TWI442015B - 用以測量矽晶穿孔之干涉系統及其方法 - Google Patents

Description

用以測量矽晶穿孔之干涉系統及其方法

本發明涉及一種直通矽晶穿孔檢測用干涉系統及利用它的檢測方法，更為詳細地涉及一種在干涉系統設置可變型視場光闌，從而能夠檢測如形成於矽半導體上的直通矽晶穿孔(TSV，Through Silicon Via)縱橫比大的通孔的直徑和深度的TSV檢測用干涉系統及利用它的檢測方法。

最近，半導體領域為了克服有限的晶片面積的二維微細化技術的局限性，提出三維結構的晶片開發以作為對策。

三維結構的概念在封裝領域中已有利用，但是，習知方式為各端子只配置在半導體晶片的一面，而且需要用絲焊法將多個晶片的信號端子電連接，因此在晶片的大小、配線的複雜性以及耗電等方面出現問題。

於是，為了解決這種問題，已知一種TSV(Through Silicon Via)技術，該技術在以半導體基板材料--矽上形成垂直貫通的電極，並提供如高層建築電梯的信號傳遞路徑。

這種TSV技術在如電路的積體度、工作速度、耗電以及製造費用等方面有望獲得極大的改善效果，因此對其進行集中的研究。

但在形成TSV後，作為檢測TSV的形成狀態的TSV檢測裝置，當前使用的是習知干涉系統。

在干涉系統中，最典型的是白光干涉系統(WLI,White Light Interferometer)，該系統將從一個光源發出的光分成兩束，並使所分開的兩束光以形成直角的方式前進後再次相 聚，透過兩束光的光路差形成干涉條紋。

利用上述原理，能夠檢測如矽半導體晶圓的薄膜的表面拓撲等特性。

圖1為白光干涉系統的示意圖。參照圖1，白光干涉系統透過分光器120將由光源110生成的光分割為相互垂直的兩個方向的光，在分割光中的一束光透過反射鏡130反射，另一束光透過檢測對象140反射後再次射入分光器120。

而且，再次射入的各分割光在經過分光器120時結合，並透過物鏡160和中繼鏡(未圖示)在CCD150上形成干涉條紋。

在此，物鏡170透過壓電傳感器180在光路方向上移動，從而能夠調節在CCD150成像的光的焦距。

此時，由於白光干涉的相干距離(coherence distance)短，因此對於未知檢測對象檢測一定量時，從檢測對象140的最高點開始出現干涉現象。即，干涉條紋只在物鏡170的最佳焦點長度的位置上出現。

因此，對於未知檢測對象，從最高點依次確認光強(intensity)變化量並區別高低，此時的高度值透過分析裝置160獲得。

即，透過干涉條紋能夠了解檢測對象的高低位置，此時的高度值可透過壓電傳感器180檢測。

在如上干涉系統中，使用壓電傳感器180將物鏡170向檢測對象方向輸送，並使用CCD按規定間隔攝影圖像。

使用這種干涉系統，以前在檢測晶圓等薄膜的表面時，可透過壓電傳感器的一次移動來進行高度值的分析。

但是，在習知干涉系統中，當向TSV射出的光使用廣 角透鏡射出時，向TSV射入的光的入射角大於通孔的直徑，因此實質上射入TSV內的光量少，光無法到達底面。於是，實際上無法檢測TSV。

而且，即使替換光源，使得到達底面的光強變強，也需要在TSV的形成方向上按每規定的距離檢測向TSV射出的光的焦點，因此檢測時間較長，結果資料的容量也變得很大，導致整體系統過載。

本發明的課題係解決上述習知的問題，其目的是提供一種TSV檢測用干涉系統及利用它的檢測方法，該系統及方法在進行TSV檢測時，使用將光的焦點調節至TSV的入口和底面的可變型視場光闌，檢測TSV的直徑及深度，從而降低檢測時間及結果資料的容量。

本發明的另一目的為提供一種TSV檢測用干涉系統及利用它的檢測方法，該系統及方法利用使射入TSV的光轉為實質性的直線光的遠心透鏡，即使在如TSV，縱橫比大的情況下也能確保到達底面的光量，從而提高檢測精度。

上述課題可透過本發明的以下技術方案來解決，本發明的TSV檢測用干涉系統，包括：分光器，接收由光源生成的光，並將其分為相互垂直的第一方向和第二方向的光而輸出，並且結合從所述第一方向和第二方向輸入的光後將其作為結合光輸出；反射鏡和形成有至少一個TSV的檢測對象，分別配置在所述第一方向或所述第二方向，接收從所述分光器輸出的輸出光後向所述分光器反射；攝像裝置，接收從所述反射鏡及所述檢測對象反射並從所述分光器輸出的結合光，透過所述結合光形成形成干涉信號；物 鏡，位於所述分光器和所述攝像裝置之間，或位於所述分光器和所述檢測對象之間；及可變型視場光闌，位於所述分光器和所述攝像裝置之間，將向所述檢測對象分割的光的焦點調節到所述TSV的入口即基準位置和所述TSV的底面即可變位置，根據在所述基準位置上的干涉信號和在所述可變位置上的干涉信號，檢測所述通孔的直徑和深度。

在此，從所述物鏡輸出的光可為直線光，所述物鏡可為遠心透鏡。

而且，所述可變型視場光闌可包括：第一開口，使得由所述分光器分割的光在TSV的入口即基準位置聚焦；第二開口，使得由所述分光器分割的光在所述TSV的底面即可變位置聚焦。

此時，所述第一開口的大小可為14mm到10mm，所述第二開口的大小可為4.5mm到0.1mm。所述第一開口和所述第二開口的大小可根據所述孔的深度或直徑而改變。

另一方面，利用所述TSV檢測用干涉系統的檢測方法可包括以下步驟：

使焦點形成於在所述檢測對象上形成的TSV的入口即基準位置上；生成光並透過所述分光器分割光，接收並結合所反射的光並透過所述攝像裝置形成第一干涉信號；調節可變型視場光闌，以使焦點形成於在所述檢測對象上形成的TSV的底面即可變位置上；生成光並透過所述分光器分割光，接收並結合所反射的光並透過所述攝像裝置形成第二干涉信號；以及分析所述第一干涉信號及所述第二干涉信號，以檢測所述TSV的直徑和深度。

此時，向所述檢測對象輸出的光可為直線光。

根據本發明，提供一種TSV檢測用干涉系統及利用它的檢測方法。該系統及方法在檢測TSV時，使用將光的焦點調節至TSV的入口和底面的可變型視場光闌檢測TSV的直徑及深度，從而縮短檢測時間並減少結果資料的容量。

另外，本發明提供一種TSV檢測用干涉系統及利用它的檢測方法。利用使射入TSV的光成為實質性的直線光的遠心透鏡，即使在如TSV，縱橫比大的情況下也能確保到達底面的光量以提高檢測精度。

在多個實施例中，對於具有同樣的結構的構件使用同樣的附圖標記，並在第一實施例中進行代表性的說明，在其他實施例中說明與第一實施例不同的結構，合先叙明。

以下，參照圖式詳細說明本發明的第一實施例的TSV檢測用干涉系統。

圖2為本發明的第一實施例的TSV檢測用干涉系統示意圖。參照圖2，根據本發明的第一實施例的TSV檢測用干涉系統包括光源10、分光器20、反射鏡30、物鏡50、攝像裝置60、中繼鏡70和可變型視場光闌80。

所述光源10為決定干涉系統的深度分辨率和透射深度的重要因素，可為相干長度(coherence length)短的寬帶光源。

具體可為LED(Light Emitting Diode)、超發光二極體(SLD,superluminescent diode)，鹵素燈、超短脈衝雷射器和光子晶體光纖(PCF,photonic crystal fiber)等連續光光源，也可為為了能夠快速獲得圖像，在寬帶範圍內頻率快速變化的掃頻雷射器(frequncy-sweeping laser)-傅立葉域鎖 模雷射器(Fourier domain mode-locked laser source)。

此外，也包括相干長度長且具有短波長的雷射器或LED等。

所述分光器20(Beam Splitter)設置為由光源10生成的光被射入後將其分割為相互垂直的第一方向和第二方向的光而輸出，並且將由後述的反射鏡30及檢測對象40反射後輸入的光結合成結合光後輸入。

所述反射鏡(mirror)30和所述檢測對象40分別配置在第一方向或第二方向，並被設置為從分光器20輸出的輸出光被輸入後反射到分光器20。

如圖所示，所述反射鏡30設置在第一方向即分光器20的右側，所述檢測對象40位於對於第一方向垂直的第二方向即分光器20的下方。

所述物鏡50由遠心透鏡構成，所述遠心透鏡在內部具有多個透鏡，將所射入的光以直線(平行)光的形式輸出，所述物鏡50設置於分光器20和將在後面敘述的攝像裝置60之間或者分光器20和檢測對象40之間。

在本發明中，從物鏡50輸出的輸出光以直線光的形式輸出，因此於習知不同地，可位於分光器20和攝像裝置60之間，在本實施例中設置於分光器20和攝像裝置60之間。

由於使用由遠心(telecentric)透鏡構成的物鏡50，因此與習知的使用廣角透鏡等情況相比，即使在檢測對象40的TSV41的縱橫比大的情況下，光量也能到達TSV41的底面。

所述攝像裝置60為通常的CCD照相機，接收從反射鏡30及檢測對象40反射並經過分光器20而結合的結合 光，並形成干涉信號。

而且，透過規定的分析裝置分析從攝像裝置60獲得的干涉信號，從而基於干涉信號，能夠檢測檢測對象40的直徑和深度。

所述中繼鏡70位於攝像裝置60和將在後面敘述的可變型視場光闌80之間，用於傳遞光。

在所述可變型視場光闌(field stop)80可形成有第一開口81和第二開口82。其中，第一開口81形成為其具有在檢測對象40的TSV41的入口即基準位置聚焦分割光的大小，第二開口82形成為其具有在檢測對象40的TSV41的底面即可變位置聚焦分割光的大小。

在本實施例中顯示可變型視場光闌80形成為具有兩個開口的形狀，但可形成為在一般的照相機中使用的光圈形狀，從而能夠調節開口。

而且，可變型視場光闌80與具有規定的電動機的驅動裝置(未圖示)連接，從而使第一開口81和第二開口82的位置移動。

改變第一開口81和第二開口82的位置並獲得基準位置上的干涉信號和可變位置上的干涉信號，結合所獲得的各干涉信號的結果，以檢測在檢測對象40形成的TSV41的深度或寬度。

接下來，說明利用上述TSV檢測用干涉系統的檢測方法。圖3為利用本發明的第一實施例的TSV檢測用干涉系統的檢測方法的算法，圖4為在視場光闌的移動時的工作狀態圖。

參照圖3，首先在如圖2的準備狀態下使可變型視場光 闌80的第一開口81位於使得光在檢測對象40的TSV41的入口即基準位置上形成焦點的位置(S10)。

而且，由光源10生成光，並透過分光器20分割光後輸出，透過檢測對象40的TSV41的基準位置和反射鏡30反射的光透過分光器20結合並在攝像裝置60形成第一干涉信號(S20)。

接下來，如圖4，使光透過可變型視場光闌80的第二開口82，並在TSV41的底面即可變位置形成分割光的焦點(S30)。

而且，由光源10生成光，並透過分光器20分割光而輸出，並透過檢測對象40的TSV41即基準位置和反射鏡30反射的光透過分光器20結合並在攝像裝置60形成第二干涉信號(S40)。

透過設置有分析干涉信號的分析程序的分析裝置，將形成於攝像裝置60的第一干涉信號和第二干涉信號結合，以檢測TSV41的直徑和深度(S50)。

如上所述，只透過TSV41的基準位置和可變位置的TSV41這兩次檢測，即能檢測TSV的直徑和深度，因而顯著減少結果資料的容量，能夠防止系統過載。

而且在以前，物鏡50由廣角物鏡等構成，因此無法檢測縱橫比大的TSV，但在所述物鏡50改為遠心透鏡後，能夠顯著地增加流入TSV內部的光量，因此能夠進行檢測。

實驗例1

準備形成有TSV的基板，並使用常規掃描電子顯微鏡獲得如圖5所示的SEM(Scanning Electron Microscope)圖像，從所述SEM圖像直接測量TSV的直徑及深度。

之後，透過圖1所示的使用壓電傳感器的習知干涉系統，將TSV分為一定區間後進行連續掃描，並檢測TSV的直徑及深度。

而且，透過本發明的TSV檢測用干涉系統的可變型視場光闌80，將焦點調節至TSV的入口即基準位置(Top CD)，以獲得第一干涉信號，透過可變型視場光闌80將焦點調節至TSV的底面即可變位置(Bottom CD)，以獲得第二干涉信號，並透過規定的分析程序檢測TSV的直徑及深度。

所述SEM圖像和利用習知的干涉系統及本發明的TSV檢測用干涉系統的檢測值如下。

透過SEM圖像，實測到TSV的入口直徑(Top CD)為7μm，TSV的底面直徑(Bottom CD)為6μm，TSV的深度為55μm。

使用習知干涉系統進行檢測時，TSV的入口直徑(Top CD)檢測為7.0358μm，但在TSV的底面沒有形成干涉信 號，因此無法檢測。由此，TSV的深度也無法檢測。

此外，使用本發明的TSV檢測用干涉系統進行檢測時，TSV的入口直徑(Top CD)為7.1556μm，TSV的底面直徑(Bottm CD)為6.1118μm，此時的深度(Height)的檢測值為-53.2293μm。

在此，使用本發明的干涉系統的通孔檢測裝置的基準位置於基板表面，因此出現負(-)值。

使用本發明的TSV用干涉系統檢測TSV的結果，能夠檢測使用習知干涉系統元法檢測的TSV的底面，由此也能夠檢測TSV的深度。

此時，本發明的TSV用干涉系統的檢測值雖然跟實測值有些許差距，但這是允許公差範圍內的值，因此實質上可視為同樣的值。

實驗例2

準備具有與實驗例1不同形狀的TSV的基板，以與實驗例1同樣的方法進行實驗，獲得如圖6的SEM圖像並實測TSV，利用如圖1的習知干涉系統及本發明的TSV檢測用干涉系統進行檢測，獲得如下的檢測值。

如實驗例1，實驗例2中檢測到更接近實測值的值，這是因為TSV的直徑越大，檢測值越準確。

另外確認到，隨著TSV直徑的增大，利用習知的干涉系統也能進行檢測，但其檢測值的準確度明顯低於本發明。

因此，當使用本發明的TSV檢測用干涉系統進行TSV檢測時，透過視場光闌將光的焦點調節至TSV的基準位置和可變位置，能夠比習知更加準確地進行檢測。

此外，本發明的TSV用干涉系統檢測TSV的入口及底面這兩處，但習知干涉系統需要將TSV分成一定的區間後進行連續的檢測，結果是，本發明的干涉系統能夠顯著地降低結果資料的容量。

本發明的權利範圍並不限於上述實施例，在所附的申請專利範圍的記載範圍內可實現為多種形式的實施例。在不脫離申請專利範圍所要求保護的本發明精神的範圍內，本發明所屬技術領域中具有一般知識的人均能變形的各種範圍也應屬於本發明的保護範圍。

10‧‧‧光源

20‧‧‧分光器

30‧‧‧反射鏡

40‧‧‧檢測對象

41‧‧‧TSV

50‧‧‧物鏡

60‧‧‧攝像裝置

70‧‧‧中繼鏡

80‧‧‧可變型視場光闌

81‧‧‧第一開口

82‧‧‧第二開口

110‧‧‧光源

120‧‧‧分光器

130‧‧‧反射鏡

140‧‧‧檢測對象

150‧‧‧CCD

160‧‧‧物鏡

170‧‧‧物鏡

180‧‧‧壓電傳感器

圖1為白光干涉系統的示意圖。

圖2為本發明的第一實施例的TSV檢測用干涉系統的示意圖。

圖3為利用本發明的第一實施例的使用TSV檢測用干涉系統的檢測方法的算法。

圖4為視場光闌移動時的工作狀態圖。

圖5為TSV在各實驗例中的SEM圖像。

圖6為TSV在各實驗例中的SEM圖像。

110‧‧‧光源

120‧‧‧分光器

130‧‧‧反射鏡

140‧‧‧檢測對象

150‧‧‧CCD

160‧‧‧物鏡

170‧‧‧物鏡

180‧‧‧壓電傳感器

Claims (7)

1. 一種直通矽晶穿孔檢測用干涉系統，其特徵在於包括：分光器，接收由光源生成的光，並將其分割為相互垂直的第一方向和第二方向的光而輸出，並且結合從所述第一方向和第二方向輸入的光後將其作為結合光輸出；反射鏡和形成有至少一個直通矽晶穿孔的檢測對象，分別配置在所述第一方向或所述第二方向，接收從所述分光器輸出的輸出光後向所述分光器反射；攝像裝置，接收從所述反射鏡及所述檢測對象反射並從所述分光器輸出的結合光，透過所述結合光形成形成干涉信號；物鏡，位於所述分光器和所述攝像裝置之間，或位於所述分光器和所述檢測對象之間；及可變型視場光闌，位於所述分光器和所述攝像裝置之間，將向所述檢測對象分割的光的焦點調節到所述直通矽晶穿孔的入口即基準位置和所述直通矽晶穿孔的底面即可變位置，根據在所述基準位置上的干涉信號和在所述可變位置上的干涉信號，檢測所述通孔的直徑和深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之直通矽晶穿孔檢測用干涉系統，其中從所述物鏡輸出的光為直線光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之直通矽晶穿孔檢測用干涉系統，其中所述物鏡為遠心透鏡。
4. 如申請專利範圍第1項所述之直通矽晶穿孔檢測用干涉系統，其中所述可變型視場光闌包括：第一開口，使得由所述分光器分割的光在直通矽晶穿孔的入口即基準位置聚 焦；第二開口，使得由所述分光器分割的光在所述直通矽晶穿孔的底面即可變位置聚焦。
5. 如申請專利範圍第4項所述之直通矽晶穿孔檢測用干涉系統，其中所述第一開口的大小為10mm到14mm，所述第二開口的大小為0.1mm到4.5mm。
6. 一種利用直通矽晶穿孔檢測用干涉系統的檢測方法，生成光並透過分光器分為相互垂直的第一方向和第二方向的光而輸出，所輸出的輸出光在分別配置於所述第一方向和所述第二方向的反射鏡和檢測對象反射後，被輸入於所述分光器並被結合，從而在攝像裝置裏形成干涉信號，所述檢測方法的特征在於，包括以下步驟：使焦點形成於在所述檢測對象上形成的直通矽晶穿孔的入口即基準位置上；生成光並透過所述分光器分割光，接收並結合所反射的光並透過所述攝像裝置形成第一干涉信號；調節可變型視場光闌，以使焦點形成於在所述檢測對象上形成的直通矽晶穿孔的底面即可變位置上；生成光並透過所述分光器分割光，接收並結合所反射的光並透過所述攝像裝置形成第二干涉信號；以及分析所述第一干涉信號及所述第二干涉信號，以檢測所述直通矽晶穿孔的直徑和深度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之利用直通矽晶穿孔檢測用干涉系統的檢測方法，其中向所述檢測對象輸出的光為直線光。