TW201326746A - 用以直接量測晶圓上高長寬比蝕刻特徵之深度之系統 - Google Patents

Abstract

一種用以在包括一蝕刻表面(82)及一非蝕刻表面(84)之晶圓(80)上直接量測高長寬比蝕刻特徵之深度之系統(10)。該系統(10)係使用一紅外線反射計(infrared reflectometer)(12)，而該紅外線反射計(12)在一較佳實施例中係包括一掃描雷射(swept laser)(14)、一纖維循環物(fiber circulator)(16)、一光檢測器(ptotodetector)(22)以及一物鏡(20)。一聚焦入射光23係產生自該物鏡(20)，並照射該晶圓(80)之非蝕刻表面(non-etched surface)(84)。一反射光(25)係產生自該晶圓(80)，而該反射光25經該反射計(12)處理且供給至一類比數位轉換器(analog-to-digital converter(ADC))(24)，俾產生一相對應之數位數據訊號(digital data signal)(29)。該數位數據訊號(29)係被供給至一電腦(30)，其搭配軟體(32)後即可量測蝕刻特徵之深度，然後可從顯示器(34)加以觀看。

Description

用以直接量測晶圓上高長寬比蝕刻特徵之深度之系統 【相關申請案之對照】

本申請案係2009年6月23日提出申請而現已放棄之美國專利申請案第12/456,781號之部分連續案(continuation-in-part(C.I.P.))。

本發明大致上係有關用以量測一晶圓上之蝕刻特徵之系統，尤其是有關一種用以直接量測一晶圓上非蝕刻表面上高長寬比蝕刻特徵之深度之系統。

在電子產品領域當中，最搶手的目標之一是小型化(miniaturization)，而促使電子產品及電子記憶體更小之努力，則持續地驅動著製造商。有許多的技術與科技不斷地促進著小型化。一種正在成長之重要技術是晶圓深度蝕刻，而經由此製造程序之晶圓產量亦在增加中。當在一晶圓上之蝕刻特徵之橫向尺寸(包括蝕刻特徵)持續減少，控制蝕刻製程之能力愈來愈困難。

對於以製造具有狹窄深度蝕刻晶圓之廠商而言，如果長寬比(其係經定義為蝕刻深度對蝕刻寬度之比率)大於約5:1，則光學非接觸式量測(optical non-contact measurement)技術通常是不可行的，其理由為光學科技從一蝕刻特徵之頂部觀察時，無法接收到來自蝕刻特徵底部之資訊。舉例而言，假設蝕刻特徵之寬度(亦稱為「溝渠(trench)」或「通道(via)」較小於照明光斑尺寸(illumination spot size)，則蝕刻開口(etched opening)本身將會限制可照到底部之光線數量。然而，假若藉著增加照明光學系統之數值孔徑(numerical aperture of the illuminating optics)，以使得照明光斑(illumination spot)變小，則照明角譜(angular spectrum of the illumination)將會含有呈角度之光線(light rays at angles)，而陡峭地照明該蝕刻特徵之底部。其結果是，當長寬比較大而蝕刻寬度較小時，並無法引導相當部份之照明光線照射在該蝕刻特徵之底部。因此，使用此製程之工程師必須取得掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope)之量測值，但此等量測一般來說相當耗費金錢、時間，且更重要的是其具有破壞性。

最重要的電子裝置其中之一者即為半導體，而一個半導體最主要之元件則為矽絕緣體晶圓(silicon on insulator(SOI) wafer)。當在一半導體晶圓上製作電子裝置期間中，有些晶圓歷經一般所知之(打薄(thinning))製程。有數個為何晶圓必須打薄之理由，但最通常的理由是：散熱快；露出互連層(to expose interconnect layers)；以及製作矽絕緣體(SOI)晶圓。矽絕緣體(SOI)晶圓係由在一薄絕緣層上置放一薄矽層而構成，然後此等層係由一全厚度矽晶圓所支撐。目前大約所有生產之半導體晶圓中有5%是矽絕緣體(SOI)晶圓，然此一百分比在未來將持續地增加。

將一晶圓打薄最廣泛使用的方法為背面研磨和拋光(back grinding and polishing)，此等方法是在晶圓之底表面(即非蝕刻(non-etched)表面)上進行作業的。晶圓製造者須將晶圓之底表面研磨或拋光至合意之厚度且具有高均勻度(uniformity)。然若晶圓背研磨到太薄，其即可能欠缺所需之結構完整性(structural integrity)，或者是其互連層(interconnects)會過度地曝露(overexposed)。縱然如此，工業趨勢上還是朝向一貫是薄的晶圓上製造。

另一種半導體製造之重要態樣是晶圓厚度之量測，當今量測晶圓厚度之技術包括可量測晶圓電容之電容式感測器(capacitive sensors)、以及運用兩個感測器之高度感測器技術(height sensor techniques)(一個感測器在晶圓上方，而一個感測器在晶圓下方)。使用電容式感測器通常需要深入瞭解晶圓材料，且大致上僅能夠以單一晶圓材料而由載具支撐之晶圓或操作晶圓(handle wafers)，而非由多種不同材料層所構成之晶圓(例如矽絕緣體(SOI)晶圓)，正確地運作。另外，電容式感測器有一大約200微米(microns)之低厚度限制(lower thickness limit)，且受限於小樣本之材料(limited to a small sample of materials)。

高度感測器技術大致上能夠在較薄之樣本上操作，且當它們偵測到一晶圓之物理表面(physical surface)，能夠容納幾乎由任何材質製成之複數層晶圓堆疊(multiple layer wafer stacks)。高度感測器技術確須在所有三軸線上之精細對準(delicate alignment)，並須校準(calibration)以便「教導(teach)」感測器與各軸線在空間上之距離。此一校準需求是所量測之低準確度極限(lower accuracy limit)。

當今以及發展中之供連結各種功能之電子晶片之技術，包括一般所知之直通矽晶穿孔(Through Silicon Vias(TSVs))。一直通矽晶穿孔實質上是在一矽晶圓上之一小洞穴(cavity)(通常是1至100微米(microns)直徑以及25至500微米之深度)。此等蝕刻特徵，以及其它例如溝渠(trenches)者，即為一般所知之高長寬比特徵(High Aspect Ratio features)，此乃因其等之深度相當大於其等之寬度。各直通矽晶穿孔通常係填入導電性材料，然後各電子晶片即被建立在各直通矽晶穿孔頂部。當各晶片完成後，晶圓即自底表面被拋光或打薄，直到各直通矽晶穿孔露出，各直通矽晶穿孔隨即促使其它各晶片或裝置連接。

在晶圓製程期間，各直通矽晶穿孔之深度是關鍵因素。如果直通矽晶穿孔不夠深的話，則當各直通矽晶穿孔露出時晶圓將無法維持繼續製程所需之物理完整性。然而如果直通矽晶穿孔太深的話，則在晶圓還不夠薄時直通矽晶穿孔即已露出。一個製程工程師決不可能在製程期間，以快速、準確、且非破壞性地量測晶圓之厚度。目前，晶圓是在目視檢查確認直通矽晶穿孔露出後才進行打薄作業，而無需準確地瞭解經晶圓之厚度。

在晶圓上量測蝕刻特徵者有多種要求，當使用光學技術時量測高長寬比蝕刻特徵即有困難，此乃因光線無法傳導至一蝕刻特徵之底部然後折返，此適用於共聚焦技術(confocal techniques)以及干涉技術(interferometric techniques)。光學技術受限於2或3比1之長寬比。對於較高長寬比蝕刻特徵而言，目前直接量測深度之唯一方法是破壞性剖開晶圓，然後從側邊觀察蝕刻特徵。此一方法並不理想，因為晶圓樣本受到破壞，且必須使用又貴又耗時之電子顯微鏡。

另一種晶圓打薄方法出現在矽絕緣體晶圓(SOI)之應用。矽絕緣體晶圓實質上是一個晶圓堆疊(wafer stack)，其係包含由兩個晶圓在兩者之間以薄的氧化層融接(fusing)之晶圓堆疊，隨後第一個晶圓(一般稱為(元件晶圓)device wafer)被拋光至一特定之厚度；而第二個晶圓(一般稱為(操作晶圓)handle wafer)則被犧牲用來只是供維持該元件晶圓之結構完整性。

目前之科技只能量測整個晶圓堆疊，而無法在兩個晶圓之間作區別。因此，一個製程工程師必須先量測第一個/操作晶圓，量測該氧化層，然後減去此等量測值，以便計算第二/元件晶圓層之厚度。本發明所利用之感測器可在兩個晶圓之間作區別，並且能夠直接量測第一/元件晶圓層，因而減少錯誤預算(error budget)，並改善準確性。

經過前案檢索後並未揭露文獻或專利可直接讀出本發明之申請專利範圍者，然而下列之各美國專利案則被認為有關聯：

該US2007/0148792公開案揭露一可供量測晶圓厚度、平值度以及其上之蝕刻特徵深度之系統(a system for measuring wafer thickness,flatness and the depth of etched features thereon)，該系統利用晶圓之非蝕刻表面以便準確地量測一蝕刻特徵之底表面，使得該蝕刻特徵成為一有效凸塊(effective bump)，而能夠藉著使用一非接觸性光學儀器(non-contact optical instrument)在蝕刻表面及非蝕刻表面上被量測者。該系統揭露使用例如色共焦感測器(chromatic confocal sensor)之數個距離量測感測器(distance measuring sensors)以量測作為凸塊(bump)之溝渠(trench)。該系統利用一光源，其使得構成晶圓之材料成為透明。該光源在近紅外線區域作用以量測各晶圓之厚度及溝渠之深度，其在可見區域是不透明的，而在近紅外線區域是透明的。該引證公開案與本案不同之處在於，該引證公開案使用數個距離量測感測器，而本案使用一個反射儀(reflectometer)。

該6,878,301專利案揭露一種藉偵測在一多波長光強度中之第一最大值以供光學偵測溝渠深度之方法及裝置(a method and an apparatus for optically detecting a trench’s depth by detecting a first maxima in an intensity of multi-wavelength light)。該多波長光之一部分係自該溝渠之頂部表面反射，而一多波長光強度中之第二最大值亦被偵測，該多波長光之一部分係自該溝渠之底部表面反射。介於該第一最大值與第二最大值間之一極大峰分離值(maxima peak separation)經決定，其相當於極大峰分離值。該裝置實質上係一邁克森干涉儀(Michelson interferometer)，因此需要一個參考鏡(reference mirror)。另外，該所揭露之方法於蝕刻表面上照明該晶圓。

該6,822,745專利案揭露一種可供判定一測試對象物之幾何屬性之方法(a method for determining a geometric property of a test object)。該方法包括在一第一座標系統上以干涉測量法地繪出該測試對象之第一表面(interferometrically profiling a first surface of the test object in a first coordinate system)；在一不同於該第一座標系統之一第二座標系統上以干涉測量法地繪出該測試對象之第二表面；以及提供一介於該第一與第二座標系統之關係(providing a relationship between the first and second coordinate system)。該幾何屬性係根據該以干涉測量法繪出之各該表面與該介於第一與第二座標系統之關係而計算者。

該6,806,105專利案揭露一種可供量測與一樣本之一部分結合之參數之方法(a method for measuring a parameter associated with a portion of a sample)。該樣本上面之一或多個結構上形成至少兩個區域，而每一區域具有一結合之區域反射屬性(each having an associated zone reflectance property)。該方法包括以寬頻光線(broadband light)照射該等區域，以及量測反射自該兩區域之光線至少其中之一者之反射屬性(reflectance property)。該方法包括配合一參數模式至該所量測之反射屬性(fitting a parametric model to the measured reflectance property)。該參數模式混合各區域之反射屬性，以計入介於兩區域間部分干涉光線相互作用(The parametric model mixes the reflectance properties of the zones to account for partially coherent light interactions between the two zones.)

公開文獻

由C.A. Duran等諸位，在2007年電子電機工程師協會/國際半導體設備及材料協會，發表之先進半導體製造年會期刊第175頁，登載了「電力裝置之紅外線反射計之溝渠計量」(C.A. Duran,et al,“Infrared Reflectometery for Metrology of Trenches in Power Devices,”2007 IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference p. 175)。Duran等揭露了矽蝕刻溝渠特性(包括深度)之量測方法。該方法係利用波長範圍1.4至2.0微米(microns)之紅外線照射著各溝渠，係照射著晶圓之蝕刻側邊上。反射強度(reflected intensity)係經量測於不同之波長及角度，並經比對以精確耦合波分析方法(rigorous coupled wave analysis(RCWA)method)所計算出之預測量測值(predicted measurements)。該等量測結果係溝渠參數(trench parameters)，其等被用來計算可產生最近似於實際量測值之預測量測值。由於該方法倚賴著精確耦合波分析(RCWA)，並由於其僅對所有之溝渠量測平均特性(average characteristics)，因此該方法僅對於溝渠之週期性結構有效(valid for periodic structures of trenches)，且無法量測個個溝渠之特性，亦無法量測單一被隔離之溝渠之特性。此外，該文獻敘述具有大約2:1長寬比之溝渠，且因照射在蝕刻表面之側邊上，將無法照射在具有高長寬比溝渠之底部。再者，該方法使用較之於被蝕刻溝渠寬度數倍大之照射光點(illumination spot)。

本發明揭露一簡單、準確、且可靠之系統，以供直接量測高長寬比被蝕刻溝渠之深度，例如一位於一晶圓上之溝渠。在其基本設計構形中，該系統使用一具有小聚光點尺寸之紅外線照射儀(infrared reflectometer with a small spot size)，其係自該晶圓之非蝕刻表面對準照射一蝕刻特徵。

雖然反射計之原理，以及使用反射儀量測層厚度係習知者，本發明系統使用一反射儀，以便直接量測一高長寬比蝕刻特徵之深度，以及一晶圓之複數層之厚度。不若模型基反射計(Model-Based Infrared Reflectometer(MBIR))般地，本發明系統係直接量測個個被蝕刻之特徵，且不像基本形之反射計，本發明系統係以高空間解析度(high spatial resolution)之方式量測蝕刻特徵者。

本發明系統之一重要態樣者為自相對於該蝕刻表面之晶圓表面之蝕刻特徵量測。所有之先前技藝(包括模型基反射計(MBIR))照射並量測自晶圓蝕刻表面之蝕刻特徵。

反射計藉著量測倚賴出現在反射或傳輸光線中之法布里-泊羅干涉(Fabry-Perot interference)之波長，而量測著晶圓各透明層之厚度。當一晶圓透明層受到一空間相干光束(spatially coherent beam of light)照射時，其上表面及下表面皆引起反射，此等反射即互相干涉，且反射光振幅(reflected light amplitude)之大或小，將視該干涉係屬建設性或破壞性(constructive or destructive)而定。該干涉將取決於層之厚度、其折射率(index of refraction)、以及光線之波長。一「層」之定義為，任何具有近乎平行之上表面及下表面之均勻介質。舉例而言，沉積於基板之各薄膜，以及基板本身(例如一矽晶圓)。

一單層洞穴(single layer cavity)反射強度(reflected intensity)為：

其中r₁是在洞穴第一表面之反射係數(reflection coefficient)，r₂是在洞穴第二表面之反射係數，δ=2πnl/λ,n是折射率穴厚度，而λ是波長。由於複指數(complex exponential)，反射強度是δ之週期函數。因為δ是與光頻(optical frequency)(c/λ)成比例關係，反射強度是具有週期之光頻之週期函數(periodic in optical frequency with period c/2nl)，其中n係折射率，1係層厚度，而c係光線在真空中之速度。該反射計搭配著一含有許多波長或及時掠過許多波長之光源。該反射光線必須分析其對波長之倚賴程度。藉著利用光頻以決定反射強度之週期(光頻係與波長成反比)，即可決定一晶圓層之厚度。反射既可被用來量測一透明層之厚度與指數(index)。如果光源使用紅外線波長，而特定各波長係較長於1.2μm，則矽晶圓之厚度即可由反射計予以量測。

當洞穴係由多層組成時，反射強度之方程式即含有結合各種厚度組成之條件。所產生之反射光譜含有數種週期性(periodicities)，例如相對應於各個層之光學厚度之週期，以及相對應於總合之光學厚度之週期。

為了產生一充足之干擾信號(sufficient interference signal)(其可經由該反射信號之邊緣可見度(fringe visibility)予以觀察)，來自晶圓之上方表面與下方表面之反射必須具有類似之光束發散角度(beam divergences)。舉例而言，假如入射光束(incident beam)經過準直(collimated)，則來自該兩表面之反射光束將會準直，而干涉將會變大，且邊緣可見度變高。不過，本發明需要將入射光束聚焦，因此僅有一小區域受到照射，而該蝕刻特徵即可作空間地區隔。對於較焦距深度(depth of focus)為厚之基板而言，該二反射具有不同之發散角度(divergence angles)，因而減少了邊緣可見度。在一介質中之一聚焦光束之焦距深度幾乎是成比例於：

其中λ為波長，n係該介質之折射率，而NA是聚焦透鏡(focusing lens)之數值孔徑(numerical aperture)。是故，焦距深度隨著介質之折射率增加(對於矽而言，其大約是3.6)。舉例而言，如果數值孔徑是0.1，而波長是1.31μm，則矽之焦距深度大約是468μm。其結果是，矽晶圓可以厚到1000μm，且邊緣可見度仍然強到足以提供良好之訊號。

相對於蝕刻特徵之直徑或寬度之聚焦點(focused spot)之直徑影響著蝕刻深度量測之之品質與訊號-噪音比(signal-to-noise ratio)。聚焦點之直徑係幾乎成比例於：

D=λ/NA

且不受到基板之折射率之影響。如果量測點(measurement spot)小於蝕刻特徵之直徑或寬度，則整個聚焦點反映(reflect off)著蝕刻特徵之底部，並提供了厚度量測訊號(thickness measurement signal)。當蝕刻特徵之直徑或寬度相同或小於該量測點直徑時，僅有一部分入射光提供厚度之量測，因而降低了訊號之品質。在某些蝕刻特徵尺寸上，反射之訊號將會弱得無法使用。

藉著放置感測器使其面對著非蝕刻表面，該蝕刻特徵就感測器而言即成為晶圓蝕刻表面之凸塊。因此，並無阻止目前所使用之光學技術之側壁干擾(sidewall interference)，而且不論蝕刻特徵深度之大小，蝕刻特徵之底部可容易地被照射到。

當晶圓樣本由複數層所構成時，法布里-泊羅干涉將導致反射訊號由光頻多個週期所構成。此一訊號可經分析以便還原(recover)晶圓之材料厚度以及其它層之厚度。如果一中間層亦包括有一蝕刻特徵(該蝕刻特徵通常由一第二層擋住視線)，本發明將會藉著量測該蝕刻層的厚度變化而量測出該蝕刻特徵之尺寸。假設該蝕刻溝渠之直徑小於該照射點之直徑，則自晶圓蝕刻表面至該蝕刻溝渠底部之層將在反射計訊號中表現為一分離層。職是，在此情形下，該反射計同時地量測晶圓之整個厚度、自溝渠底部至非蝕刻表面之厚度、以及自蝕刻表面至蝕刻溝渠底部(蝕刻深度)。

鑒於上述，本發明之主要目的在提供一可直接量測自晶圓之非蝕刻表面、高長寬比蝕刻特徵深度(例如一位於晶圓上之溝渠)之系統。本發明除了上述之主要目的外，其另一目的為其可提供如下：其可用於不同尺寸之各晶圓；其可經運送的；若與類似之系統比較時，其較為易學與操作；其係較為快速的、可靠的、且較不需維護；可因應使用者之特殊需求而定製構形；準確性、可重複性、非破壞性、且有高空間解析度(spatial resolution)；以及從製造者與客戶之觀點而言，皆具有經濟上之效益。

本發明此等及其它重要目的、優點、用途與特色，將配合附隨之圖式，經以下較佳實施例之詳細說明以及附加之申請專利範圍而更為清楚。

如圖1至圖3所示，本發明系統最佳實施方式之第一基礎實施例、第二實施例、以及第三實施例，係可直接量測位於晶圓上之一高長寬比特徵之深度。操作本發明系統10之電腦軟體32係以流程圖之方式描述於圖4；如圖1至3所示之晶圓80，係包括一蝕刻表面82與一非蝕刻表面84，其中該蝕刻表面82亦係指一溝渠86。

如圖1所示，本發明系統1之第一基礎實施例係包含下列之主要元件：一反射計12、一類比數位轉換器(ADC)24、一電腦30、以及一軟體32。本發明系統10之操作方法係敘述並顯示於圖5、圖6、及圖7。

該反射計(較佳者為包含一紅外線反射計(infrared reflectometer)12)，係位於可面對該晶圓80之一非蝕刻表面(non-etched surface)84。該反射計12具有可產生一聚焦入射光23以便投射於該晶圓80之非蝕刻表面84上之裝置。如圖1所示，該反射計12亦具有一可接收並處理一自該晶圓80之非蝕刻表面84反射之一光線25之裝置。該反射計12之輸出係一類比光頻譜訊號27，其可輸至該類比數位轉換器(ADC)24，而該類比光頻譜訊號27可經轉換成一相對應之數位數據訊號(digital data signal) 29。

該電腦30(其係與一軟體32組合)具有處理傳輸自該類比數位轉換器24之數位數據訊號29之裝置，並顯示該晶圓80之高長寬比蝕刻表面之深度。該電腦30亦可產生一傳輸至一隨意之顯示器34(未示)之顯示訊號31，因而顯示該晶圓80之高長寬比蝕刻特徵之深度。

該紅外線反射計12在一較佳構形中係包含一掃描雷射(swept laser)14、一纖維循環物(fiber circulator)16或一分光鏡(beam splitter)26、一(collimator)18、一物鏡20、以及一光檢測器(ptotodetector)22。該掃描雷射14(其及時掃過各波長範圍)係連椄至該纖維循環物16或該分光鏡(beam splitter)26，其中任何一者係與該準直儀18及該光檢測器22連接。該準直儀18結合著該物鏡20一起作用，而該物鏡20則位於該晶圓80之非蝕刻表面84之上方。

該寬頻光源可包含該掃描雷射14(如圖1及圖2所示)或一寬頻非相干紅外線源(broadband incoherent infrared source(BIIS))40(如圖3所示)。該寬頻非相干紅外線源40可選自含有發光二極體(LED)、鹵素光源(halogen light source)、水銀弧燈(mercury arc lamp)、以及超發光二極體(superluminescent diode(SLED))之群。當使用該光檢測器22時，光源係含有掃描雷射14(如圖2所示)；而當使用一光譜儀(spectrometer)42時，光源係含有寬頻非相干紅外線源40(如圖3所示)。就所有情形而言，寬頻光源產生一組波長，該等波長係圍繞著一晶圓80對各該波長呈現透明之範圍內(encompass a range wherein the wafer 80 is transparent to the wavelengths)。

該軟體32係自該類比數位轉換器24施加該數位數據訊號29，而執行下列操作：

a)　傅立葉轉換(Fourier transform)；

b)　尋找尖峰振幅(find peak amplitude)；以及

c)　計算厚度。

如同在第二、第三實施例中，第一實施利可使用一晶圓固持夾具(wafer holding fixture)36，該夾具36具有可橫向位移之裝置以及可將面對該紅外線反射計12之晶圓80之非蝕刻表面84加以定位之裝置。

如圖2所示，該第二實施例(其係本發明系統10之較佳實施例)包含如下之元件：一紅外線反射計12、一掃描雷射14、一纖維循環物16、一準直儀18、一物鏡20、一光檢測器22、一類比數位轉換器24、一電腦30、一顯示器34、以及一晶圓固持夾具36。

該紅外線反射計12係設計來產生一聚焦入射光23，接收一反射光25、並指出其等之比率。該紅外線反射計12使用一小光點尺寸以便照射該晶圓80之非蝕刻表面84。在第二實施例中，該紅外線反射計12包含該掃描雷射14其可產生一組經及時掃描波長、一觸發訊號13、以及一時鐘訊號(clock signal)15。該掃描波長11通常範圍係自1260mm至1360mm其圍繞著一晶圓80為透明之範圍。

該纖維循環物16具有一第一輸入其自該掃描雷射14接收各波長11之範圍。該纖維循環物16具有一第一光輸出19其導引光線至該準直儀18。而該準直儀18準直著光線，使其隨後被該物鏡20聚焦於該晶圓80之非蝕刻表面84上。來自該晶圓80之反射光25是由該非蝕刻表面84、該蝕刻表面82、以及構成該晶圓80之其它層等之反射光所組成。該反射光25是由該物鏡20所收集，然後經過該準直儀18而回至該纖維循環物16。施加於該纖維循環物16之返回反射光21以及來自該纖維循環物16之該第一光輸出19共享著相同之物理光學纖維(physical optical fiber)。隨後該反射光25自該纖維循環物16被第二光輸出17導引至該光檢測器22。當自該纖維循環物16施加該第二光輸出17時，該光檢測器22產生一傳輸自該類比數位轉換器24之類比光學頻譜訊號27。

該類比數位轉換器24(其經設計以運作為一數據採集裝置)具有一第一輸出與一第二輸出，其等係分別傳輸自該掃描雷射14、該觸發訊號13、以及該時鐘訊號15(如圖2所示)。該類比數位轉換器24進一步具有一第三輸出，其係自該光檢測器22傳輸類比光學頻譜訊號27者，其中該類比數位轉換器24之輸出係一相對應之數位數據訊號29。

該電腦30(其係與一軟體32組合)具有處理傳輸自該類比數位轉換器24之數位數據訊號29之裝置，並產生一顯示訊號31其在顯示器34上描繪該晶圓80之高長寬比蝕刻特徵。

如圖3所示，該晶圓固持夾具36具有一較大於該晶圓80之蝕刻表面82之開口區域38、一可橫向位移之裝置、以及可供定位面對位於該紅外線反射計12之物鏡20之晶圓80之非蝕刻表面84之裝置。該晶圓80係選自含有矽、砷化鎵(GaAs)、砷化鎵鋁(GaAlAs)、磷化銦(InP)、碳化矽(SiC)、二氧化矽(SiO₂)、以及藍寶石(sapphire)之群者。

如圖3所示，該第三實施例係包含下列之元件：一寬頻非相干紅外線源(BIIS)40、一纖維循環物16、一準直儀18、一物鏡20、一光譜儀42、一電腦30、一軟體32、一顯示器34、以及一晶圓固持夾具36。

該寬頻非相干紅外線源(BIIS)40具有一可產生施加至該纖維循環物16之第一輸出之非相干光35之裝置。該纖維循環物16具有一第一光輸出19其可光線至該準直儀18。該準直儀18準直著光線，使其隨後被該物鏡20聚焦以產生一聚焦入射光23，俾照射於該晶圓80之非蝕刻表面84上。一反射光25係產生自該晶圓80，該反射光25係由該非蝕刻表面84、該蝕刻表面82、以及構成該晶圓80之其它層等所反射之光所組成者。該反射光25是由該物鏡20所收集，然後藉著該返回光21而回至該纖維循環物16，且來自該纖維循環物16之該第一光輸出19共享著相同之物理光學纖維。如圖3所示，一光訊號37係自該纖維循環物16被導引至光譜儀42。

該光譜儀42(其可由光柵光譜儀所構成)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)、或其它型式之光譜儀，自該纖維循環物16被施加該光訊號37。自該光譜儀42產生一光譜訊號39，其被輸入該電腦30。該電腦30(其係與一軟體32組合)具有處理該光譜訊號39之裝置，並產生一數位數據訊號29，該數位數據訊號29在顯示器34上描繪該晶圓80之高長寬比蝕刻特徵。

如圖3所示，該晶圓固持夾具36具有可橫向位移之裝置、以及可供放置面對位於該物鏡20之晶圓80之非蝕刻表面84之裝置。

當該蝕刻特徵之寬度係相等或較大於該照射點尺寸，較佳者為依連續之掃描方法。運用此種方法以量測蝕刻特徵之深度，第一，量測鄰近晶圓80上非蝕刻區域之厚度(如圖5中標號1者)；第二，量測該經蝕刻晶圓80之厚度(自蝕刻特徵之底部至該晶圓80之非蝕刻表面84之厚度)(如圖5中標號2者)；以及第三，減去該兩者之量測值。

當蝕刻特徵之寬度小於該光點尺寸，舉例而言，該蝕刻特徵係一具有5微米直徑之圓孔，而該照射光點尺寸係13微米時，則該蝕刻深度即可經由直接方法而測得。由於該照射涵蓋著蝕刻特徵(如圖6中標號B)、以及晶圓表面周圍(如圖6中標號A)，光線由表面A與表面B反射。由表面A與表面B反射之光線與自晶圓非蝕刻表面所反射之光線產生干擾(如圖6中標號C)。各量測訊號之範例顯示於圖7，在此範例中，圖7中之尖峰#1係產生自蝕刻特徵底部(如圖6中標號B)、以及自晶圓蝕刻表面頂部(如圖6中標號A)所反射光之干擾，因此尖峰#1係蝕刻深度之直接量測值。是故，在一次量測之剎那間，不需機械式掃描或分別量測之操作，即可以直接量測蝕刻深度。

圖7顯示本發明方法中蝕刻特徵之寬度小於照射光點尺寸之量測厚度，尖峰1相對應於圖6中表面A與表面B之間之反射干擾；尖峰2相對應於圖6中表面B與表面C之間之反射干擾；而尖峰自圖6中表面A與表面C之間之反射干擾量測整個晶圓厚度。

該第一方法可供量測在一具有蝕刻表面82與非蝕刻表面84之晶圓80上之高長寬比蝕刻特徵深度，係通常使用於蝕刻特徵86之寬度相等或大於所施加之照射光點尺寸時。該第一方法(其亦被稱為「連續掃描方法(sequential scanning method)」)係藉由執行下列步驟而實施：

a)　定位一面對著晶圓非蝕刻表面之反射計；

b)　在該晶圓80上之未被蝕刻區域量取厚度；

c)　在該晶圓80上之蝕刻表面82之一經蝕刻區域量取厚度；以及

d)　減去該兩次量測值以便決定蝕刻特徵之深度。

該第二方法可供量測在一具有蝕刻表面82與非蝕刻表面84之晶圓80上之高長寬比蝕刻特徵深度，係使用於蝕刻表面82之寬度小於所施加之照射光點尺寸之直徑時。該第二方法(其亦被稱為「直接方法(direct method)」)係藉由執行下列步驟而實施：

a)　定位一面對著晶圓非蝕刻表面之反射計；

b)　同時照射該蝕刻特徵86、鄰近於該蝕刻特徵86之蝕刻表面82、以及該非蝕刻表面84；

c)　直接量測該蝕刻表面82與該蝕刻特徵86兩者反射光之間之干擾；以及

d)　自步驟c所記錄之干擾直接計算蝕刻深度。

雖然本發明業經詳述，且由附圖所描述，惟本發明並無意受該等敘述所限制，此乃由於在不脫離本發明精神與範疇下，可對本發明做許多改變與變化。因此，以下之申請專利範圍之用語與範圍將涵括本發明之所有變化形式。

10．．．系統

11．．．掃描波長

12．．．反射計

13．．．觸發訊號

14．．．掃描雷射

15．．．時鐘訊號

16．．．纖維循環物

18．．．準直儀

19．．．第一光輸出

20．．．物鏡

21．．．返回反射光

22．．．光檢測器

23．．．聚焦入射光

24．．．類比數位轉換器(ADC)

25．．．反射光

26．．．分光鏡

27．．．類比光頻譜訊號

29．．．數位數據訊號

30．．．電腦

31．．．顯示訊號

32．．．軟體

34．．．顯示器

35．．．非相干光

36．．．晶圓固持夾具

38．．．開口區域

39．．．光譜訊號

40．．．寬頻非相干紅外線源

42．．．光譜儀

80．．．晶圓

82．．．蝕刻表面

84．．．非蝕刻表面

86．．．蝕刻特徵

圖1係一方塊圖，其顯示本發明之第一實施例，係描述本發明系統之一基本設計，以量測晶圓上高長寬比蝕刻特徵之深度；

圖2係一方塊圖，其顯示本發明系統之第二實施例；

圖3係一方塊圖，其顯示本發明系統之第三實施例；

圖4係本發明系統軟體之流程圖；

圖5係一方塊圖，其顯示一連續掃描方法；

圖6係一方塊圖，顯示一直接掃描方法；以及

圖7係一圖表，其描述本發明方法之厚度及訊號振福，其中蝕刻特徵之寬度係小於照射光點之尺寸。

10．．．系統

12．．．反射計

23．．．聚焦入射光

24．．．類比數位轉換器(ADC)

25．．．反射光

27．．．類比光頻譜訊號

29．．．數位數據訊號

30．．．電腦

32．．．軟體

80．．．晶圓

82．．．蝕刻表面

84．．．非蝕刻表面

86．．．蝕刻特徵

Claims (20)

1. 一種用以在包括一蝕刻表面及一非蝕刻表面之晶圓上直接量測高長寬比蝕刻特徵之深度之系統，該系統包含：a)　一反射計，其係定位於面對該反射計之晶圓非蝕刻表面，其中該反射計具有一可產生聚焦入射光以便照射於該晶圓非蝕刻表面之裝置，以及一可接收並處理一來自該晶圓非蝕刻表面之反射光之裝置，其中該反射計之輸出係一類比光學頻譜訊號；b)　一類比數位轉換器(ADC)，可將該類比光學頻譜訊號轉換成一相對應之數位數據訊號；c)　一電腦(其係與一軟體組合)，具有處理傳輸自該類比數位轉換器之數位數據訊號之裝置，並顯示該晶圓之高長寬比蝕刻表面之深度。
2. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該反射計係由一紅外線反射計所構成，而該紅外線反射計具有一物鏡可在該晶圓上產生一聚焦光點。
3. 根據申請專利範圍第2項之系統，其中該紅外線反射計(其係作為一寬頻光源)包含：a)　一纖維循環物或一分光鏡；b)　一準直儀；c)　一物鏡；以及d)　一光撿測器，其中該寬頻光源係與該纖維循環物或該分光鏡，其中之一者係與該準直儀與該光撿測器連接，其中該準直儀與該物鏡成介面，而該物鏡係位於面對著晶圓之非蝕刻表面上方。
4. 根據申請專利範圍第3項之系統，其中該寬頻光源係由一掃描雷射或一寬頻非相干紅外線源所構成。
5. 根據申請專利範圍第4項之系統，其中該寬頻非相干紅外線源係選自含有發光二極體、鹵素光源、水銀弧燈、以及超發光二極體之群。
6. 根據申請專利範圍第3項之系統，其中當光源是一掃描雷射時，則使用一光檢測器；而當光源係非相干光源時，則使用一光譜儀。
7. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該光源產生一組波長，該等波長係圍繞著晶圓呈現透明之範圍內。
8. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該軟體當被施加該數位數據訊號時，係執行下列之操作：a)傅立葉轉換；b)尋找尖峰振幅；以及c)計算厚度。
9. 根據申請專利範圍第3項之系統，進一步包括一晶圓固持夾具其具有一較大於該晶圓之蝕刻表面之開口區域、一可橫向位移之裝置、以及可供定位面對該紅外線反射計之非蝕刻表面之裝置。
10. 一種用以在包括一蝕刻表面及一非蝕刻表面之晶圓上直接量測高長寬比蝕刻特徵之深度之系統，該系統包含：a)　一紅外線反射計，包含：(1)一掃描雷射，其具有一裝置可產生一經及時掃描過一波長範圍之波長、一觸發訊號、以及一時鐘訊號；(2)一纖維循環物，其具有一第一輸入其自該掃描雷射被施加各波長、一第二輸入、一第一光輸出、以及一第二光輸出；(3)一準直儀，其係自該纖維循環物被施加該第二光輸出，並可產生一準直光輸出而施加於該纖維循環物之第二輸入；(4)一物鏡，其係與該準直儀成介面，且係位於面對著晶圓之非蝕刻表面，其中自該物鏡射出一聚焦入射光其係射至該晶圓之非蝕刻表面，而自該晶圓射出一反射光其係射至該物鏡上；(5)一光檢測器，其係自該纖維循環物施加該第一光輸出，且其產生一類比光學頻譜訊號；b)　一類比數位轉換器(ADC)，其可作為一數據採集裝置，該類比數位轉換器具有一第一輸出與一第二輸出，其等係自該掃描雷射分別傳輸該觸發訊號以及該時鐘訊號，其中該類比數位轉換器進一步具有一第三輸出，其係自該光檢測器傳輸類比光學頻譜訊號者，而其中該類比數位轉換器產生一相對應之數位數據訊號；c)　一電腦(其係與一軟體組合)，具有處理傳輸自該類比數位轉換器之數位數據訊號之裝置，並產生一顯示訊號其在一顯示器上描繪該晶圓上之高長寬比蝕刻特徵；以及d)　一晶圓固持夾具，具有一可橫向位移之裝置、以及可供定位面對該紅外線反射計上之物鏡之晶圓非蝕刻表面之裝置。
11. 根據申請專利範圍第10項之系統，其中該晶圓係選自含有矽、砷化鎵、砷化鎵鋁、磷化銦、碳化矽、二氧化矽、以及藍寶石之群者。
12. 根據申請專利範圍第10項之系統，其中該反射計係使用一小光點尺寸以照射該晶圓之非蝕刻表面。
13. 根據申請專利範圍第10項之系統，其中該掃描波長範圍係自1260mm至1360mm其圍繞著一晶圓為透明之範圍。
14. 根據申請專利範圍第10項之系統，其中該軟體當被施加該數位數據訊號時，係執行下列之操作：a)傅立葉轉換；b)尋找尖峰振幅；以及c)計算厚度。
15. 一種用以在包括一蝕刻表面及一非蝕刻表面之晶圓上直接量測高長寬比蝕刻特徵之深度之系統，該系統包含：a)　一寬頻非相干紅外線源，其具有可產生一非相干光源之裝置；b)　一纖維循環物，具有一第一輸入其係被施加以來自該寬頻非相干紅外線源之非相干光訊號、一第一光輸出、以及一第二光輸出；c)　一準直儀，其係自該纖維循環物被施加該第二光輸出，並可產生一準直光輸出而施加於該纖維循環物之第二輸入；d)　一物鏡，其係與該準直儀成介面，且係位於面對著晶圓之非蝕刻表面，其中自該物鏡射出一聚焦入射光其係射至該晶圓之非蝕刻表面，而自該晶圓射出一反射光其係射至該物鏡上；e)　一光譜儀，其係自該纖維循環物被施加該光訊號，並產生一光分配訊號；f)　一電腦(其係與一軟體組合)，具有處理被施加自該光譜儀之該光分配訊號之裝置，並產生一數位數據訊號，該數位數據訊號在顯示器上描繪該晶圓之高長寬比蝕刻特徵；以及g)　一晶圓固持夾具，具有一可橫向位移之裝置、以及可供定位面對該物鏡之晶圓非蝕刻表面之裝置。
16. 根據申請專利範圍第15項之系統，其中該光譜儀可由一光柵光譜儀或一傅立葉轉換紅外線光譜儀所構成。
17. 一種用以量測在包括一蝕刻表面及一非蝕刻表面之晶圓上之高長寬比蝕刻特徵之深度之第一方法，該第一方法包含：a)　定位一面對著晶圓非蝕刻表面之反射計；b)　在該晶圓上之未被蝕刻區域量取厚度；c)　在該晶圓上之一經蝕刻區域量取厚度；以及d)　減去該兩次量測值以便決定蝕刻特徵之深度。
18. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該第一方法中係包含一連續掃描方法。
19. 一種用以量測在具有一蝕刻表面及一非蝕刻表面之晶圓上之高長寬比蝕刻特徵之深度之第二方法，該第二方法包含：a)　定位一面對著晶圓非蝕刻表面之反射計；b)　同時照射該蝕刻特徵以及鄰近於該蝕刻特徵之蝕刻表面；c)　量測該蝕刻表面與該蝕刻特徵兩者反射光之間之干擾；以及d)　計算蝕刻特徵之深度。
20. 根據申請專利範圍第19項之方法，其中該第二方法中係包含一直接方法。