TWI424145B - 孔洞底部形貌的量測方法 - Google Patents

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Description

孔洞底部形貌的量測方法
本揭露是有關於一種孔洞(via)量測方法，且特別是有關於一種孔洞底部形貌(via bottom profile)的量測方法。
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，使的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)。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。然而，矽穿孔通常具有高深寬比，無法直接以光學顯微鏡量測其深度及孔底的形貌。
因此，目前已有專利提到利用紅外波段的彩色共焦顯微鏡來量測孔洞的深度(depth)，如美國專利US 7738113 B1。在這篇專利中是利用彩色共焦顯微鏡從晶圓的底部來量測，首先量測晶圓的厚度，即晶圓的底部距晶圓頂部的距離，再量測孔洞底部距晶圓底部的距離。相減此兩距離，即可得孔洞的深度。
不過，目前仍沒有能觀測矽穿孔之孔洞底部形貌的方法。
本揭露之實施例提出一種孔洞底部形貌的量測方法，以得到一基板的正面的一孔洞的底部形貌。這種方法包括先用一紅外光學顯微鏡將一紅外光源透過一物鏡自該基板的背面入射至該孔洞的底部，再使用一取像元件擷取自孔洞的底部散射的光並產生一影像，其中該影像顯示孔洞的底部形貌之直徑(2Ea )與紅外光學顯微鏡最大可接收的孔洞的底面積的直徑(2Ec )。接著，利用一橢圓方程式換算得到此一橢圓方程式的短軸半徑(Eb )，即可從上述孔洞的底部形貌之半徑(Ea )與橢圓方程式的短軸半徑(Eb )得到孔洞的底部形貌。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1顯示位於一基板100的正面100a的多個孔洞102，其II部位之放大圖顯示於圖2。在圖2中，孔洞102可分為底部200與側壁202，孔洞102的底部200形貌可以用以下的橢圓方程式(1)來表示。
其中Ea 及Eb 分別為橢圓方程式(1)的長軸及短軸半徑。
為了精準得到圖2之孔洞102的底部200形貌，必需求出以上Ea 及Eb 的數值。因此，本實施方式提出以下方法。
圖3是本揭露之實施例，用以說明一種孔洞底部形貌的量測步驟圖。而且，圖3的步驟可搭配適當的設備來進行量測，如圖4的光學系統。
請參照圖3，在量測前可先尋找孔洞的位置，如步驟300。至於如何尋找孔洞的位置，則可利用圖4的紅外光學顯微鏡400，先找到基板100中的孔洞102。然後，步驟300之後可進行步驟302，將孔洞的底部移至紅外光學顯微鏡的景深(depth of field，DOF)內。
之後，進行步驟304，使用紅外光學顯微鏡將紅外(infrared，IR)光源透過物鏡自基板的背面入射至孔洞的底部，而此步驟可同時對照圖4的紅外光學顯微鏡400。在圖4中，紅外光源402經由透鏡(illumination lens)404與406、反射鏡408及半反射鏡410入射至一物鏡412，其中紅外光源402之波長範圍例如1000nm~1500nm。此外，當基板100是矽晶圓時，物鏡412可為矽晶圓修正物鏡(silicon corrected lens)。然後，由物鏡出射的光源會自基板100的背面100b入射至孔洞102的底部。
當紅外光源402入射至孔洞102的底部時，請見圖5所示的孔洞102放大圖，因為孔洞102的底部200形貌是位於紅外光學顯微鏡400的景深500內，由底部200散射的光會回到物鏡412。由於紅外光學顯微鏡400收光的極限，只有散射光的角度在物鏡412可以接收的角度內，才會被接收，如孔洞102底部200與側壁202的邊界502與504所散射的光(以箭頭表示)，以及孔洞102底部200中心部份506所散射的光。換言之，當孔洞102底部200的斜率大於物鏡412可接收的角度時，散射光將無法進入物鏡412。
接著，進行步驟306，使用一取像元件擷取自孔洞的底部散射的光並產生一影像。而此步驟可再次對照圖4的紅外光學顯微鏡400，其中由孔洞102散射的光會經由物鏡412及透鏡414入射至取像元件416上，其例如電荷耦合元件(CCD)。從取像元件416得到的影像可進一步進行影像處理，以強化其對比度。圖6顯示由步驟306所得到的影像示意圖。
在圖6中，亮部區域600是孔洞底部之中心部份(請見圖5的506)，暗部區域602是孔洞底部的斜率大於物鏡可接收的角度之區域，所以在沒有接收光的情形下呈現黑暗的影像。從圖6對照圖5之孔洞102放大圖，可清楚得到暗部區域602就是孔洞的底部與側壁的邊界，因此暗部區域602的直徑就是孔洞的底部形貌之直徑(2Ea )。至於亮部區域600為紅外光學顯微鏡400最大可接收的孔洞的底面積，所以能得到其直徑(2Ec )。
圖7為孔洞102底部200斜率的定義，其中顯示與圖5相同之元件符號。由圖7可知，2Ec 為紅外光學顯微鏡最大可接收的孔洞的底面積的直徑，而其邊界為700及702，由邊界700可以推得出最大可接收的孔洞的底面積的斜率M及其角度θ。
然後，請再次參照圖3，利用橢圓方程式(1)換算得到其短軸半徑(Eb )，即可從孔洞的底部形貌之半徑(Ea )與橢圓方程式的短軸半徑(Eb )得到孔洞的底部形貌。關於利用橢圓方程式(1)換算之方式如下：
首先，由橢圓方程式(1)可以求得其斜率方程式(2)為：
在式(2)中，m為橢圓方程式(1)的斜率，當x為紅外光學顯微鏡最大可接收的孔洞的底面積的半徑(Ec )時，斜率值為M，則橢圓方程式(1)的短軸半徑Eb 為以下方程式(3)：
在式(3)中，Ea 及Ec 可直接由圖6之影像中的暗部區域602以及亮部區域600得到，而M為紅外光學顯微鏡之固定參數，所以能換算得到方程式(3)的Eb 值。如此一來即可得到圖2之孔洞102的底部200形貌。
以下列舉一實驗來驗證本揭露之孔洞底部形貌的量測方法的效果。
實驗：量測經雷射挖洞之孔洞的底部形貌
首先，找出孔洞位置，再將孔洞底部的位置移至紅外光學顯微鏡的景深內。然後，使用電荷耦合元件(CCD)得到一個如圖6之影像，同時進行影像處理，強化其對比度。
接著，由影像獲得Ea 及Ec 值，分別為16.55μm及5.84μm，而紅外光學顯微鏡的M值為0.106。最後由上述方程式(3)即可求得Eb 值為4.55μm。
綜上所述，本發明在光學系統架構上使用紅外光學顯微鏡(紅外光源)及取像元件(電荷耦合元件)來量測孔洞底部的影像，所得到的影像經由影像處理及計算可以精確地得知孔洞的底部形貌。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．基板
100a‧‧‧正面
100b‧‧‧背面
102‧‧‧孔洞
200‧‧‧底部
202‧‧‧側壁
300~308‧‧‧步驟
400‧‧‧紅外光學顯微鏡
402‧‧‧紅外光源
404、406、414‧‧‧透鏡
408‧‧‧反射鏡
410‧‧‧半反射鏡
412‧‧‧物鏡
416‧‧‧取像元件
502‧‧‧景深
502、504、700、702‧‧‧邊界
506‧‧‧中心部份
600‧‧‧亮部區域
602‧‧‧暗部區域
Ea ‧‧‧孔洞的底部形貌之半徑
Eb ‧‧‧橢圓方程式的短軸半徑
Ec ‧‧‧紅外光學顯微鏡最大可接收的孔洞的底面積的半徑
θ‧‧‧紅外光學顯微鏡最大可接收的孔洞的底面積的斜率的角度
圖1顯示位於基板正面的孔洞之剖面示意圖。
圖2是圖1之第II部位的放大圖。
圖3是本揭露之實施例，用以說明一種孔洞底部形貌的量測步驟圖。
圖4是本揭露之實施例的一種光學系統示意圖，用以執行圖3的量測步驟。
圖5是圖4的基板內之孔洞放大圖。
圖6顯示由步驟306所得到的影像示意圖。
圖7是圖4的基板內之孔洞放大圖。
300~308．．．步驟

Claims (6)

  1. 一種孔洞底部形貌的量測方法，用於得到一基板的正面的一孔洞的底部形貌，該方法包括：使用一紅外光學顯微鏡將一紅外光源透過一物鏡自該基板的背面入射至該孔洞的底部；使用一取像元件擷取自該孔洞的底部散射的光並產生一影像，其中該影像顯示該孔洞的底部形貌之直徑(2Ea )與該紅外光學顯微鏡最大可接收的該孔洞的底面積的直徑(2Ec )；以及利用一橢圓方程式換算得到該橢圓方程式的短軸半徑(Eb )，即可從該孔洞的底部形貌之半徑(Ea )與該橢圓方程式的短軸半徑(Eb )得到該孔洞的底部形貌，其中該橢圓方程式為以下方程式(1)： 在式(1)中，Ea 是該孔洞的底部形貌之半徑、Eb 是該橢圓方程式的短軸半徑；由該方程式(1)可以求得其斜率方程式(2)為： 在式(2)中，m為該橢圓方程式的斜率，當x為該紅外光學顯微鏡最大可接收的該孔洞的底面積的半徑(Ec )時，斜率值為M，則橢圓參數Eb 為以下方程式(3)： 在式(3)中，M為該紅外光學顯微鏡之固定參數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之孔洞底部形貌的量測方法，其中該取像元件包括電荷耦合元件(CCD)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之孔洞底部形貌的量測方法，其中該基板為矽晶圓時，該物鏡為矽晶圓修正物鏡(silicon corrected objective)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之孔洞底部形貌的量測方法，其中該紅外光源之波長範圍為1000nm~1500nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之孔洞底部形貌的量測方法，其中使用該紅外光學顯微鏡將該紅外光源透過該物鏡自該基板的背面入射至該孔洞的底部之前，更包括：尋找該孔洞的位置；以及將該孔洞的底部移至該紅外光學顯微鏡的景深內。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之孔洞底部形貌的量測方法，其中使用該取像元件擷取自該孔洞的底部散射的光並產生該影像之步驟包括進行影像處理，以強化該影像的對比度。
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