TWI711009B

TWI711009B - 非破壞性光學檢測系統

Info

Publication number: TWI711009B
Application number: TW108139367A
Authority: TW
Inventors: 莊文忠
Original assignee: 佳陞科技有限公司
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-11-21
Also published as: TW202119353A

Abstract

本發明提供一種非破壞性光學檢測系統，用以檢測積體電路沉積有複數膜層的厚度，其包含一檢測單元以及一轉換單元，檢測單元包括對應待測之積體電路而設之光學感測器，光學感測器可發出包括二種以上不同波長範圍之光源，以發出對應於膜層之材質可穿透之一檢測光波，檢測光波遇積體電路所測之膜層的界面時產生一反射光波，反射光波並經光學干涉而被光學感測器接收以產生一光譜訊號。轉換單元電性連接於檢測單元，轉換單元接收光譜訊號並透過光譜分析以獲得一波形強度，並以波形強度計算出所測之膜層的厚度。

Description

非破壞性光學檢測系統

本發明係關於一種非破壞性光學檢測系統，尤指一種可測得積體電路之總厚度以及各膜層厚度之非破壞性光學檢測系統。

半導體製程之積體電路(Integrated Circuit , IC)，其膜厚量測可分為破壞性檢測與非破壞性檢測。以破壞性檢測而言，檢測儀器如α -Step 薄膜厚度輪廓測量儀與SEM 掃描式電子顯微鏡，積體電路經破壞性檢測後會造成損傷，且有檢測時間長的問題，不利於大量積體電路之檢測及維持積體電路之生產品質。

又以非破壞性檢測而言，檢測儀器例如2D X-Ray檢測儀及3D X-Ray檢測儀，其中，2D X-Ray檢測儀以X-ray穿透積體電路，接收器依據內部密度的高低而獲得對應能量的多寡，藉此方式成像並取得積體電路之膜厚；另3D X-Ray檢測儀，是以非破壞性X射線透視技術，並搭配光學物鏡提高放大倍率進行實驗檢測，其實驗過程是將積體電路固定後進行360°旋轉，在這過程中，收集積體電路各個不同角度的2D穿透影像，再利用電腦運算重構出積體電路之實體影像。然而，習知積體電路以非破壞性檢測者，大致有以下問題：

1. 積體電路經長膜、微影以及蝕刻等半導體製程後，所成型的結構體通常是複數的膜層所沉積疊成，而每一膜層於沉積時具有一定的厚度標準，習知非破壞性檢測卻只能檢測積體電路的整體厚度，無法對於各膜層的厚度進行量測，所以無法得知各膜層之厚度是否符合標準。

2.習知非破壞檢測是以光波穿透積體電路以進行厚度之檢測，惟當積體電路所堆疊之複數膜層中包含有無法被光穿透之膜層者，例如金屬層在光波的強度不足時有無法穿透的問題，又或者是白光遇矽晶層時被吸收而無法穿透的問題有待解決，故以非破壞檢測的方式欲測得積體電路之膜層厚度，仍有相當大的改善空間，此即本發明之主要重點所在。

為解決上述課題，本發明提供一種非破壞性光學檢測系統，藉由提供二種以上不同波長範圍之光源，使發出的檢測光波可對應於積體電路之膜層材質而穿透，藉以測得積體電路各膜層之厚度。

本發明之一項實施例提供非破壞性光學檢測系統，其係用以檢測積體電路沉積有複數膜層的厚度，包含一檢測單元以及一轉換單元，其檢測單元包括一光學感測器，其係對應待測之積體電路而設，光學感測器包括二種以上不同波長範圍之光源，以發出對應於檢測膜層之材質可穿透之一檢測光波，檢測光波遇積體電路所測之膜層的界面時，會產生一反射光波，由此反射光波經光學干涉而被光學感測器接收，以產生一光譜訊號，而轉換單元與檢測單元電性連接，轉換單元在接收光譜訊號並透過光譜分析以獲得一波形強度，並以波形強度計算出所測之膜層的厚度。

其中，波形強度為所測之膜層的折射率隨波長的變化率，轉換單元以波形強度對應之所述折射率及所述波長，經快速傅立葉轉換進行波形分析，以計算出所測之膜層的厚度。

其中，檢測單元具有一折射率儲存模組，折射率儲存模組儲存所述膜層於不同材質下之折射率，前述快速傅立葉轉換進行波形分析時，係所測之膜層依折射率資訊模組對應儲存的折射率進行波形分析。

其中，光學感測器包含一白光感測器以及一近紅外光感測器，白光感測器可發出白光，而近紅外線感測器可發出近紅外光。

其中，所述白光感測器為彩色共焦式白光感測器，其光點直徑介於3.5μm至750μm之間。

其中，所述近紅外光感測器之近紅外光波長的區間為960 nm ~1580nm。

其中，檢測單元包括一控制模組，控制模組電性連接白光感測器及近紅外光感測器，控制模組根據待測積體電路之所述膜層的材質而轉換所述白光感測器或所述近紅外光感測器以發出檢測光波。

進一步包括一檢測平台以及一機械手臂，機械手臂可相對檢測平台移動，機械手臂將包含所述積體電路的晶圓置放於檢測平台。

進一步包括一位移模組設於檢測平台旁，光學感測器設於位移模組而可發出檢測光波時沿所述積體電路之範圍位移，以檢測各膜層之厚度及形狀。

藉此，積體電路經沉積所堆疊之不同材質的膜層，可藉由光學感測器所包括之二種以上之光源發出不同波長範圍之檢測光波，令檢測光波能對應膜層之不同材質而穿透，並可在積體電路之各膜層皆能於界面產生反射光波而獲得對應之光譜訊號及波形強度，進而可計算出各膜層之厚度以及積體電路總厚度，藉此可準確得知各膜層之厚度是否達到標準。

此外，當積體電路經沉積所堆疊之不同材質的膜層之中，包含有無法被反射光波穿透之金屬層時，可於所述積體電路之上方及下方分別設置一所述光學感測器，當積體電路之上方及下方所設之光學感測器對著積體電路發出所述檢測光波時，除所述金屬層外，檢測光波同樣能對應其他膜層之不同材質而穿透，以獲得積體電路之總厚度以及金屬層外之各膜層的厚度，並由積體電路之總厚度減去各膜層的厚度而獲得所述金屬層之厚度，同樣能計算出包含金屬層之各膜層的厚度，故即使積體電路存在有金屬層，仍可達到準確測得各膜層之厚度的功效。

再者，積體電路經沉積所堆疊之膜層，除可藉由所述光學感測器於定點而靜態地檢測各膜層的厚度外，並可搭配位移模組而沿所述積體電路之範圍位移，並在位移的過程中同時發出檢測光波，藉以檢測出各膜層之形狀，而可達到積體電路之膜層形狀判斷之準確性。

為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。

請參閱圖1至圖6所示，本發明提供一種非破壞性光學檢測系統100，其包含一檢測單元10以及一轉換單元20，用以檢測積體電路30沉積有複數膜層的厚度，包括積體電路30的總厚度以及各膜層個別之厚度，其中：

所述檢測單元10，其包括一光學感測器40，此光學感測器40係對應待測之積體電路30而設，此光學感測器40包括二種以上不同波長範圍之光源而可發出一檢測光波，此檢測光波與積體電路30之膜層材質為對應者則可穿透。所述檢測光波在遇所述積體電路30所測之膜層的界面時，會產生一反射光波，所述反射光波經光學干涉而被光學感測器40接收，以產生一光譜訊號。所述轉換單元20電性連接檢測單元10，轉換單元20接收所述光譜訊號並透過光譜分析以獲得一波形強度，並以波形強度計算出所測之膜層的厚度。

上述波形強度(Intensity)為所測之膜層的折射率(Reflectance)隨波長(Wavelength)的變化率，轉換單元20以波形強度對應之所述折射率及所述波長，經快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform Intensity, FFT Intensity)進行波形分析，以計算出所測之膜層的厚度(如圖3所示)。於本實施例中，轉換單元20具有一折射率儲存模組21，折射率儲存模組21儲存所述膜層於不同材質下之折射率。因此，當前述快速傅立葉轉換進行波形分析時，係所測之膜層依折射率資訊模組21對應儲存的折射率進行所述波形分析，相較於實際測得之折射率，以折射率儲存模組21儲存的折射率可使積體電路30厚度在計算後更為準確。

所述光學感測器40，於本實施例中包含一白光感測器41以及一近紅外光感測器42，且本實施例之白光感測器41和近紅外光感測器42為並列而設。所述白光感測器41係用以發出白光(White Light)，其於本實施例中特指一種彩色共焦式白光感測器，而其光點直徑介於3.5μm至750μm之間，在此係以25μm為較佳實施例。所述近紅外線感測器42係用以發出近紅外光(Near Infrared)，於本實施例中之近紅外光波長的區間為960~1580nm。

承上，所述檢測單元10並包括一控制模組50，此控制模組50電性連接於白光感測器41及近紅外光感測器42，控制模組50根據待測積體電路30之所述膜層的材質而轉換白光感測器41或近紅外光感測器42以發出檢測光波。

本實施例包括一檢測平台60和一位移模組70，位移模組70設於檢測平台60旁(如圖1所示)，光學感測器40設於位移模組70，光學感測器40可在發出檢測光波時，利用位移模組70沿著所述積體電路30之範圍位移，除了可檢測出各膜層之厚度之外，也可以檢測出各膜層的形狀。進一步地，本實施例包括一機械手臂80，此機械手臂80可相對檢測平台60移動，機械手臂80主要是將晶圓W置放於檢測平台60，晶圓W上有待測之積體電路30。

關於本發明之非破壞性光學檢測系統100對積體電路30沉積有複數膜層的厚度檢測，就以下型態作實施例之說明：

第一實施例：

如圖4所示，第一實施例中所要檢測的積體電路30，其由上而下包含有一微電路層31(IC)、一中介層32 (Interposer)、一重布層33 (RDL)、一矽晶層34(Si)、一膠層35(Glue)，以及一玻璃層36(Glass)。所述光學感測器40於本實施例中，在積體電路30的上方及下方分別設置光學感測器40A和光學感測器40B。

實際檢測積體電路30之厚度時，先以光學感測器40A以其白光感測器41A對積體電路30之微電路層31發出白光之檢測光波，光學感測器40B也以其白光感測器41B也對積體電路30之玻璃層36發出白光之檢測光波，此時光學感測器40A和光學感測器40B會分別接收到經反射後之反射光波，進而計算出微電路層31和玻璃層36之表面距離，以獲得積體電路30之總厚度。

因有重布層33之存在，為檢測積體電路30各膜層之厚度，係由控制模組50將光學感測器40A轉換為近紅外光感測器42A，以對積體電路30發出為近紅外光之檢測光波，此時檢測光波會穿透微電路層31以及中介層32，但重布層33無論是近紅外光或白光皆無法穿透，因此僅能暫時獲得微電路層31、中介層32之厚度。檢測透膠層35、玻璃層36以及矽晶層34之厚度時，是以光學感測器40B以其近紅外光感測器42B對積體電路30發出為近紅外光之檢測光波，此時檢測光波會穿透膠層35、玻璃層36，以及矽晶層34，然而近紅外光之檢測光波會直接穿透膠層35和玻璃層36而無法在之間的界面產生反射光波，所以只能獲得矽晶層34之厚度。

必須說明的是，矽晶層34之厚度於檢測時，如以白光為檢測光波，因白光會被矽晶層34吸收，故以白光為檢測光波是無法穿透矽晶層34，此即上述實施例中必須搭配近紅外光感測器42B使用之原因。

承上，要再獲得膠層35以及玻璃層36之厚度，則必須由控制模組50將光學感測器40B轉換為白光感測器41B，而以白光的檢測光波射向膠層35以及玻璃層36，此時白光的檢測光波才會在膠層35和玻璃層36之間的界面產生反射，光學感測器40B即可測得膠層35以及玻璃層36的厚度。重布層33之厚度，是由積體電路30之總厚度減去微電路層31、中介層32、矽晶層34、膠層35以及玻璃層36等各膜層之厚度而獲得，藉此可測得積體電路30之總厚度以及各膜層之厚度。

第二實施例：

如圖5所示，於第二實施例中，所要檢測的積體電路30A之膜層，其由上而下沉積有一微電路層31(IC)、一中介層32 (Interposer)、一矽晶層34(Si)、一膠層35(Glue)，以及一玻璃層36(Glass)，其中可見微電路層31與中介層32和第一實施例之結構相同，惟較大差異者在於，玻璃層36具有明顯的高度變化，玻璃層36的厚度在圖中是由右往左呈階級狀而逐漸變厚，而其中的矽晶層34和膠層35則僅佔積體電路30A的部分寬度，且矽晶層34寬於膠層35，此積體電路30A不僅包含各膜層之厚度外，各膜層也具有其特定之形狀。

於本實施例中，在積體電路30A的上方及下方分別設置光學感測器40A和光學感測器40B，和第一實施例之主要不同在於，光學感測器40A和光學感測器40B不是靜止的，所述光學感測器40A和光學感測器40B設置於位移模組70，讓光學感測器40A和光學感測器40B可被位移模組70帶動而沿所述積體電路30A之範圍位移(如圖5中由位置A移往位置C之路徑範圍)。

於本實施例中，同樣光學感測器40A以其白光感測器41A對積體電路30A之微電路層31發出白光之檢測光波，光學感測器40B以其白光感測器41B對積體電路30A之玻璃層36發出白光之檢測光波，此時光學感測器40A和光學感測器40B會分別獲得反射光波後，得知微電路層31和玻璃層36之表面距離，以獲得積體電路30之總厚度。

以圖5所示之位置A~C為例，當光學感測器40A和光學感測器40B移動到位置A時，是以近紅外光感測器42A(或近紅外光感測器42B)對積體電路30發出為近紅外光之檢測光波，此時檢測光波穿透微電路層31、中介層32以及玻璃層36，此時可獲得微電路層31、中介層32以及玻璃層36在所述位置A之厚度；當光學感測器40A和光學感測器40B移動到位置B時，前述近紅外光之檢測光波再穿透微電路層31、中介層32、矽晶層34以及玻璃層36，此時可獲得微電路層31、中介層32、矽晶層34以及玻璃層36在所述位置B之厚度；又當光學感測器40A和光學感測器40B移動到位置C時，近紅外光之檢測光波再穿透微電路層31、中介層32、矽晶層34、膠層35以及玻璃層36，此時可由光學感測器40A以近紅外光之檢測光波而獲得微電路層31、中介層32、矽晶層34在所述位置C之厚度，並由光學感測器40B以白光之檢測光波獲得膠層35以及玻璃層36在所述位置C之厚度。同時，藉由光學感測器40A和光學感測器40A隨位移模組70之動態過程，所述積體電路30A之各膜層沿其範圍之形狀可一併檢測而得。

第三實施例：

如圖6所示，第三實施例中所要檢測的積體電路30B之膜層，其有一沉積在下一矽晶層34(Si)、並且在矽晶層34上有一銅柱37(Copper Pillar)和一複合層38(Compound)。所述銅柱37為金屬層而無法由白光或近紅外光之檢測光波所穿透，故無法直接檢測銅柱37之厚度，但在其一旁的複合層38在經過封裝製程後，複合層38的厚度與銅柱37可視為同高。

因此，若要監控銅柱37之厚度，可將光學感測器40A轉換為近紅外光之檢測光波而射向複合層38和矽晶層34，此時會在矽晶層34和複合層38間之界面產生一反射光波，藉此反射光波即可測得複合層38的厚度，進而可得知銅柱37之厚度。

由上述之說明不難發現本發明之特點在於，所述積體電路(30、30A、30B)經沉積所堆疊之不同材質的膜層，可藉由光學感測器40所包括之二種以上之光源發出不同波長範圍之檢測光波，例如前述白光感測器41發出白光或是近紅外光感測器42發出近紅外光作為檢測光波，令檢測光波能對應膜層之不同材質而穿透，並可在積體電路(30、30A、30B)之各膜層皆能於界面產生反射光波而獲得對應之光譜訊號及波形強度，進而可計算出各膜層之厚度以及積體電路總厚度，藉此可準確得知各膜層之厚度是否達到標準。

又當積體電路(30、30A、30B)經沉積所堆疊之不同材質的膜層之中，包含有無法被反射光波穿透之金屬層(如上述之重布層33)時，可於所述積體電路(30、30A、30B)之上方及下方分別設置一光學感測器40A、光學感測器40B，當光學感測器A與光學感測器40B對著積體電路(30、30A、30B)發出所述檢測光波時，除所述金屬層外，檢測光波同樣能對應其他膜層之不同材質而穿透，以獲得積體電路(30、30A、30B)之總厚度以及金屬層外之各膜層的厚度，並由積體電路(30、30A、30B)之總厚度減去各膜層的厚度而獲得所述金屬層之厚度，同樣能計算出包含金屬層之各膜層的厚度，而在有金屬層之限制下仍可達到準確測得各膜層之厚度的功效。

再者，積體電路(30、30A、30B)經沉積所堆疊之膜層，除可藉由所述光學感測器40A、光學感測器40B於定點而靜態地檢測各膜層的厚度外，並可搭配位移模組70而沿所述積體電路(30、30A、30B)之範圍位移，並在位移的過程中同時發出檢測光波，藉以檢測出各膜層之形狀，可達到積體電路之膜層形狀判斷之準確性。

以上所舉實施例僅用以說明本發明而已，非用以限制本發明之範圍。舉凡不違本發明精神所從事的種種修改或變化，俱屬本發明意欲保護之範疇。

100:非破壞性光學檢測系統

10:檢測單元

20:轉換單元

21:折射率儲存模組

30:積體電路

30A:積體電路

30B:積體電路

31:微電路層

32:中介層

33:重布層

34:矽晶層

35:膠層

36:玻璃層

37:銅柱

38:複合層

40:光學感測器

41:白光感測器

42:近紅外光感測器

40A:光學感測器

41A:白光感測器

42A:近紅外光感測器

40B:光學感測器

41B:白光感測器

42B:近紅外光感測器

50:控制模組

60:檢測平台

70:位移模組

80:機械手臂

W:晶圓

A~C:位置

圖1係本發明非破壞性光學檢測系統之機台外觀示意圖。圖2係本發明非破壞性光學檢測系統之方塊示意圖。圖3係本發明之轉換單元計算出所測之膜層的厚度的波形分析圖圖4係本發明之第一實施例之積體電路檢測各膜層厚度之示意圖。圖5係本發明之第二實施例之積體電路檢測各膜層厚度及形狀之示意圖。圖6係本發明之第三實施例之積體電路檢測銅柱厚度之示意圖。