TWI539148B - 圖案化結構之量測用的光學系統與方法 - Google Patents

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Description

圖案化結構之量測用的光學系統與方法
本發明一般上係屬光學量測技術領域，且係關於用以在圖案化結構(例如具有穿孔的半導體晶圓)中進行量測的光學系統與方法。
隨著半導體技術演進，縮小元件尺寸已變成日漸複雜的工作。克服此困難的一個方式，係藉由利用多個半導體元件(晶片)的垂直整合。這使得每個單元(例如在記憶體應用中)較大的元件數量及不同功能晶片的整合成為可能，藉此能夠達到混合系統(例如感測器和記憶體)的較佳效能。
開發中的垂直整合的一個方法，係基於矽晶穿孔(TSV,Through Silicon Via)。TSV係完全穿過一矽晶圓或晶粒的垂直電連接(穿孔)。因為穿孔的密度實質上較高且連接的長度較短，所以TSV係產生3D封裝和3D積體電路的高效能技術(與例如疊合式封裝之其他替代技術比較)。根據TSV，導電柱係形成於矽基板之內，其之後被用以接觸後續的晶片。為了電連接在不同層的構件，使用TSV技術以提供電互連且提供機械式支撐。在TSV技術中，將一穿孔形成於具有不同的主動積體電路元件、或由半導體製程所製造的其他元件的矽晶片之中，且將該穿孔以例如Cu、Au、W之金屬、焊料、或例如多晶矽之高摻雜半導體材料加以填充。接著，設有該等穿孔的多個構件被堆疊且接合在一起。
在TSV製程中的一個關鍵步驟係穿孔形成，其中將接觸點的圖案蝕刻至矽晶片之中。為了維持所需的穿孔品質，控制穿孔的深度和輪廓二者是必要的。
在該技術領域中，需要一嶄新的技術，以在TSV製程 期間，監控所產生之圖案特徵的參數，特別是監控所產生之穿孔的深度。
TSV係由深度矽蝕刻(deep silicon etch)所產生，其在矽晶片中產生具有高深寬比之垂直的孔。依據特定所欲之應用與整合方式，TSV可具有不同的截面，且可具有圓形、正方形、八角形、或環形形狀。穿孔實際上呈現狹窄的溝槽，即高深寬比溝槽，亦即是穿孔深度(高度)和寬度(截面尺寸)之間的高比例。典型的穿孔的截面尺寸(穿孔直徑)係在1-50 μm之範圍，且深度係上至200 μm，提供上至20：1的深寬比。蝕刻之後，將一薄的絕緣層(稱為「襯層(liner)」)置於穿孔的內部，而在該步驟之後，使限制Cu原子擴散的另一層(「阻障層(barrier)」)成長，且接著成長一薄的金屬層，其稱為「種晶層(seed)」，俾以增進形成該接觸點之銅的沉積製程。由於這些薄層的小缺陷、不均勻性、及間隙可損害TSV功能，所有這些薄層的特性亦非常令人關注。
為了確保可靠且可重複的整合製程，需要監測若干重要的穿孔輪廓參數，並且控制例如穿孔深度、頂部直徑、側壁角度、側壁波紋(即由於TSV製程在穿孔壁上出現的振盪鋸齒狀圖案)、底部直徑、及頂部底切之此等參數。在這方面，參照圖1，其圖示說明一個穿孔10的輪廓。
如所示，穿孔10通常由上述之頂部直徑、底部直徑、深度、及側壁波紋所界定。穿孔深度應該超過在晶片堆疊中層的最終預定厚度，使得在薄化晶圓之後，該穿孔在晶片的兩側之間形成連接。側壁波紋應該儘可能地減少，以提供實質上平滑的側壁輪廓。「平滑的」穿孔之側壁是必須的，以確保最佳的穿孔填充。頂部和底部直徑通常界定側壁角度。在接下來的製造步驟中，TSV的塗佈和填充製程需要有良好角度控制的側壁。此外，為了保障互連的良好導電特性，必須維持有效的底部直徑。換言之，需要維持側壁斜度非常接近垂直。蝕刻製程的一個可能結果係產生在穿孔頂部邊緣處的底切(頂部底切)。此種底切可能損害之後的填充製程。其他受關注的參數係關於在形成穿孔之後進行的塗佈或 其他製程，其在穿孔壁上形成薄層。在任何情況下，在該產業中需要控制這些層的厚度，因此需要對其進行量測。
一般而言，可利用若干已知技術判定穿孔頂部直徑，舉例來說，該等技術包含：明視野光學成像(bright-field optical imaging)，其中光線係垂直地入射穿孔區域，且對經鏡面反射的光線加以偵測及分析。然而，此種垂直入射明視野成像無法用於穿孔之穿孔深度資訊，特別是具有高深寬比之穿孔，其對於TSV是普遍的。其他建議用以判定穿孔深度的常見方式係基於干涉法。
隨著穿孔頂部直徑減小，到達穿孔底部的光訊號降低，導致量測深且窄的穿孔上之重大困難。此外，當量測具有小的穿孔頂部直徑之結構時，受照射點一般大於頂部直徑，因此以明視野模式所偵測的光線主要係由自穿孔之外結構的頂部表面所反射的光線所貢獻，因而更進一步降低穿孔底部的有效偵測。在這方面，必須注意以下所述。
量測穿孔深度的一個可能的方式係藉由頻譜反射量測術(spectral-reflectometry)。在此方法中，光線被聚焦於穿孔區域上(通常由頂部(即垂直入射模式))，且由穿孔底部和晶圓頂部表面二者被反射。或者，可將IR光線(在Si係可穿透之波長範圍)由下方入射晶圓，且對由穿孔底部和晶圓表面反射的光線加以量測。
自穿孔底部反射的光線與自晶圓表面反射的光線之間的干涉訊號/圖案，可表示為頻譜響應中的快速振盪：方程式1：A(k) A 0(k)+A 1(k)cos(2Dk)其中A係反射頻譜；k=2π/λ係光線波數；A 0 和A 1 係k的緩慢變化函數(slow-varying function)，其主要由自介面的反射強度所確定；且D係穿孔深度。如方程式1所示，頻譜振盪具有於k之特定週期性，其由2D給定。這個關係適用於寬的穿孔，但對於具同等於或小於所使用波長的典型直徑之穿孔，則必須加以修正，如以下所說明。
本案發明人發現，使用頻譜反射量測術方法量測具高深 寬比穿孔(在高階半導體元件所需)之結構的難題之一，係關聯於自穿孔底部所反射的光線與自晶圓表面所反射的光線之不同強度。一般而言，由穿孔所產生之快速振盪的振幅，係由自穿孔底部反射至偵測器之光線量所決定。相反地，所測得的雜訊係由全部測得訊號加以決定，主要由自晶圓表面的反射所決定。這兩個值之間的小比例限制量測高深寬比穿孔深度的能力。
此外，本案發明人發現，使用頻譜反射量測術之中的暗視野偵測模式(dark field detection mode)雖然能夠判定穿孔側壁的輪廓，但可能無法提供關於穿孔深度的足夠資訊。這是因為純的暗視野偵測模式實際上將自穿孔底部和晶圓表面返回的光線的鏡面反射成分濾除。穿孔底部不是「平坦的」，即並非全然地平行於晶圓表面，而應是彎曲的，且因此對入射光線之穿孔底部的光響應係由鏡面反射和散射成分二者所形成。
本發明的技術係基於使用嶄新的所謂的「灰視野(gray-field)」量測方式，以適當地修正上述二個因素之間的關係，即在所偵測訊號中的鏡面反射和散射成分之間的關係。這個方式利用上述提及穿孔底部不是「平坦的」之實際狀況，此狀況使自穿孔底部反射/返回的光線具有與入射光不同的方向和偏振性，且因此亦不同於保持入射光之方向和偏振性之自晶圓表面鏡面反射的光線。
本發明的灰視野量測技術利用結構(晶圓)之受照射含穿孔區域的光響應之鏡面反射成分的選擇性衰減，其中此種衰減產生一灰視野偵測條件，其呈現光響應訊號之預定的暗和明視野組合偵測條件(combined dark and bright field detection condition)。這個暗和明視野組合偵測條件係使得包含自晶圓表面和自穿孔底部鏡面反射的光線、及自穿孔底部和穿孔側壁散射的光線之此經選擇性衰減的光線，包括由散射光所形成的第一光線部分、及由鏡面反射所形成的第二光線部分，且第一和第二光線部分的強度之間具有預定的比例。
所測得的資料係以頻譜特徵(spectral signature)之形 式，該頻譜特徵係由偵測選擇性衰減光線所形成。當對應至暗和明光響應成分之間所需比例時，此頻譜特徵提供所測得資料的適當分析，以判定表示受照射穿孔的至少一個參數(特別是穿孔深度)的資料。此種分析可包含頻譜分析，其基於在以穿孔底部的光響應為特徵之頻譜特徵頻率中進行識別，從而擷取該穿孔的側壁的光響應。
吾人應注意到，本發明的量測技術，可實行於一單獨的結構、或類似元件的陣列。
因此，根據本發明一個廣義的實施態樣，提供一種光學系統，用於量測具有穿孔的圖案化結構。該系統包含：一照射通道，用於將照射的光線傳播至受測結構之上；一偵測通道，用於收集自受照射的該結構返回至一偵測單元的光線；及一衰減組件，容納於該照射和偵測通道之中，且建構成可操作用於選擇性衰減沿著該偵測通道傳播的光線，該衰減產生經選擇性衰減的光線的一預定條件，該預定條件係藉由在該經選擇性衰減的光線中對應一暗視野條件的一第一光線部分與對應一明視野條件的一第二光線部分之間的預定比例所定義，所測得之經選擇性衰減的光線因而表示受照射之穿孔的至少一個參數。
如上所示，該第一和第二光線部分分別對應實質上散射光線和實質上鏡面反射光線。
該照射通道較佳包含一寬頻光源，且該偵測通道較佳包含一頻譜儀，所測得的光線係在一頻譜特徵的形式。該頻譜特徵至少表示受照射穿孔的深度。
此外，該照射和偵測通道較佳根據一垂直入射模式加以建構。
在若干實施例中，該衰減組件建構成可操作用於至少影響沿著該照射和偵測通道通過之光線的偏振性。舉例來說，該衰減組件包含第一和第二偏振器，該第一和第二偏振器係容納於該照射和偵測通道之中且各自具有偏振面，該等偏振面之間形成預定的銳角。該銳角較佳接近90度，舉例來說，大於70度。將該 預定的銳角加以選擇，俾使該第一和第二光線部分的強度在相同的大小等級。
該衰減組件可包含：第一和第二偏振器，分別容納於該照射和偵測通道中且具有偏振面，該等偏振面定向成形成該預定的銳角，及一共同的相位延遲器，容納於該照射和偵測通道之中，且相對於自該結構沿著該偵測通道返回之光線的傳播方向，位於該第二偏振器的上游。
在另一可能的範例中，該衰減組件可包含一共同的偏振器和一共同的相位延遲器，以一隔開的關係二者皆容納於該照射和偵測通道的一共同的部分。該偏振器係相對於照射光線沿著該照射通道至該結構的傳播方向，位於該相位延遲器的上游。
在本發明的若干實施例中，該衰減組件建構成可操作用於將該照射和偵測通道二者部分地遮蔽。該衰減組件可包含具有一預定透射圖案的一遮罩，該透射圖案建構成提供該第一和第二光線部分的強度之間的該預定比例。該遮罩可位於與該照射和偵測通道交叉的一平面。在一替代範例中，該衰減組件可包含具有互補圖案之第一和第二遮罩，各圖案係由相對於該第一和第二光線部分之不同光透射的區域所形成。
該遮罩具有相對於該第一和第二光線部分不同透射之兩個以上的區段。
該光學系統可與一控制單元結合(連接)，該控制單元建構成可操作用於接收表示該偵測通道中經選擇性衰減的光線的量測資料(例如頻譜特徵)，及處理該量測資料以判定該穿孔的至少一個參數。
該光學系統可結合/連接至一控制單元，其建構成可操作用於選擇性操作該衰減組件，以選擇性地將該衰減組件變換至對應該預定暗和明視野組合偵測條件的一操作模式。該控制單元可建構成可操作用以進一步地在以下額外的模式其中任一者下操作該衰減組件：一明視野偵測模式、一暗視野偵測模式、及暗和明視野中間混合偵測模式。
根據本發明另一廣義實施態樣，提供一種光學量測方法，用於具有穿孔的圖案化結構之光學量測，該方法包含選擇性衰減自一受照射含穿孔區域返回的光線，該衰減產生一預定的暗和明視野組合偵測條件，俾使該經選擇性衰減的返回光線包含對應一暗視野條件的一第一光線部分及對應一明視野條件的一第二光線部分，該第一和第二光線部分的強度之間具有一預定比例，該經選擇性衰減的返回光線因此表示受照射穿孔的至少一個參數。
根據本發明又另一實施態樣，提供一種光學量測方法，用於具有穿孔的圖案化結構之光學量測，該方法包含：提供一光學系統，其建構成可操作用於以一明視野偵測模式及一暗視野偵測模式執行光學量測；及選擇性操作該光學系統，以施加一衰減模式，其將自受照射含穿孔區域的返回光線選擇性衰減，從而建立該經衰減的返回光線的預定暗和明視野組合偵測條件，俾使該經衰減的返回光線包含對應一暗視野條件的一第一光線部分、及對應一明視野條件的一第二光線部分，該第一和第二光線部分的強度之間具有一預定比例，該經衰減的返回光線因此表示受照射穿孔的至少一個參數。
圖1圖示描述一典型的穿孔輪廓，其定義頂部直徑、底部直徑、深度、及側壁波紋等參數。
如上所示，本發明係用於利用一量測模式量測/監控一個以上上述參數，特別是穿孔深度參數，該量測模式係與自量測中的結構(晶圓)的受偵測光線之暗和明視野組合偵測條件相對應。如以下進一步說明的，這個組合量測模式可選擇性地執行(實施)。
圖2藉由方塊圖，說明一量測系統100，包含一光學系統102，其根據本發明建構成可用於量測具有穿孔的圖案化結構(例如半導體晶圓)中。光學系統102包含：照射通道C1，用於 將所照射的光線L1引導至受測結構；偵測通道C2，用於將自受照射結構返回的光線L2所形成的光線加以收集並引導朝向偵測單元22；及衰減組件50。必須注意的是，照射和偵測通道C1和C2可部分地重疊。較佳是，這些通道係根據一垂直入射模式加以建構。
也必須注意的是，安裝於光學系統102的偵測通道中的偵測單元22，可由一偵測器(例如具有其相關聯的光學器件)、或一光學窗或導光組件(其將自該結構返回的光線導向安裝在系統100的外殼之外的偵測器)所構成。如圖所示，該照射通道包含一光源12，其類似地可由安裝在系統100外殼內部的發光組件、或一光學窗、或導光組件(其將光線由外部發光組件加以引導)加以構成。光源12係建構成產生寬頻照射，並且偵測單元22係包含/連結於一頻譜儀。所測得受照射區域的光響應因此係呈頻譜特徵之形式。
衰減組件50包含一個以上光學組件/裝置，在圖2之非限定性範例中所示之兩個此等組件50A及50B係容納於照射和偵測通道C1和C2之中。衰減組件50(總共一個以上組件)係用於將沿著偵測通道傳播的光線衰減，以產生受偵測光線的預定灰視野條件。因此，光學裝置適當地將自光源12沿著照射通道C1傳播的照射光線L1加以衰減，且將經衰減的光線L(mod) 1入射至晶圓上含穿孔區域。照射光線的衰減可能不必然包含影響光的強度，但是包含影響照射光線的光學特性，以能夠進行如上所述之返回光線的選擇性衰減(selective attenuation)。因此，在關係到照射光線時，術語「衰減」應妥善地加以解讀。於是，自受照射區域返回的光線L2沿著偵測通道C2傳播，且受到組件50B的選擇衰減。如此產生的經衰減的光線L(mode) 2沿著偵測通道C2向偵測單元22傳播。衰減組件50係建構成可操作用於產生(例如選擇性地)沿著偵測通道傳播的經衰減的光線L(mode) 2之預定的暗和明視野組合偵測條件。這個條件係該經衰減的光線L(mode) 2包含對應於暗視野條件的一第一光線部分、及對應於明視野條件的一第二光線部分，且二者之間具有一預定的關係/比例。後者係對應自穿孔底部 和自晶圓頂部表面返回之光線的強度之間的一預定比例。
在量測系統100中更設有用於接收和分析表示所偵測之經選擇衰減的光線L(mode) 2之量測資料(頻譜特性)的一控制單元24，其經由配線或無線訊號傳輸，可連接至偵測器22(在圖示中其被例示為安裝在光學系統102的外殼中)的輸出。控制單元24典型上係一電腦系統，其尤其包含例如資料輸入和輸出設備26、記憶體28、處理器30等功能設備，且亦可能包含一顯示器32。若衰減組件/裝置至少其中之一係用於選擇調整衰減程度的一可調式元件，控制單元24亦可包含一衰減控制器34，並且控制單元也可包含一照射控制器35和/或偵測控制器37。
如上所示，預定灰視野偵測模式可被選擇性地建立。舉例來說，可將光學系統102最初操作於明視野偵測模式、或暗視野偵測模式、或明和暗視野偵測模式二者(混合模式)，且可選擇性地(例如在量測中辨識到若干結構的條件/參數時)由該模式變換至灰視野偵測模式。為此，衰減組件可能為可變換於非操作位置(亦即是，在照射和偵測通道之外，或在該等通道中但不影響經過該組件的光傳播)與操作位置(在該位置該組件影響通過的光線)之間。
以下係本發明之光學系統102構造的若干範例。為了有助於理解，使用相同的參考符號識別所有範例中共同的構件。在這些範例每一者中，光學系統界定照射和偵測通道C1和C2，且建構成產生上述待偵測之經衰減光線L(mode) 2的暗和明視野組合偵測條件，即對應暗視野條件的受測光線的第一光線部分的強度和對應明視野條件的受測光線的第二光線部分的強度之間的預定關係/比例。
在本發明的若干實施例中，衰減組件50係建構成可操作用於至少影響沿著照射和偵測通道通過之光線的偏振性。這描述於圖3A-3B及4。
在圖3A的範例中，衰減組件50包含在照射通道C1之中的偏振器50A及在偵測通道C2之中的檢偏器50B。偏振器50A 影響照射光線L1的偏振性，從而產生入射至結構上的偏振光L(mod) 1。檢偏器50B具有一偏振面，其相對於偏振器50A的偏振面定向在一預定的銳角。這個銳角係接近90度，例如70度或更高的角度。這個角度較佳被選擇為使鏡面反射和散射光線部分的強度在相同的大小等級。
使用藉由影響光線偏振性之光線的選擇性衰減，係基於以下所述：自晶圓表面鏡面反射的光線保持其原來的偏振性，且因此在通過檢偏器50B(其偏振面係定向於相對偏振器之偏振面的一預定銳角)之後，該光線在一定程度上受到阻擋。然而，自穿孔底部反射的光線的偏振分布係不同的，且自穿孔底部(其非平坦的)散射和自側壁散射的光線之偏振分布係顯著地不同，使得較大部分自穿孔底部反射的光線可通過檢偏器50B，且僅一小部分自側壁返回的光線可通過該檢偏器。結果，自晶圓表面反射的光線和自穿孔底部反射的光線之間的比例被適當地調整，且與所引發的雜訊相比，振盪穿孔訊號變得較強。
更具體而言，參照圖3A，系統102包含光源12(其可由發光裝置或連結外部發光器的導光單元所構成)、偵測單元22、及光線的衰減組件50。在該光學系統中亦設有光線收集/引導裝置15。在本範例中，照射和偵測通道係部分地重疊。因此，容納於照射和偵測通道C1和C2的共同部分之中的光線收集/引導裝置15，包括分束器16和共同的聚焦光學器件(物鏡)18。來自光源12的光線L1沿著照射通道C1傳播，且藉由偏振器50A加以偏振化，並且所產生的偏振光L(mod) 1被分束器16反射而朝向物鏡18，其將光線聚焦至量測中結構S的含穿孔區域。自受照射區域反射(返回)的光線L2沿著偵測通道C2傳播，其藉由光學器件18聚焦至分束器16且從而傳送至檢偏器50B，其如上所述實行所通過之光線的選擇性衰減。如此產生之經選擇性衰減的光線L(mod) 2傳播至偵測單元22。
如上所示，檢偏器50B的偏振面係定向在相對於偏振器50A的偏振面的某個角度。自晶圓表面反射的光線保持其偏振 性(對應明模式條件的第一光線部分)，且因此在一定程度上受檢偏器50B阻擋，同時由於自穿孔底部反射的光線的偏振分布係有些不同(對應暗模式條件之第二光線部分的一部分)，較大部分自穿孔底部反射的光線穿過檢偏器50B。至於由穿孔10的側壁返回的光線成分，其承受顯著的偏振性改變，且因此僅小部分的此光線(對應暗模式條件的第二光線部分的一部分)通過檢偏器50B。由於在經衰減光線中由鏡面反射和散射光線成分所形成的第一和第二光線部分之間所要求的比例，由第一和第二光線部分的強度的頻譜分布所形成的頻譜特徵表示該穿孔的深度。
如圖3B範例所示，灰視野模式(返回光線的暗和明視野組合偵測條件)可在衰減組件50中選擇性地使用一相位延遲器50C，其將光線偏振性旋轉一適當的角度，而偏振器50A和檢偏器50B具有實質上相同的偏振面定向。該系統以如下方式操作。
自光源12的光線L1穿過偏振器50A，且偏振光L(mod)’ 1被分束器16反射至相位延遲器50C，其將光線偏振性旋轉θ=45°，且如此產生的光線L(mod) 1被物鏡18聚焦到試樣上。返回(反射)光線L2被物鏡18聚焦至相位延遲器50C上，且其相位再度被旋轉45°，產生光線L(mod)’ 2，其接著通過位在偵測路徑C2的檢偏器50B(其具有定向成平行於入射路徑偏振器50A之偏振面的較佳偏振面)，產生經選擇衰減的返回光線L(mod) 2。如上所述，自晶圓表面鏡面反射的光線成分保持原本的偏振性，而自穿孔底部反射者具有有些不同的偏振性，且自穿孔側壁散射的光線具有顯著不同的偏振分布。所有這些光線成分受到延遲器的偏振性旋轉，且因此接下來由檢偏器50B所施加的選擇性衰減更進一步地在不同的光線成分之間予以區別。
藉由利用如下形式之一衰減組件50，可取得類似的功效，其中，如圖4所示，一單一偏振器50A，安裝於照射和收集路徑C1和C2共有的一處，而其後有一延遲器50C。此處，當光線由偏振器通過至晶圓，及在反射之後由晶圓返回至起偏器時，延遲器50C造成光線的偏振性旋轉。更具體而言，偏振器50A係位 於分束器16和相位延遲器50C之間。自光源12的光線L1穿過偏振器50A，且偏振光L(mod)’ 1被分束器16反射至相位延遲器50C，其將光線偏振性旋轉θ=45°，且所產生的照射光線L(mod) 1藉由物鏡18聚焦至試樣上。返回(反射)的光線由物鏡18聚焦至相位延遲器50C，且光線相位再度被旋轉45°，從而產生光線L(mod)’ 2，其接著通過在偵測路徑C2中的偏振器50A偏振器，從而產生經選擇衰減的反射光線L(mod) 2。利用這個構造，如上所述，當光線由偏振器通過而至晶圓或在反射後由晶圓回到偏振器時，延遲器造成光線的偏振性旋轉。由於在返回偏振器時鏡面反射光線之被旋轉的偏振性，鏡面反射光線(由晶圓表面返回的光線)因此幾乎被抑制。相反地，具有由試樣(穿孔底部和側壁)所旋轉之偏振性的光線，不會類似地受到偏振器所衰減。如同在偏振器-檢偏器裝置之中，這個設定能夠控制自晶圓頂部表面反射的光線和自穿孔底部反射的光線之相對貢獻量。
在本發明的若干實施例中，衰減組件50建構成可操作用於部分遮蔽照射和偵測通道二者，或換言之利用灰視野角度分布。這在圖5A中圖示說明。這個技術係基於確定對於遮罩上的大部分透明點，共軛點(對應至光線被反射所至之位置)係不透明的。如圖5A所示，結合物鏡18之遮罩(構成一衰減組件)的功效係使得物鏡18孔徑的一部分18A係不透明的，且其他部分18B係透明的。由平坦表面S鏡面反射的進入光線I1被反射進透鏡孔徑不透明部分18A之中的一點R，且因此被阻擋。然而，存在有小量的光線(例如I2)，其鏡面反射未被阻擋(由於相對於光傳播通道的遮罩圖案構造)，這些光線被反射/散射至透鏡的透明部分18B之中的點R’。因此，具有其傳播方向被試樣改變的光線，以及一預定的小部分自頂部表面反射的光線被收集，從而實行一灰視野量測。因此，例如藉由部分地阻擋入射光線路徑，光線係以限制的角度範圍入射晶圓表面。收集路徑亦被限制，有效地阻擋大部分的鏡面反射光線。相同地，將僅收集一小部分自頂部表面反射的光線。相反地，由於進入穿孔的光線的路徑被彎曲的穿孔 底部和穿孔壁所彎曲，較大部分進入穿孔的光線將會到達偵測器。
圖5B和5C顯示所測得之對照範例。圖5B顯示穿孔之明視野反射量測術量測，顯示自晶圓表面和自穿孔底部的反射之間干涉所導致的振盪，且圖5C顯示穿孔的灰視野反射量測術量測，其中將入射和所收集的光線的角度分布加以限制，將來自於自晶圓表面鏡面及射的光線之貢獻量降低。結果，快速頻譜振盪的對比度在灰視野量測中大幅增加。
灰視野角度分布可以各種方式加以提供。在這方面，參照圖6A到6C，其例示利用這個觀念的本發明的光學系統。如圖6A所示，將具有適當透射圖案的遮罩裝置50(構成一衰減組件)相對於入射光線傳播方向設置於聚焦光學器件18的上游，限制物鏡上受照射區域，從而限制入射晶圓角度的範圍。類似地，此遮罩部分地阻擋返回的光線，限制在偵測器處可接受之被反射的光線。更具體而言，自光源12的光線L1被引導至分束器16，其反射這個光線至遮罩50，且由該遮罩發出的經衰減的光線L(mod) 1被透鏡18聚焦至晶圓。反射的光線L2由物鏡18加以收集，且再度引導至遮罩50，從而產生經衰減的返回光線L(mod) 2，其經由分束器朝向偵測器22傳送。此遮罩部分地阻擋返回路徑，限制反射之後可接受之光線。
圖6B顯示遮罩裝置50的範例。遮罩的透射圖案係使些許小於半個孔徑的物鏡孔徑的一部分為不透明，如以上參照圖5A所述。
在圖6B所示遮罩50對實作而言是簡單的，但可能強烈地破壞左右對稱，這可能導致不期望的效應。舉例而言，此對稱破壞可能造成定向在水平或垂直方向上物件不同的敏感度。此效應可藉由利用一遮罩圖案一定程度上加以降低，該遮罩圖案中將視野分割成二個以上的部分。由物件表面的鏡面反射被部分地限制，如同與在返回路徑處被遮蔽區域共軛之在入射路徑的大部分透明區域。一般而言，可將視野分割成2n個楔形，且n係奇數(使得其可能具有成對之相對的透明和被阻擋部分)。這圖示說明 於圖6C中。就旋轉對稱性而言此設計是有益的，但可能較難以製造，且受到各透明部分需相當程度地寬於波長之條件(以避免衍射效應)所限制。
如以上所示，利用一單一遮罩以控制容許的光線路徑，可能導致旋轉對稱性的破壞，且可能導致有缺陷的加工品。一替代的技術可基於利用對照射和偵測通道中所容許光線路徑的分開遮蔽。這在圖7中加以例示，圖7顯示一光學系統102，其建構成大體上類似於圖3A的系統，但其中在照射和收集路徑C1和C2中不同的偏振器係以不同的照射和收集圖案(遮罩)加以取代，該照射和收集圖案(遮罩)較佳係位在物鏡18的後焦平面處或接近該後焦平面。
如圖7所示，來自光源12的光線L1穿過照射遮罩50A，且通過遮罩50A(主要通過其中心區域)所傳輸之經衰減的光線L(mod) 1被分束器16和物鏡18引導至晶圓S。自晶圓所反射的光線L2由物鏡18加以收集，且被分束器16傳送至收集遮罩50B。由穿過遮罩加以衰減的光線部分L(mod) 2(由主要傳輸通過遮罩50B的周邊部分的光線所形成)由偵測器22加以偵測。在這個實作中，入射光線路徑係部分地被遮罩50A所阻擋，該遮罩50A留下視野中央的圓形透明區域且阻擋在周圍的區域。阻擋中央圓形區域的共軛遮罩50B係在反射光線路徑C2中加以使用，俾以有效地衰減(阻擋)自晶圓中平坦水平表面所反射的光線，且收集自穿孔側壁及自穿孔底部的彎曲表面所散射的大部分光線。再者，為了降低明視野的貢獻量，將該等遮罩設計成具有重疊。與基於上述單一遮罩的方法相反，在這個方式中維持圓柱形對稱。
為了取得適當的灰視野而施加於明視野訊號的最佳消光(extinction)程度可如下而加以估計。考慮上述方程式1，當在方程式1中A 0 /A 1 1時，即當由晶圓頂部表面的反射所產生的訊號等於自穿孔底部反射者時，可取得深度引發頻譜振盪的最佳對比度。作為粗略的估計，假設自穿孔底部反射的光線係在其偏振性被任意地旋轉的狀況下而被反射。給定明視野訊號之一大的初始 比例A 0 /A 1 ，可使用具有相對於偏振器之偏振面定向於角度α之偏振面的檢偏器，其中角度α係：α=asin(sqrt(1-A 1 /A 0 )自晶圓頂部表面反射的光線受到一消光作用，其由以下給定：1-sin 2 (α)=A 1 /A 0 而且自穿孔底部反射的光線則沒有(或至少小得多)受到消光作用。結果，使兩個成分的最終相對反射強度近似，造成大幅增進的振盪可見度。舉例來說，若明視野振盪具有典型的對比度5%，可將檢偏器的偏振面旋轉至角度α 77°。通常，所觀察之明視野振盪具有在1-10%範圍之典型的對比度。
這個原理可應用於估計施加至光線角度分布的限制程度。假設穿孔以大幅放寬的角度範圍反射光線，該穿孔對容許反射方向的阻障較不敏感。如上所述，在這個狀況下分別存在兩個入射方向群組：對於入射方向的若干範圍Ω，鏡面反射係以偵測器加以收集。然而，對於其餘的入射方向(1-Ω)，此反射路徑係幾乎被阻擋的。當第一群組的光線貢獻自晶圓表面和穿孔底部二者的反射時，鏡面反射被顯著衰減的光線僅貢獻自穿孔側壁產生的訊號。因此，當Ω/(1-Ω) A 1 /A 0 時，對於穿孔深度偵測Ω是最佳化的。
因此，藉由利用影響入射和返回光線的一個以上特性在光學系統中的偵測通道中選擇性衰減光線而產生一有效的灰視野偵測模式，本發明提供用於判定穿孔深度之嶄新有效的技術。由於週期性振盪僅出現在波數頻譜中，可將正規頻譜(強度對波長)轉換成波數頻譜。在波數頻譜中強勁快速的振盪對應由穿孔底部和晶圓頂部表面所形成的干涉訊號/圖案。
將此振盪的可見度量化的一個方式係經由測得資料(頻譜特性)的頻譜分析。此分析提供頻譜特性中典型頻率存在之量化量測。此分析相當常見的工具係傅氏轉換(Fourier transform)，其中振盪產生傅氏頻譜上一明顯的銳峰。這個峰的位置係由振盪的頻率所決定，而如前所述該頻率係由TSV深度所決定。
應該理解的是，利用傅氏分轉換之快速振盪可見度的量化方法係一範例，且亦可利用許多頻譜分析的其他已知頻譜分析方法。這尤其包含例如用於諧波分解之Pisarenko及MUSIC演算法、Welch、Yule-Walker和Burg演算法、本徵向量頻譜分解法、以及許多其他技術。這些技術的原理就其本身而言係已知的，且因此不須詳細地加以說明。可使用任何此種方法以辨識和量化在測得訊號中快速頻率的存在，其對應於與穿孔深度一致的數值。應理解的是，對穿孔深度的粗略估計足夠用以確認預期此頻率所在的合理範圍。
10‧‧‧穿孔
12‧‧‧光源
15‧‧‧光線收集/引導裝置
16‧‧‧分束器
18‧‧‧聚焦光學器件(物鏡)
18A‧‧‧不透明部分
18B‧‧‧透明部分
22‧‧‧偵測單元(偵測器)
24‧‧‧控制單元
26‧‧‧資料輸入和輸出設備
28‧‧‧記憶體
30‧‧‧處理器
32‧‧‧顯示器
34‧‧‧衰減控制器
35‧‧‧照射控制器
37‧‧‧偵測控制器
50‧‧‧衰減組件(遮罩)
50A‧‧‧衰減組件(偏振器，遮罩)
50B‧‧‧衰減組件(檢偏器，遮罩)
50C‧‧‧相位延遲器
100‧‧‧量測系統
102‧‧‧光學系統
為了較佳地理解此處所揭露之申請標的，及例示實際上可能如何實施，利用僅為非限制性的範例，參照隨附圖式，對實施例加以說明，在隨附圖式中：圖1圖示說明一個典型的穿孔剖面圖，其顯示例如頂部直徑、底部直徑、深度、及側壁波紋之參數；圖2係根據本發明之量測系統的方塊圖，該量測系統建構成可操作用於執行灰視野偵測模式；圖3A、3B、及4分別顯示本發明之光學系統的三個範例，其中一衰減組件建構成可操作用於影響沿著照射和偵測通道通過之光線的偏振性；圖5A到5C描述本發明另一實施例的原理，該實施例運用遮蔽效應於本發明之光學系統的衰減組件，其中圖5A顯示與遮罩圖案互相作用的光線之遮蔽效應的原理，且圖5B和5C顯示將穿孔的明視野量測(圖5B)與穿孔的灰視野量測(圖5C)加以比較的實驗結果；圖6A例示利用一衰減組件之本發明的光學系統，該衰減組件係由容納於該光學系統中照射和偵測通道的共同區段之中的透射圖案所形成；圖6A及6C分別顯示透射圖案的兩個範例；及 圖7例示利用一衰減組件之本發明的光學系統，該衰減組件係由分別容納於該光學系統的照射和偵測通道之中的兩個透射圖案所形成。
12‧‧‧光源
22‧‧‧偵測單元(偵測器)
24‧‧‧控制單元
26‧‧‧資料輸入和輸出設備
28‧‧‧記憶體
30‧‧‧處理器
32‧‧‧顯示器
34‧‧‧衰減控制器
35‧‧‧照射控制器
37‧‧‧偵測控制器
50‧‧‧衰減組件
50A‧‧‧衰減組件
50B‧‧‧衰減組件
100‧‧‧量測系統
102‧‧‧光學系統

Claims (27)

  1. 一種光學系統，用於量測具有穿孔的圖案化結構，該系統包含：一照射通道，用於將照射的光線傳播至受測結構之上；一偵測通道，用於收集自受照射的該結構返回至一偵測單元的光線；及一衰減組件，容納於該照射和偵測通道之中，且建構成可操作用於選擇性衰減沿著該偵測通道傳播的光線，該衰減產生經選擇性衰減的光線的一預定條件，該預定條件係藉由在該經選擇性衰減的光線中對應一暗視野條件的一第一光線部分與對應一明視野條件的一第二光線部分之間的預定比例所定義，所測得之經選擇性衰減的光線因而表示受照射之穿孔的至少一個參數。
  2. 如申請專利範圍第1項的光學系統，其中該第一和第二光線部分分別對應實質上散射光線和實質上鏡面反射光線。
  3. 如申請專利範圍第1項的光學系統，其中該照射通道包含一寬頻光源，且該偵測通道包含一頻譜儀，所測得的光線係在一頻譜特徵的形式。
  4. 如申請專利範圍第1項的光學系統，其中該頻譜特徵至少表示受照射穿孔的深度。
  5. 如申請專利範圍第1項的光學系統，其中該照射和偵測通道係根據一垂直入射模式加以建構。
  6. 如申請專利範圍第1項的光學系統，其中該衰減組件建構成可操作用於至少影響沿著該照射和偵測通道通過之光線的偏振性。
  7. 如申請專利範圍第6項的光學系統，其中該衰減組件包含第一和第二偏振器，該第一和第二偏振器係容納於該照射和偵測通道 之中且各自具有偏振面，該等偏振面之間形成預定的銳角。
  8. 如申請專利範圍第7項的光學系統，其中該預定的銳角係大於70度。
  9. 如申請專利範圍第7項的光學系統，其中選擇該預定的銳角，俾使該第一和第二光線部分的強度在相同的大小等級。
  10. 如申請專利範圍第7項的光學系統，其中該衰減組件包含：第一和第二偏振器，分別容納於該照射和偵測通道之中且具有偏振面，該等偏振面定向成形成該預定的銳角，及一共同的相位延遲器，容納於該照射和偵測通道之中，且相對於自該結構沿著該偵測通道返回之光線的傳播方向，位於該第二偏振器的上游。
  11. 如申請專利範圍第7項的光學系統，其中該衰減組件包含一共同的偏振器和一共同的相位延遲器，以一隔開的關係二者皆容納於該照射和偵測通道的一共同的部分，該偏振器係相對於照射光線沿著該照射通道至該結構的傳播方向，位於該相位延遲器的上游。
  12. 如申請專利範圍第1項的光學系統，其中該衰減組件建構成可操作用於將該照射和偵測通道二者部分地遮蔽。
  13. 如申請專利範圍第12項的光學系統，其中該衰減組件包含具有一預定透射圖案的一遮罩，該透射圖案建構成提供該第一和第二光線部分的強度之間的該預定比例，該遮罩位於與該照射和偵測通道交叉的一平面。
  14. 如申請專利範圍第13項的光學系統，其中該遮罩具有相對於 該第一和第二光線部分不同透射之至少兩個區段。
  15. 如申請專利範圍第13項的光學系統，其中該衰減組件包含具有互補圖案之第一和第二遮罩，各圖案係由相對於該第一和第二光線部分之不同光透射的區域所形成。
  16. 如申請專利範圍第1項的光學系統，包含一控制單元，其建構成可操作用於接收表示該偵測通道中經選擇性衰減的光線的量測資料，及處理該量測資料以判定該穿孔的至少一個參數。
  17. 如申請專利範圍第3項的光學系統，包含一控制單元，其建構成可操作用於接收表示對應該偵測通道之中經選擇性衰減的光線之頻譜特性的量測資料，及處理該量測資料以判定該穿孔的至少一個參數。
  18. 如申請專利範圍第1項的光學系統，包含一控制單元，其建構成可操作用於選擇性操作該衰減組件，以選擇性地將該衰減組件變換至對應該預定條件的一操作模式。
  19. 如申請專利範圍第18項的光學系統，其中該控制單元建構成可操作用以在以下額外的模式其中任一者下操作該衰減組件：一明視野偵測模式、一暗視野偵測模式、及暗和明視野中間混合偵測模式。
  20. 一種光學量測方法，用於具有穿孔的圖案化結構之光學量測，該方法包含選擇性衰減自一受照射含穿孔區域返回的光線，該選擇性衰減產生一預定的暗和明視野組合偵測條件，俾使該經選擇性衰減的返回光線包含對應一暗視野條件的一第一光線部分及對應一明視野條件的一第二光線部分，該第一和第二光線部分的強度之間具有一預定比例，該經選擇性衰減的光線因此表示受照射 穿孔的至少一個參數。
  21. 如申請專利範圍第20項的光學量測方法，其中照射光線係由寬頻光源所產生，而該經衰減的返回光線係在頻譜特徵的形式。
  22. 如申請專利範圍第20項的光學量測方法，其中該穿孔的至少一個參數至少包含穿孔深度。
  23. 如申請專利範圍第20項的光學量測方法，其中該預定的暗和明視野組合偵測條件係被選擇性地產生。
  24. 如申請專利範圍第20項的光學量測方法，其中該選擇性衰減包含至少影響沿著照射和偵測通道通過之光線的偏振性。
  25. 如申請專利範圍第20項的光學量測方法，其中該選擇性衰減包含將該照射和偵測通道二者部分地遮蔽。
  26. 如申請專利範圍第21項的光學量測方法，包含接收和處理對應受測衰減光線的頻譜特徵的量測資料，且判定至少一個穿孔的參數。
  27. 一種光學量測方法，用於具有穿孔的圖案化結構之光學量測，該方法包含：提供一光學系統，其建構成可操作用於以一明視野偵測模式及一暗視野偵測模式執行光學量測；及選擇性操作該光學系統，以施加一衰減模式，其將自受照射含穿孔區域的返回光線選擇性衰減，該衰減用以建立該經衰減的返回光線的預定暗和明視野結合偵測條件，俾使該經衰減的返回光線包含對應一暗視野條件的一第一光線部分、及對應一明視野條件的一第二光線部分，該第一和第二光線部分的強度之間具有一預定比例，該經衰減的返回光線因此表示受照射穿孔的至少一個參數。
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