一種測量通孔硅形貌的裝置與方法與流程

本發明涉及一種集成電路制造裝備領域,尤其涉及一種測量通孔硅形貌的裝置與方法。

背景技術：

隨著半導體技術的發展，減小器件的尺寸已經變得越來越困難。一個克服這些困難的的途徑是將多種半導體器件（芯片）在垂直方向上進行集成。這一途徑將允許在一個應用單元上集成大量的器件，同時也允許在一個系統上集成多種具有不同功能的芯片（例如傳感、處理器和存儲器），從而實現更好的功能性能。

當前迅速發展的一種垂直集成技術是基于通孔硅（TSV）的集成技術。相比與其它技術，TSV是一種高性能的技術。這是因為TSV的密度可以做的非常大，同時TSV連線可以做得更短，從而使TSV互連在集成密度、通訊速度、功耗等方面，相對于其它封裝互連技術（如Wire Bonding）具有相當的優勢。

TSV流程中一個非常關鍵的步驟是通孔的形成，為了持續獲得滿足需求的通孔質量，需要在TSV制備流程中實時監測、控制孔的關鍵參數、例如頂部孔徑、底部孔徑和孔深。

傳統在線測量技術包括明/暗場顯微鏡、紅外顯微鏡、白光干涉儀（Veeco）、共焦顯微鏡。然而其各有不足，例如，明/暗場顯微鏡具有較高的水平向分辨率，但它們難以測量孔深，白光干涉儀則與之相反，其垂向分辨率較高，但水平向分辨率不足，共焦顯微鏡則需要在垂向進行掃描。效率低下。并且，隨著TSV孔徑的減小以及深寬比的增大，即便是白光干涉儀或可見光共焦顯微鏡，對孔深的測量也表現得越發艱難。

在這種背景下，近幾年，人們開始開發新的測量手段來測量小孔徑、大深寬比TSV的技術。現有技術，如美國專利US8649016、US20130308131公開了幾種測量手段。如基于暗場的散射測量技術，該技術通過偏振調制或瞳面光強調制等手段，阻擋入射光方向的鏡面反射光到達接收端，實現對孔側壁角反射光的高信噪比測量。又如基于多波長紅外反射儀的測量方法，該方法利用了兩個技術原理，一是利用孔底部和頂部反射信號的相干疊加，所以隨著入射光頻率的變化，反射率呈周期變化。通過提取反射率的光譜信息，推算孔深。二是利用紅外光可以穿透硅片，測量不受孔深影響。但是該方法受限于小NA和長波長，測量光斑比較大，在測量小直徑深孔時，噪聲大，精度差。再如，紅外光共焦顯微鏡技術，可以測量直徑5um以上的孔的孔深。

技術實現要素：

為了克服現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供對小孔徑、大深寬比TSV頂部孔徑、頂部孔徑和孔深的無損傷在線測量的裝置及方法。

為了實現上述發明目的，本發明公開一種測量通孔硅形貌信息的裝置，包括：一紅外激光光源，用于提供一照明光束；一照明單元，用于調整該照明光束并照射至一待測通孔硅的刻蝕面或非刻蝕面；一成像探測單元，用于探測該照明光束照射至該待測通孔硅的正面或反面時所產生的衍射角譜信號；一處理單元，用于根據該衍射角譜信號獲得該待測通孔硅的形貌信息。

更進一步地，該處理單元將該衍射角譜信號進行逆向求解以獲得該待測通孔硅的形貌信息。

更進一步地，該處理單元將該衍射角譜信號與仿真實驗數據相對比，以獲得該待測通孔硅的形貌信息。

更進一步地，該照明光束垂直或按一定入射角照射至該待測通孔硅的刻蝕面或非刻蝕面。

更進一步地，該照明單元按光線傳播的方向依次包括一偏振片、一視場光闌、一第一照明組件、一孔徑光闌、一反射鏡或分光鏡以及第二照明組件。

更進一步地，該視場光闌沿與照明光束垂直的位置移動。

更進一步地，該照明光束從第二照明組件出射至一遮擋光闌至該待測通孔硅的刻蝕面。

更進一步地，該成像探測單元按光線傳播的方向依次包括一成像物鏡以及第一CCD探測器。

更進一步地，該成像物鏡以及該第一CCD探測器之間放置一遮擋光闌用于遮擋該衍射角譜信號的零級光。

更進一步地，該成像探測單元還包括一第二CCD探測器，該第一第二CCD探測器分別用于探測反射面方向的衍射角譜信號和透射方向的衍射角譜信號。

更進一步地，該成像探測單元還包括一中繼透鏡，用于將反射面方向的衍射角譜信號和透射方向的衍射角譜信號均成像至該第一CCD探測器。

本發明同時公開一種測量通孔硅形貌信息的方法，包括：步驟一：利用一紅外照明光束照射至一待測通孔硅的刻蝕面或非刻蝕面；步驟二：探測該照明光束照射至該待測通孔硅的正面或反面時所產生的衍射角譜信號；步驟三：將該衍射角譜信號進行逆向求解或與仿真實驗數據相對比以獲得該待測通孔硅的形貌信息。

更進一步地，該步驟三中仿真實驗數據根據電磁波信息和材料信息獲得。

與現有技術相比較，本發明的技術優點在于：

第一、本發明采用角譜測量，提取同時反映孔深、側壁、孔徑形貌的高級次角譜信號，可以對這些參量同時進行測量。

第二、本發明采用紅外光進行測量，只需要一種波長的電磁波，可以更好的穿透TSV樣品，提取TSV底部信息，可以任意改變入射角度，從而獲得更多的測量信息。

第三、本發明可以同時采集反射面方向角譜信號和透射面方向角譜信號，可以獲得更多反映形貌的信息。

第四、本發明不需要進行垂向掃描，測量效率更高。

附圖說明

關于本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的了解。

圖1是通孔硅衍射角譜示意圖；

圖2是本發明所提供的通孔硅的測量方法示意圖；

圖3是本發明所提供的通孔硅測量裝置的第一實施方式的結構示意圖；

圖4是本發明所提供的通孔硅測量裝置的第二實施方式及傾斜入射時衍射角譜示意圖；

圖5是本發明所提供的通孔硅測量裝置的第三實施方式的結構示意圖；

圖6是本發明所提供的通孔硅測量裝置的第四實施方式的結構示意圖；

圖7是本發明所提供的通孔硅測量裝置的第五實施方式的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施例。

圖1是通孔硅衍射角譜示意圖。如圖1所示，入射紅外光照射TSV深孔時會發生衍射，如圖1（a）所示。衍射角譜（如圖1（b））與孔的形貌有關，因此，可以通過分析衍射角譜信號獲知孔頂部、底部孔徑、孔深關鍵形貌信息。

本發明是基于以上原理，通過將仿真數據與實驗數據進行對比，逆向求解獲得孔的形貌信息的。逆向求解思路如圖2所示，通過電磁學理論建模方式，將電磁波信息202和材料信息203作為輸入值，以計算不同3D形貌TSV的角譜，并存儲在計算機上，從而構成一個樣本庫205。測量時測量TSV的形貌信息（包括孔徑、底部孔徑、孔深關鍵形貌信息）201，將測量到的角譜204進行逆向求解或直接與樣本庫中的角譜進行匹配205，從而求得測量樣品的形貌參數。

以下將介紹若干種實施方式以充分說明本發明所提供的測量通孔硅形貌的裝置。

本發明所提供的測量通孔硅形貌的裝置的第一實施方式見圖3所示。照明光路中，包含紅外激光光源1、偏振片2、視場光闌3、照明鏡組4、孔徑光闌5和反射鏡6。紅外激光光源發出的激光經過偏振片2，從而獲得期望偏振方向的線偏振光。視場光闌3置于與測量樣品面共軛的位置，其作用是限定硅片面照明視場的大小，從而對一個或數個TSV深孔進行照明，視場光闌3要求大小可調，以適應不同孔徑和孔數目的測量需求。一般情況下，視場光闌3應該剛好覆蓋所測TSV深孔，不可比深孔小，以免衍射光不能反映孔的真實形貌，也不可過大，以免引入雜散光。孔徑光闌5放置在與成像物鏡10瞳面共軛的位置，其作用是限定入射光的入射角范圍。在保證足夠照度的情況下，孔徑光闌5的直徑選取通常是越小越好，以使入射到TSV深孔上的光近似平行光，從而更好的區分零級光和高級光。用一反射鏡6（或分光鏡）將光偏折90度，從而對TSV樣品8進行照明。

實施例1中，通過調節孔徑光闌5的位置，使紅外激光從TSV樣品8非刻蝕面垂直入射，由于紅外光對硅片的強穿透能力，將會在TSV的刻蝕面一方探測到攜帶了TSV形貌信息的角譜信號。

成像光路中，包含成像物鏡10，其作用是將TSV衍射角譜信號進行收集并成像到CCD探測器12的探測面上，在成像物鏡10的后焦面上，可以選擇放置一個遮擋光闌11，從而過濾掉不攜帶TSV孔洞信息但是強度非常強的零級光，也可以選擇不放置光闌11。

測量過程通過控制器13進行控制，控制器13需要控制紅外激光1的功率，偏振片2的偏振方向，樣品承載臺7的運動、CCD的信號采集。

計算機14起兩個作用，其一是發送信號到控制器13從而對測量過程中的相關器件進行實時控制。其二是將測量到的角譜信號進行逆向求解（或匹配求解），從而獲得TSV深孔的3D形貌信息。

本發明所提供的第二實施例見圖4（a）所示。與第一實施方式不一樣的是，該實施方式下孔徑光闌5的位置可以沿光線垂直的方向移動，可以通過移動孔徑光闌5的位置，改變入射角的大小，從而獲得不同入射角下的衍射角譜信息，這樣就能獲得更多的角譜信號數據，有利于提高測量精度，尤其是提高孔深的測量精度。圖4（b）是傾斜入射時衍射角譜示意圖。

本發明所提供的第三實施例見圖5所示，入射光從TSV樣品刻蝕面垂直入射，CCD探測器測量反射面方向的角譜信號。此時遮擋光闌11同時起著90°偏轉光傳播方向和遮擋零級光的作用。

在第三實施例基礎上的一種改進實施方案中，孔徑光闌5的位置可以沿光線垂直的方向移動，可以通過移動孔徑光闌5的位置，改變入射角的大小，從而獲得不同入射角下的衍射角譜信息，這樣就能獲得更多的角譜信號數據，有利于提高測量精度。

本發明所提供的第四實施例見圖6所示。該實施例中采用兩個CCD探測器，入射光垂直從TSV刻蝕面入射，并在刻蝕面方向和非刻蝕面方向同時安裝CCD探測器12a和12b，如圖6所示，這樣可以同時探測反射面方向的角譜信號和透射方向的角譜信號，提高測量精度。

在第四實施例基礎上的一種改進實施方案中，孔徑光闌5的位置可以沿光線垂直的方向移動，可以通過移動孔徑光闌5的位置，改變入射角的大小，從而獲得不同入射角下的衍射角譜信息，這樣就能獲得更多的角譜信號數據，有利于提高測量精度。

本發明所提供的第五實施例見圖7所示。該實施例中引入了中繼光路13，將反射方向角譜信號和透射方向角譜信號都成像在同一個CCD12a上，該實施例的技術效果為節約了設備成本。

與現有技術相比較，本發明的技術優點在于：

第一、本發明采用角譜測量，提取同時反映孔深、側壁、孔徑形貌的高級次角譜信號，可以對這些參量同時進行測量。

第二、本發明采用紅外光進行測量，只需要一種波長的電磁波，可以更好的穿透TSV樣品，提取TSV底部信息，可以任意改變入射角度，從而獲得更多的測量信息。

第三、本發明可以同時采集反射面方向角譜信號和透射面方向角譜信號，可以獲得更多反映形貌的信息。

第四、本發明不需要進行垂向掃描，測量效率更高。

本說明書中所述的只是本發明的較佳具體實施例，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明的限制。凡本領域技術人員依本發明的構思通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在本發明的范圍之內。