 측정 유닛은 제 1 특성을 갖는 반사 광을 필터링하도록 구성된 제 1 구멍 및 제 2 특성을 갖는 반사 광을 필터링하도록 구성된 제 2 구멍을 포함하는,
계측 시스템. - 제 6 항에 있어서,
제 1 특성을 갖는 반사 광의 반사 각은 제 2 특성을 갖는 제 2 구멍의 반사 각보다 더 작은,
계측 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 구멍은 제 2 구멍과 동축으로 배치되는,
계측 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 구멍의 구멍 크기는 제 2 구멍의 구멍 크기보다 더 큰,
계측 시스템. - 제 1 항에 있어서,
지정된 검출 면적은,
처리 유닛에 의해서, 적어도 하나의 검출 면적의 검출 경로에 따라서 상기 지정된 검출 면적을 결정하고;
처리 유닛에 의해서, 사용자 입력에 기초하여 상기 지정된 면적을 결정하는 것 중 적어도 하나에 의해서 결정되는,
계측 시스템. - 제 1 항에 있어서,
샘플을 운반하도록 구성되고 상기 처리 유닛의 제어 하에서 이동하는 전기 플랫폼; 및
샘플 표면에 입사 빔을 제공하도록 구성되고 크세논 램프를 포함하는 광원 조립체를 더 포함하는,
계측 시스템. - 계측 방법으로서,
샘플로부터의 제 1 반사 빔에 기초하여, 상기 샘플의 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 검출 면적의 분포 정보를 포함하는 샘플 표면의 이미징 데이터를 얻는 단계;
상기 샘플 표면으로부터의 제 2 반사 빔에 기초하여 상기 검출 면적의 필름 두께 데이터를 얻는 단계; 및
상기 분포 정보에 기초하여 상기 검출 면적의 검출 경로를 결정하고, 상기 검출 경로에 기초하여 각각의 검출 면적의 필름 두께 데이터를 얻는 단계를 포함하는,
계측 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 분포 정보에 기초하여 적어도 하나의 검출 면적의 검출 경로를 결정하는 단계는:
샘플 표면의 국소 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역을 결정함으로써, 적어도 하나의 검출 영역의 검출 경로를 결정하는 단계; 및
검출 면적의 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에 위치된 검출 면적의 분포를 결정함으로써, 상기 검출 면적의 검출 경로를 결정하는 단계를 포함하는,
계측 방법. - 제 12 항에 있어서,
검출 면적이 측정될 홀을 포함할 때, 홀의 특성에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에서 측정될 홀의 분포를 결정하는 단계는:
이미징 데이터에 기초하여, 원형 홀의 분포 정보 및 특성 정보를 포함하는 원형 홀 정보를 얻는 단계; 및
측정될 홀의 특성 및 얻어진 원형 홀 정보에 기초하여 적어도 하나의 검출 영역에서 측정될 홀의 분포를 결정하는 단계를 포함하는,
계측 방법.
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