TWI420067B - 量測孔洞深度之方法 - Google Patents

Description

量測孔洞深度之方法

本發明係有關於一種量測孔洞深度之方法，尤指一種利用跨焦影像的方式擷取孔洞不同區域之至少二個影像，並以聚焦演算法(Focal Metric)分別分析不同影像的聚焦位置，可提高量測精確度，尤適用於量測高深寬比的孔洞深度之方法。

傳統上晶片是製作在二維(2D)空間上的，然而隨著晶片複雜度的增加，使得在二維空間上的橫向面積加大，已無法讓摩爾定律(Moore’s Law)能繼續有效。因此，逐漸有人考慮到利用堆疊的方式來整合不同的晶片，因而創造出三維晶片(3D IC)。三維晶片製作上利用矽穿孔(Through-Silicon Via)封裝技術，透過以垂直導通來整合晶圓堆疊的方式，以達到晶片間的電氣互連，因此矽穿孔的製作的好壞及量測上的精確度將明顯的影響晶片的良率。矽穿孔在製作上為一高深寬比的孔洞，而且為一盲孔，無法直接以光學顯微鏡量測其深度。

已知一種量測高深寬比的孔洞深度的方法，其係利用光學量測系統量測孔洞之不同深度位置，並擷取每一深度位置之影像，利用聚焦演算法(Focal Metric)計算並紀錄聚焦位置，再選取聚焦演算數值的最大值進行計算，請參閱第一圖所示聚焦位置曲線圖，於該曲線呈現第一組及第 二組兩組波峰，第一組波峰位於180~210μm範圍內，代表孔洞之上孔(孔洞開口處)聚焦位置，第二組波峰位於100~120μm範圍內，代表孔洞之下孔(孔洞底部)聚焦位置，經由軟體選取各組波峰之最高聚焦演算數值，亦即影像之聚焦位置，其中，上孔聚焦位置P1約為188μm，下孔聚焦位置P2約108μm，將兩聚焦位置相減後所得數值即為孔洞的深度，188μm-108μm=80μm，因此，孔洞深度為80μm，由第一圖所示曲線可知，上述習知量測孔洞深度方式之缺點在於，由於下孔之聚焦演算數值差異不明顯，無法正確取得下孔聚焦位置，導致所計算之孔洞深度誤差大，當應用於晶片矽穿孔製作時，必會明顯影響晶片的良率。

就習知揭露量測孔洞深度之專利而言，例如美國專利第6882436號「Non-contact hole depth gage」，請參閱第二圖所示其量測系統之架構示意圖，其主要包括一照明單元26、一影像偵測單元20、一待測工件10以及待測工件上所需量測的一埋頭孔(countersink)16，其量測孔深之方式包括以下步驟：

步驟302：量測下孔直徑；使用影像偵測單元20量測該埋頭孔16之下孔直徑(影像)。

步驟304：計算下孔直徑；使用控制單元130的分析程式計算出下孔直徑。

步驟306計算上孔距離；即第二圖中該工件10表面至影像偵查單元20之該上孔距離160，由於影像偵測單元20的位置是固定的，故該上孔距離160可以很容易得知。

步驟308計算下孔距離；即第二圖中該下孔16底緣至影像偵測單元20之該下孔距離164，由於不同的孔深其在影像偵測單元20上所量測到的下孔直徑是不同的，即所量測的下孔直徑與孔深是相關的，故可由所量測的下孔直徑得出該下孔距離164。

步驟310計算孔深；由步驟306及步驟308所得知的上孔距離160及下孔距離164可以計算出埋頭孔16的深度166。

惟該案所提供之方式僅適用於穿透孔，並不適用於高深寬比的盲孔。

有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種量測孔洞深度之方法，利用跨焦影像的方式擷取孔洞不同深度位置的影像，並以聚焦演算法(Focal Metric)分別分析上孔及下孔的聚焦位置，可提高量測精確度，尤適用於量測高深寬比的孔洞深度。

為達到上述目的，本發明提出一種量測孔洞深度之方法，包含：以一光學量測系統擷取一孔洞不同區域之至少二個影像；以聚焦演算法(Focal Metric)計算一該影像，以得到複數個第一演算數值及其對應的複數個第一位置數值；以該聚焦演算法計算另一該影像，以得到複數個第二 演算數值及其對應的複數個第二位置數值；及決定該複數個第一演算數值中之最大值及其第一位置數值，及決定該複數個第二演算數值中之最大值及其第二位置數值，其中第一位置數值與第二位置數值之差值即為該孔洞之深度。

為使 貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。

以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱第三圖所示，本發明所提供之量測孔洞深度之方法，係利用一光學量測系統50量測一物件60之孔洞61，孔洞61具有一深度H，且孔洞61為盲孔，光學量測系統50可平行於孔洞61之深度H方向往復移動，藉由光學量測系統50量測孔洞61不同區域，亦即不同深度位置，並擷取每一深度位置之孔洞61之至少二個影像，如此，可得到複數個環狀影像，使用者可自行設定擷取影像之次數，所擷取影像之次數越多，對於計算孔洞61深度H之精確度也越高；必須說明的是，一般孔洞61之斷面呈圓形，因此所擷取之影像呈現圓環狀，若孔洞61斷面為橢圓形、矩形、多邊形或其他幾何形狀，則所擷取的影像也會相對應呈現橢圓形、矩形、多邊形或其他幾何形狀之環狀。

當光學量測系統50完成上述擷取影像之步驟後，再利用聚焦演算法根據所擷取之環狀影像進行分析及演算，一般常用的聚焦演算法(Focal Metric)包括梯度能量法(Gradient Energy)，標準差法(Standard deviation)，拉普拉斯法(Laplacian)及對比法(Contrast)。

以g_i(x,y)表示在影像i的位置(x,y)上的強度。梯度能量法(Gradient Energy)的演算法如下：

其中，

標準差法(Standard deviation)的演算法如下：

拉普拉斯法(Laplacian)的演算法如下：FM _LAP =ΣΣ(L _xx +L _yy )

其中，L _xx +L _yy =-g _i (x-1,y-1)-4g _i (x-1,y)-g _i (x-1,y+1)-4g _i (x-1,y-1)+20g _i (x-1,y)-4g _i (x-1,y+1)-g _i (x-1,y-1)-4g _i (x-1,y)-g _i (x-1,y+1)

對比法(Contrast)的演算法如下：

上述聚焦演算方法為一般習知的方法，其詳細的演算內容不予詳述。本發明的特點在於利用聚焦演算法針對所擷取之環狀影像之一周緣區域及一內側區域進行運算。請參閱第四圖所示，說明本發明定義環狀影像之周緣區域之方式，其顯示所擷取之一圓環狀影像70，該周緣區域80為一等寬之圓形環狀區域(第四圖示斜格線區域)，該圓形環狀區域具有一第一內側周緣81以及一第一外側周緣82，第一內側周緣81與圓環狀影像70具有一第一距離D1，該第一內側周緣81與該第一外側周緣82之間具有一寬度W，該周緣區域80係涵蓋該孔洞61周緣，較理想之狀況是，該圓形環狀影像70係位於該第一內側周緣81與該第一外側周緣82中間(如第四圖所示)，但並不限於此，此外，即使所擷取之孔洞影像為圓環狀，本發明該周緣區域也不限定為圓環狀，以第四圖而言，第一內側周緣81為圓形，第一外側周緣82則可為橢圓形、矩形、多邊形或任意幾何形狀，總而言之，本發明所定義之周緣區域，其設定原則在於其第一內側周緣81與圓環狀影像70具有一第一距離D1，且該周緣區域80可涵蓋該圓環狀影像70即可，形狀尺寸並無一定限制。

請參閱第五圖所示，說明本發明定義環狀影像之內側區域之方式，本發明所定義之內側區域90(第五圖示斜格 線區域)係位於該圓環狀影像70內，該內側區域90包括該孔洞61中心，但不包括該孔洞61周緣，內側區域90具有一第二外側周緣91，該第二外側周緣91與圓環狀影像70具有一第二距離D2，該第二距離D2大於零即可，其尺寸並無一定限制，亦即，該內側區域90之面積小於圓形環狀影像70所圍設之面積，且該內側區域90不接觸該圓形環狀影像70。

請參閱第三圖至第五圖所示，藉由光學量測系統50量測孔洞61之不同深度位置，並擷取每一深度位置之孔洞61之影像，可得到複數個圓環狀影像70(如第四、五圖所示)，再利用聚焦演算法分析每一圓環狀影像70之周緣區域80，以得到複數個第一演算數值及其對應的複數個第一位置數值，如第六圖所示，該第一位置數值即為該第一演算數值之聚焦位置；同理，利用聚焦演算法分析每一圓環狀影像70之內側區域90，以得到複數個第二演算數值及其對應的複數個第二位置數值，如第七圖所示，該第二位置數值即為該第二演算數值之聚焦位置；此外，該複數個第一演算數值代表孔洞61之上孔(孔洞開口處)聚焦位置，該複數個第二演算數值代表孔洞61之下孔(孔洞底部)聚焦位置。

第六圖所示曲線顯示周緣區域之最大聚焦演算數值位於聚焦位置191.8μm，第七圖所示曲線顯示內側區域之最大聚焦演算數值位於聚焦位置109.3μm，亦即，上孔聚焦位置為191.8μm，下孔聚焦位置為109.3μm，將上孔聚焦位置減去下孔聚焦位置，可得到一結果數值，191.8μ m-109.3μm=82.5μm，因此，所量測之孔洞61之深度H(如第三圖所示)為82.5μm。

綜上所述，本發明提供之量測孔洞深度之方法，利用跨焦影像的方式擷取孔洞不同深度位置的影像，並以聚焦演算法(Focal Metric)分別分析上孔及下孔的聚焦位置，可提高量測精確度，尤適用於量測高深寬比的孔洞深度。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

先前技術：

10‧‧‧待測工件

16‧‧‧埋頭孔

20‧‧‧影像偵測單元

26‧‧‧照明單元

160‧‧‧上孔距離

164‧‧‧下孔距離

166‧‧‧埋頭孔深度

本發明：

50‧‧‧光學量測系統

60‧‧‧物件

61‧‧‧孔洞

70‧‧‧圓環狀影像

80‧‧‧周緣區域

81‧‧‧第一內側周緣

82‧‧‧第一外側周緣

90‧‧‧內側區域

91‧‧‧第二外側周緣

D1‧‧‧第一距離

D2‧‧‧第二距離

H‧‧‧深度

W‧‧‧寬度

第一圖係習知聚焦演算數值與聚焦位置關係曲線圖。

第二圖係習知美國專利6882436號之系統架構圖。

第三圖係本發明之光學量測系統量測與待量測孔洞之位置關係示意圖。

第四圖係本發明之周緣區域與環狀影像之關係示意圖。

第五圖係本發明之內側區域與環狀影像之關係示意圖。

第六圖係本發明之周緣區域聚焦位置曲線圖。

第七圖係本發明之內側區域聚焦位置曲線圖。

70‧‧‧圓環狀影像

80‧‧‧周緣區域

81‧‧‧第一內側周緣

82‧‧‧第一外側周緣

90‧‧‧內側區域

91‧‧‧第二外側周緣

D1‧‧‧第一距離

D2‧‧‧第二距離

W‧‧‧寬度

Claims (6)

1. 一種量測孔洞深度之方法，包含：以一光學量測系統擷取一孔洞不同區域之至少二個影像；以聚焦演算法(Focal Metric)計算一該影像，以得到複數個第一演算數值及其對應的複數個第一位置數值；以該聚焦演算法計算另一該影像，以得到複數個第二演算數值及其對應的複數個第二位置數值；及決定該複數個第一演算數值中之最大值及其第一位置數值，及決定該複數個第二演算數值中之最大值及其第二位置數值，其中第一位置數值與第二位置數值之差值即為該孔洞之深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之量測孔洞深度之方法，其中該影像之二至少各包括了該孔洞之內側區域及周緣區域。
3. 如申請專利範圍第2項所述之量測孔洞深度之方法，其中該周緣區域具有一第一內側周緣以及一第一外側周緣，該二周緣之間具有一寬度，並包括該孔洞周緣。
4. 如申請專利範圍第1項所述之量測孔洞深度之方法，其中該第一或第二位置數值即為該第一或第二演算數值之聚焦位置。
5. 如申請專利範圍第2項所述之量測孔洞深度之方法，其中該內側區域包括該孔洞中心，但不包括該孔洞周緣。
6. 如申請專利範圍第6項所述之量測孔洞深度之方法，其中該聚焦演算法包括梯度能量法(Gradient Energy)，標 準差法(Standard deviation)，拉普拉斯法(Laplacian)及對比法(Contrast)。