TWI642928B - 一種晶片缺陷檢測裝置及檢測方法 - Google Patents

一種晶片缺陷檢測裝置及檢測方法 Download PDF

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Abstract

一種晶片缺陷檢測裝置及檢測方法，該晶片缺陷檢測裝置包括：光源組件，用於發射合成光束，合成光束包括至少兩束不同波長的光束；分束器，用於接收該光源組件發射的合成光束，並將其接收的合成光束分為第一部分和第二部分；該合成光束的第一部分經該晶片的待檢測面反射形成探測光束；參考組件，用於接收該合成光束的第二部分，並處理該合成光束的第二部分以形成參考光束；探測組件，用於接收該探測光束和該參考光束，該參考光束和探測光束具有一定的夾角，以在該探測組件的探測面上形成干涉條紋，基於該干涉條紋確定該晶片的待檢測面的缺陷參數。採用本發明的裝置檢測晶片可以提高檢測精度和檢測效率，並且能適應較大晶片樣本的檢測。

Description

一種晶片缺陷檢測裝置及檢測方法
本發明有關於積體電路製造的技術領域，特別有關於一種晶片缺陷檢測裝置及檢測方法。
「超摩爾定律」等概念引領IC行業從追求工藝技術節點的時代，轉向更多地依賴於晶片封裝技術發展的全新時代。相較於傳統封裝，晶圓級封裝(Wafer Level Packaging，WLP)在縮小封裝尺寸、節省工藝成本方面有著顯著的優勢。因此，WLP將是未來支持IC不斷發展的主要技術之一。
WLP主要包括Pillar/Gold/Solder Bump、RDL(Redistribution Layer，重佈線層)、TSV(Through Silicon Vias，通過矽片通道)等工藝技術。為了增加晶片製造的良率，在整個封裝工藝過程都需要對晶片進行缺陷檢測，早期的設備主要集中在表面2D的缺陷檢測，例如污染、劃痕、顆粒等。隨著工藝控制要求的增加，越來越需要對表面3D特徵進行檢測，例如Bump高度、RDL厚度、TSV的孔深等。
目前對晶片3D測量的精度相對較低，且檢測效率較低，難以滿足晶圓全方位掃描檢測的需求。
本發明的目的在於提供一種晶片缺陷檢測裝置及檢 測方法，以解決現有的晶片缺陷檢測裝置在檢測晶片時，檢測精度低，效率低的問題。
為解決上述技術問題，本發明一方面提供一種晶片缺陷檢測裝置，包括：光源組件，用於發射合成光束，合成光束包括至少兩束不同波長的光束；分束器，用於將該光源組件發射的合成光束分為第一部分和第二部分；該合成光束的第一部分經該晶片的待檢測面反射形成探測光束；參考組件，用於藉由該參考組件的一表面來接收該合成光束的第二部分並形成參考光束；以及探測組件，用於接收該探測光束和該參考光束，該參考光束和探測光束具有一定的夾角，以在該探測組件的探測面上形成干涉信號，基於該干涉信號確定該晶片的待檢測面的缺陷參數。
可選的，該探測組件包括至少一個探測器，用於探測該干涉信號。
可選的，該探測器的數量為多個，每個該探測器用於一種波長的光束的探測。
可選的，該探測器為互補金屬氧化物半導體或電荷耦合裝置圖像感測器。
可選的，該參考組件包括反射元件，藉由該反射元件的表面來接收該合成光束的第二部分並形成參考光束，該反射元件的表面與垂直於該晶片的待檢測面的垂直方向之間呈一定的夾角。
可選的，該光源組件發射合成光束，由該探測組件測得的該合成光束的具有較短波長的光束的光照强度和該合成光束的具有兩種波長的光束的光照强度如下式： 其中，I1表示具有較短波長λ 1的光束的光照強度，I2表示具有兩種波長λ 1和λ 2的合成波長的光束的光照強度，θ表示該參考組件的表面與垂直於該晶片的待檢測面的垂直方向之間的夾角，z表示該晶片的待測面上的測量點的高度，x表示該探測組件中的探測像素的水平位置。
可選的，具有較短波長λ 1的光束決定該晶片缺陷檢測裝置的解析度，具有兩種波長的合成波長的光束決定該晶片缺陷檢測裝置的垂直方向探測範圍；該晶片缺陷檢測裝置的解析度和該晶片缺陷檢測裝置的垂直方向探測範圍分別按如下公式計算：R0=λ 1/2/SNR；Z0=λ s/2；其中，R0表示該晶片缺陷檢測裝置的解析度，SNR表示該晶片缺陷檢測裝置的信號雜訊比，Z0表示該晶片缺陷檢測裝置的垂直方向探測範圍，λ s表示波長λ 1和波長λ 2的合成波長。
可選的，該光源組件發射的該合成光束包括三束不同波長λ 1、λ 2和λ 3的光束，該探測組件包括若干超像素，每個超像素包括多個像素，每個像素測得的光照強度如下式： 其中，(x,y)表示像素座標；B1、B2和B3是各波長λ 1、λ 2和λ 3的光束的透射和反射相關的係數；A1、A2和A3是各波長λ 1、λ 2和λ 3的光束與晶片的待檢測面反射率相關的係數，φ 1、φ 2、φ 3表示各波長λ 1、λ 2和λ 3的光束的初始相位，I(x,y)表示座標為(x,y)的像素測得的光照強度，θ x,y,i表示由座標為(x,y)的像素測得的從該參考組件反射回來的波長λ i 的光束和從該晶片待測面反射回來的波長λ i 的光束之間的夾角，其中i=1,2,3。
可選的，晶片的待檢測面的缺陷參數藉由快速傅立葉轉換演算法獲得。
可選的，還包括物鏡，用於放大該晶片的待檢測面，該物鏡位於該分束器和鏡片的待檢測面之間。
為解決上述技術問題，本發明另一方面提供一種晶片缺陷檢測方法，採用上述晶片缺陷檢測裝置，該方法包括：利用光源組件發射合成光束；利用分束器將該光源組件發射的合成光束分為第一部分和第二部分；該合成光束的第一部分經該晶片的待檢測面反射形成檢測光束；該合成光束的第二部分經參考組件形成參考光束；利用探測組件探測檢測光束和參考光束所形成的干涉信號，並基於該干涉信號確定該晶片的待檢測面的缺陷參數。
在本發明提供的晶片缺陷檢測裝置及其檢測方法中，藉由解析多束不同波長的光束產生的干涉條紋對晶片進行缺陷檢測，實現對晶片的3D測量，並提高檢測精度和檢測效率，並且能適應較大晶片樣本的檢測。
10‧‧‧光源組件
12‧‧‧光纖
20、71、72、73‧‧‧反光鏡
11、31、32、33‧‧‧透鏡
40、721、731、921、931‧‧‧分束器
41‧‧‧參考光束
42‧‧‧探測光束
50‧‧‧物鏡
60‧‧‧晶片
70‧‧‧參考組件
90‧‧‧探測組件
91、92、93‧‧‧探測器
圖1是本發明實施例一的晶片缺陷檢測裝置的原理示意圖；圖2是本發明實施例一的晶片缺陷檢測裝置的光源發射兩種波長的光所提取的干涉信號圖；圖3是本發明實施例一的晶片缺陷檢測裝置的光源發射一種波長的光束的光路示意圖；圖4是本發明實施例一的晶片缺陷檢測裝置的光源發射三種波長的光的光路示意圖；圖5是本發明實施例二的晶片缺陷檢測裝置的原理示意圖。
本發明的核心思想在於利用不同波長的光束對物體待測平面進行掃描，並利用一參考光路在探測器上形成干涉條紋，藉由求解干涉條紋中干涉信號的相位對待測面進行3D檢測。
以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的一種晶片缺陷檢測裝置及檢測方法作進一步詳細說明。根據下面說明和請求項，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[實施例一]
參閱圖1，其示出的是實施例一的晶片缺陷檢測裝置的原理示意圖。
本實施例提供的晶片缺陷檢測裝置主要包括光源組件10、參考組件70、物鏡50、探測組件90、分束器40、反光鏡20以及若干透鏡。
光源組件10用於產生一合成光束，其包括多個具有 一定波長的光束，這些光束經反射鏡20反射後進入透鏡31，經透鏡31到達分束器40，分束器40將合成光束分為兩部分，一部分經物鏡50照射到晶片60的待測面上，並又從晶片60的待測面反射回來形成探測光束42依序經過物鏡50、分束器40和透鏡33後到達探測組件90；另一部分進入參考組件70，然後又從參考組件70反射回來形成參考光束41依序經過透鏡32、分束器40和透鏡33後到達探測組件90；探測光束42和參考光束41之間具有一定的夾角θ，因此探測光束42和參考光束41在探測組件90上形成干涉條紋，藉由解析干涉條紋相位便可以提取待測面高度。
光源組件10所產生的合成光束至少包含兩個不同波長的光束，光源組件10優先選擇相干性、方向性好的光束。光束波長的選擇取決於探測高度範圍的需求和解析度的需求。
為了方便說明，下面分別列舉光源組件10採用兩個不同波長的光束和三個不同波長的光束的合成光束。
當光源組件10採用兩種波長時，分別為λ 1和λ 2(λ 2>λ 1)，則需解析如下兩個函數：
其中z表示待測面上的測量點的垂直方向位置(或高度)，x表示探測面上的探測像素點的水平位置；公式(1a)表示波長λ 1的干涉信號，即I1表示由該探測組件測得的具有較短波長λ 1的光束的 光照强度，而公式(1b)表示合成波長的干涉信號，即I2表示由該探測組件測得的具有兩種波長λ 1和λ 2的合成波長的光束的光照强度。如圖2所示，I1曲線表示待測面高度z方向上較大範圍內(例如圖示為-λ s/4至λ s/4的範圍)的變化趨勢，而I2曲線表示z方向上的局部(小範圍△z內)振動。因此波長為λ 1的光束決定該系統的解析度R0=λ 1/2/SNR(其中SNR表示該系統的信號雜訊比)，合成波長λ s決定該系統的垂直方向探測範圍Z0=λ s/2。
當光源組件10採用3個照明波長λ 1、λ 2和λ 3(λ 3>λ 2>λ 1)，則該3個照明波長的光束分別在探測面產生的干涉信號對應於I1、I2、I3：
在三個波長的該系統中，λ 1決定該系統的解析度R0=λ 1/2/SNR(其中SNR表示該系統的信號雜訊比)，合成波長決定該系統的垂直方向探測範圍Z0=λ s/2。
根據本領域相關技術知識，該探測系統可以擴展到更多的探測波長。
參閱圖3，其示出的是一種波長λ的干涉光路圖，其中，探測組件90選用一個探測器91，參考組件70選用一個反光鏡71。在本圖中，晶片60的待測面水平放置，反光鏡71與垂直方向之間具有一定的夾角θ，從而使探測器91上形成干涉條紋。探測器91可以是光電探測器(例如CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體或CCD，Charge Coupled Device，電荷耦合裝置圖像感測器)。探測光束42和參考光束41在探測器91上形成的干涉條紋所解析出的干涉信號如公式(3)。為求解待測面上單個測量點的垂直方向高度z，在探測器上構造一系列的Superpixel(超像素)，每個Superpixel由m×n的像素構成(即m行n列像素，例如5×5像素)，對應物鏡50的光學解析度大小。
其中x=1,2,...,m；y=1,2,...,n，I(x,y)表示超像素中的m×n個像素中的第x行第y列所對應的像素測得的光照強度；B1、B2和B3是各波長λ 1、λ 2和λ 3在參考光路中的透射和反射相關係數，可藉由標定獲得；A1、A2和A3是各波長λ 1、λ 2和λ 3與待測面反射率相關的係數；θ x,y,1、θ x,y,2和θ x,y,3分別表示各波長λ 1、λ 2和λ 3在探測面的相位變化，其中下標x,y對應於探測面上像素的座標，下標1、2、3對應於相應的波長λ 1、λ 2和λ 3，公式(3)中的各個θ的值與前述的反光鏡71與垂直方向之間的夾角θ的值沒有必然聯繫；φ 1、φ 2和φ 3分別表示待測面垂直方向位置z引起的各波長λ 1、λ 2和λ 3相位值。對於一個m×n的Superpixel，可獲得m×n個矩陣方程，藉由相位提取演算法，例如快速傅立葉轉換(FFT，Fast Fourier Transform)演算法，依序求解相位φ 1+φ 3-2φ 2，φ 2-φ 1和φ 1，即可獲得對應該探測點的高度值z。
參閱圖4，其採用三種波長的光束，分別為λ 1、λ 2、λ 3可分別取值為560nm、630nm、719.5nm，假設該系統的信號雜訊比為SNR=20，則該系統的垂直方向探測解析度為R0=560/SNR=28nm，垂直方向探測範圍Z0=518μm。三個波長照明光藉由透鏡11耦合進光纖12，經光纖12傳導後進入透鏡31；這裡的光纖12代替反光鏡20。在本實施例中，參考組件70採用一個反射鏡71，探測器91採用一個CCD或CMOS探測三種波長的光束的干涉信號。當待測面上的測量點處於不同高度z時，每個Superpixel會檢測到不同的干涉信號，解析Superpixel信號中相位，即可獲得高度z值。
[實施例二]
參閱圖5，其示出的是實施例二提供的晶片缺陷檢測裝置的原理示意圖。與實施例一不同的地方是實施例二的晶片缺陷檢測裝置中採用的參考組件70採用三個反射鏡71、72、73；探測組件90採用三個探測器91、92、93，分別對應於λ 1、λ 2、λ 3的干涉信號探測。在參考組件採用三個反射鏡，每個反射鏡與參考光束的射入方向的垂直方向之間分別具有夾角θ 1，θ 2，θ 3，且θ 1，θ 2，θ 3設置為不同值，用於調整干涉條紋的週期分佈。探測組件90採用三個探測器，其目的是消除三個波長干涉信號間的串擾，提高探測系統的信號雜訊比。731、721、921和931均為分束器，分束器731的反射波長λ 1，透射波長λ 2和λ 3；分束器721的反射波長λ 2，透射波長λ 3；分束器921的反射波長λ 2和λ 3，透射波長λ 1；分束器931的反射波長λ 2，透射波長λ 3。
採用本實施例的晶片缺陷檢測裝置來檢測待測面的垂直方向位置也可採用上述公式(3)和(4)來計算。其檢測原理與實施例一相同，區別在於可比實施例一獲得更高的信號雜訊比。
綜上兩個實施例，本申請提供的晶片缺陷檢測裝置藉由解析多束不同波長的光束產生的干涉條紋對晶片進行3D測量，提高檢測精度，而且提高檢測效率，並且能適應較大晶片樣本的檢測。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的系統而言，由於與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。
上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於請求項的保護範圍。

Claims (9)

  1. 一種晶片缺陷檢測裝置，其包括：一光源組件，用於發射一合成光束，該合成光束包括至少兩束不同波長的光束；一分束器，用於將該光源組件發射的該合成光束分為第一部分和第二部分；該合成光束的第一部分經該晶片的待檢測面反射形成一探測光束；一參考組件，用於藉由該參考組件的一表面來接收該合成光束的第二部分並形成一參考光束；以及一探測組件，用於接收該探測光束和該參考光束，該參考光束和該探測光束具有一定的夾角，以在該探測組件的探測面上形成一干涉信號，基於該干涉信號確定該晶片的待檢測面的一缺陷參數，其中，該光源組件發射的該合成光束包括兩束不同波長的光束，由該探測組件測得的該合成光束的具有較短波長的光束的一光照強度和該合成光束的具有兩種波長的合成波長的光束的該光照強度如下式：
    Figure TWI642928B_C0001
    Figure TWI642928B_C0002
    其中，I1表示具有較短波長λ 1的光束的該光照強度，I2表示具有兩種波長λ 1和λ 2的合成波長的光束的該光照強度，θ表示該參考組件的表面與垂直於該晶片的待檢測面的垂直方向之間的夾角，z表示該晶片的待測面上的測量點的高度，x表示該探測組件中的一探測像素的水平位置。
  2. 如請求項1之晶片缺陷檢測裝置，其中，該探測組件包括至少一個探測器，用於探測該干涉信號。
  3. 如請求項2之晶片缺陷檢測裝置，其中，該至少一個探測器的數量為多個，每個探測器用於探測該合成光束的一種波長。
  4. 如請求項2之晶片缺陷檢測裝置，其中，該至少一個探測器為一互補金屬氧化物半導體或一電荷耦合裝置圖像感測器。
  5. 如請求項1之晶片缺陷檢測裝置，其中，該參考組件包括一反射元件，藉由該反射元件的表面來接收該合成光束的第二部分並形成該參考光束，該反射元件的表面與垂直於該晶片的待檢測面的垂直方向之間呈一定的夾角。
  6. 如請求項1之晶片缺陷檢測裝置，其中，具有較短波長λ 1的光束決定該晶片缺陷檢測裝置的解析度，具有兩種波長的合成波長的光束決定該晶片缺陷檢測裝置的垂直方向探測範圍；該晶片缺陷檢測裝置的解析度和該晶片缺陷檢測裝置的垂直方向探測範圍分別按如下公式計算：R0=λ 1/2/SNR；Z0=λ s/2；其中，R0表示該晶片缺陷檢測裝置的解析度，SNR表示該晶片缺陷檢測裝置的一信號雜訊比，Z0表示該晶片缺陷檢測裝置的垂直方向探測範圍，λ s表示波長λ 1和波長λ 2的合成波長。
  7. 如請求項1之晶片缺陷檢測裝置，其中，該光源組件發射的該合成光束包括三束不同波長λ 1、λ 2和λ 3的光束，該探測組件包括若干超像素，該若干超像素的每個包括多個像素，該多個像素的每個測得的該光照強度如下式：
    Figure TWI642928B_C0003
    其中，(x,y)表示像素座標；B1、B2和B3是各波長λ 1、λ 2和λ 3的光束的透射和反射相關的係數；A1、A2和A3是各波長λ 1、λ 2和λ 3的光束與該晶片的待檢測面的反射率相關的係數，φ1、φ2、φ3表示各波長λ 1、λ 2和λ 3的光束的初始相位，I(x,y)表示座標為(x,y)的像素測得的該光照強度，θ x,y,i表示由座標為(x,y)的像素測得的從該參考組件反射回來的波長λ i 的光束和從該晶片的待測面反射回來的波長λ i 的光束之間的夾角，其中i=1,2,3。
  8. 如請求項7之晶片缺陷檢測裝置，其中，該晶片的待檢測面的該缺陷參數藉由一快速傅立葉轉換演算法獲得。
  9. 如請求項1之晶片缺陷檢測裝置，其中，還包括一物鏡，用於放大該晶片的待檢測面，該物鏡位於該分束器和該晶片的待檢測面之間。
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