膜厚测量系统及方法与流程

本发明属于封装技术检测领域，尤其涉及一种涉及被测区膜厚的高精度、无损伤测量的测量装置及方法。

背景技术：

随着电子产品进一步向小型化和多功能化发展，集成电路逐渐向高密度、轻小型、低能耗和系统级发展，集成电路封装技术进入了高密度封装时代。由于依靠减小特征尺寸来不断提高集成度的传统封装方式逐渐接近极限，三维封装技术成为延续摩尔定律的最佳选择。三维封装又称叠层芯片封装技术，是指在不改变封装提尺寸的前提下，在同一个封装体内在垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。与传统封装技术相比，三维封装技术不仅缩小器件尺寸减轻重量、更有效的使用了硅片有效区域、还使器件以更快转换速率运转。

三维封装的实现也伴随着大量新的半导体制作技术，譬如，硅片通孔互连(tsv，throughsiliconvias)技术，该技术利用垂直硅通孔完成芯片间互连。针对tsv工艺，一般需要检测tsv孔大小、位置信息以及孔底薄膜厚度。在tsv孔底薄膜测量过程中，被测区域十分小(tsv孔径一般是几十至几百微米量级)、高度相差大以及芯片上零散分布的孔的数量多。

目前存在一些测量tsv孔底膜厚的方法，譬如，通过sem成像进行孔底膜厚分析，然而该种方法是一种破坏性测量方法，需要将tsv孔剖开侧面成像，仅能用于抽样研究，无法实现普遍的工艺监测。

与tsv孔底膜厚测量类似，芯片加工工艺中也有许多其他测量几十微米尺寸结构膜厚的应用需求，如对沟槽、方形孔、长孔、柱形凸起、同心圆等结构进行膜厚测量。并且，随着加工工艺发展，将会出现许多新的微米尺寸结构膜厚测量需求。

因此，亟需一种能够适于普遍的工艺监测的孔底膜厚测量方法。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出一种反射谱测量光学系统及相应实软硬件实现方案，其中，该光学系统通过信号采集端光学设计，能在大光斑照明基础上实现tsv孔底膜厚分析，并且该光路可以实现芯片表面成像，从而在同一测量系统中实现tsv孔定位及孔径测量功能，进而实现芯片上tsv孔自动检测与分析。

本发明一方面提出了一种测量系统，其包括：透镜组件，其被配置为接收来自被测样品的反射光，并将所述反射光至少分为第一反射光和第二反射光；成像单元，其被配置为接收所述第一反射光，以获取所述被测样品表面的成像数据，所述成像数据包括所述被测样品的至少一个检测区域中的至少一个被测区的分布信息；膜厚测量单元，其被配置为接收所述第二反射光，用于获取所述至少一个被测区中指定的物的膜厚的数据；以及处理单元，其与所述成像单元、所述膜厚测量单元通信连接，并且被配置为基于所述分布信息来确定所述至少一个被测区的检测路径，并基于所述至少一个被测区的检测路径来使得所述膜厚测量单元获得所述被测区的膜厚的数据，进而实现对所述至少一个检测区域中的指定的被测区的测量；其中，在光学路径上，所述成像单元的光谱接收面、所述膜厚测量单元的光谱接收面被设置为与所述被测样品光学共轭。在一种实施方式中，所述被测区包括凹陷或凸起。

通过上述实施方式，能够实现对被测样品(譬如，芯片)表面上所分布的多个被测区的膜厚进行测量，而无需破坏芯片。

在一种实施方式中，所述处理单元基于所述分布信息来确定所述被测区的检测路径的过程包括：基于所述被测样品表面的区域性特征来确定所述至少一个检测区域，进而确定所述至少一个检测区域的检测路径；以及基于所述被测区的特征来确定所述被测区在所述至少一个检测区域中的分布，进而确定所述被测区的检测路径。

该实施方式对孔的检测路径的规划进行了阐述。一般来说，被测样品上存在多个需要测量的检测区域，处理单元基于成像数据识别出该些检测区域，进而获得检测区域的检测路径，即检测次序。依照检测路径确定当前的检测区域，然后基于被测区在当前检测区域上的分布，确定被测区的检测路径。

在一种实施方式中，当所述被测区包括被测孔时，确定所述被测孔在所述至少一个检测区域中的分布的过程包括：所述处理单元基于所述成像数据获得圆孔信息，其中，所述圆孔信息包括圆孔分布以及圆孔特征信息；以及所述处理单元基于所述被测孔的特征以及所获得的圆孔信息来确定所述被测孔的在所述被测样品表面的分布。

该实施方式对被确定测孔的分布进行了阐述。处理单元将首先获得位于被测样品上的圆孔的分布以及其特征，譬如，圆孔的位置、大小等。然后，基于被测孔的大小、形状等特征参数，从该些圆孔中确定被测孔。

在一种实施方式中，所述膜厚测量单元包括至少一个光阑，所述至少一个光阑沿光学路径设置在所述膜厚测量单元的光谱接收面和所述透镜组件之间，以使得所述膜厚测量单元的光谱接收面仅接收由所述被测区所产生的反射光。具体地，所述膜厚测量单元包括第一光阑和第二光阑，其中，所述第一光阑用于滤除第一特性的反射光所述第二光阑用于滤除第二特性的反射光。更进一步地，所述第一特性的反射光的反射角度小于所述第二特性的反射光的反射角度。第一光阑与所述第二光阑同光轴地设置，所述第一光阑的孔直径大于所述第二光阑的孔直径。

该实施方式提出了实现光选择性接收的结构，通过在光谱仪之前设置至少一个光阑，来将孔外的反射光滤除，实现了大成像区域的情况下，小区域的测量。

在一种实施方式中，所述指定的被测孔通过以下过程中的至少一项来确定：所述处理单元根据所述至少一个被测孔的检测路径来指定所述指定的被测孔；和所述处理单元响应于用户输入来指定所述指定的被测孔。

在一种实施方式中，所述测量系统还包括：机台，其用于承载所述被测样品，并且在所述处理单元的控制下移动；以及光源组件，其包括氙灯，用于提供入射至所述被测样品的入射光。

本发明另一方面提出了一种测量方法，包括：基于来自被测样品的第一反射光来获取被测样品表面的成像数据，所述成像数据包括被测区在所述被测样品的至少一个检测区域中的分布信息；基于来自所述被测样品的第二反射光来获取所述被测区的膜厚数据；以及基于所述分布信息来确定所述被测区的检测路径，并基于所述被测区的检测路径来获取每个被测区的膜厚的数据，进而实现对所述至少一个检测区域中的被测区的测量。

在一种实施方式中，基于所述分布信息来确定所述被测区的检测路径的过程包括：基于所述被测样品表面的区域性特征来确定所述至少一个检测区域，进而确定所述至少一个检测区域的检测路径；以及基于所述被测区的特征来确定所述被测区在所述至少一个检测区域中的分布，进而确定所述被测区的检测路径。

在一种实施方式中，当所述被测区为被测孔时，基于所述被测孔的特征来确定所述被测孔在所述至少一个检测区域中的分布的过程还包括：基于所述成像数据获得圆孔信息，其中，所述圆孔信息包括圆孔分布以及圆孔特征信息；以及基于所述被测孔的特征以及所获得的圆孔信息来确定所述被测孔在所述至少一个检测区域中的分布。

本发明在一个光学系统中实现了在大光斑照明基础上实现小区域测量，使得该方法能在同一光路中实现大面积成像、小面积膜厚测量，从而实现了对芯片上的tsv孔的全自动分析。本发明是一种非接触式测量方法，不会对芯片造成破坏，也不会产生污染，并且测量速度快，能用于生产过程中工艺监测。

附图说明

参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1为依据本发明实施例的tsv孔测量系统的架构图；

图2为图1中所示的tsv孔测量系统的光路示意图；

图3a为膜厚测量的原理示意图；

图3b、图3c为依据本发明实施例的tsv孔底膜厚测量示意图；

图4为依据本发明实施例的信号选择接收组件的示意图；

图5为依据本发明实施例的测量系统工作流程图；

图6为依据本发明实施例的单区域的tsv孔测量流程图。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

发明人通过研究发现，对于tsv孔底薄膜测量，由于被测区域十分小，必须排除孔外区域信号干扰。因此，发明人创造性地提出通过信号采集端光学设计，能在大光斑照明基础上实现tsv孔底膜厚分析，并且该光路可以实现芯片表面成像，从而在同一测量系统中实现tsv孔定位及孔径测量功能，进而实现芯片上tsv孔自动检测与分析。

首先对本申请中用到的一些术语进行说明。在本申请中，透镜组件可以包括任何所需要的物镜、管镜、分束器等等。当对被测样品表面进行成像时，“高倍率”成像、“低倍率”成像旨在说明该两种成像的倍率或应用场景不同，并非意在对具体的成像倍率进行限制。另外，本申请还涉及到被测孔外发出的“小角度光”和“大角度光”，这里角度大小旨在说明产生反射光的角度的不同，并非要将该两类角度限制为具体数值。

需要注意的是，本发明还可以用于测量其它类型的凹陷和凸起。譬如，被测区可以包括但不限于芯片上圆柱、沟槽、长孔、同心圆等。下文为了便于阐述本发明的构思，以被测区为被测孔(譬如，tsv孔)来举例。本领域技术人员能够理解的是，下文用tsv孔来举例并非旨在限制本发明的适用范围。

基于上述发明构思，本发明提出了包含两个光学支路的tsv孔测量系统。

图1为依据本发明实施例的孔底膜厚测量系统的架构图，该测量系统包括用于承载被测样品10的机台(未示出)、透镜组件20、成像单元21、膜厚测量单元22和处理单元23。

透镜组件20被配置为接收来自被测样品10的反射光，并将该反射光至少分为第一反射光和第二反射光。

成像单元21用于接收第一反射光，以获取被测样品10表面的成像数据，成像数据包括被测孔(包括但不限于tsv孔)在被测样品10的至少一个检测区域中的分布信息。这里的分布信息可以包括但不限于被测孔在检测区域中的位置、分布情况。

在以低倍率对被测样品10的表面进行成像时，成像单元21接收第一反射光，从而获取被测样品表面的成像数据。处理单元23接收到该成像数据后，可以根据被测样品10表面的各检测区域的区域性特征(譬如，各区域边缘处的标识)来对检测区域进行划分，进而确定该多个检测区域的检测路径。在以高倍率对被测样品10的表面进行成像时，成像单元21接收高倍率下的第一反射光，进而获得被测样品10表面更详细的特征，譬如，分布在被测样品10表面某一区域中的多个圆孔。处理单元23基于成像数据获得包括圆孔分布以及圆孔特征信息的圆孔信息，然后，基于被测孔的特征以及所获得的圆孔信息来确定这些圆孔中哪一些孔是被测孔(譬如，tsv孔)，进而获得被测孔的在被测样品10表面的分布。

在高倍率成像的条件下，膜厚测量单元22接收第二反射光，进而基于第二反射光来对被测样品10的被测孔的孔底膜厚进行分析测量。优选的，膜厚测量单元22可以将第二反射光中与孔底膜厚无关的光线滤除，进而获得仅表征孔底膜厚的数据。处理单元23根据分布信息来确定被测孔的检测路径，并基于被测孔的检测路径来使得膜厚测量单元22获得指定的被测孔的孔底膜厚的数据，进而实现对至少一个检测区域中的被测孔的测量。需要说明的是，这里的“指定的被测孔”可以是处理单元23依据检测路径来确定的，也可是处理单元23响应于用户输入，进而选择性地对被测孔进行测量。

基于上述内容，处理单元23通过分布信息可以获得被测孔在检测区域中的位置、分布情况，进而对被测孔的检测路径进行规划。当处理单元23确定只有一个检测区域时，处理单元23对该检测区域中的被测孔进行测量路径规划；当处理单元23确有两个以上的检测区域时，处理单元23先对该两个以上的检测区域进行检测区域级别的路径规划，然后，依据检测区域的检测路径，来对一检测区域中的被测孔进行测量路径规划。另外，处理单元23获得当前检测区域中的被测孔的分布后，基于被测孔的检测路径来获得每个被测孔的孔底膜厚的数据，进而实现对检测区域中的被测孔的测量，也就是将每个被测孔的孔底膜厚数据与每个被测孔的坐标或是其它标识联系在一起，以便获得整个被测样品10上的被测孔的孔底膜厚数据。

另外，为了使得被测孔的孔底与其在成像单元21和膜厚测量单元22上所成的像之间存在一一对应关系，被测样品10、成像单元21和膜厚测量单元22在光学路径上基于物像平面共轭关系来进行设置。换句话说，在光学路径上，成像单元21的光谱接收面、膜厚测量单元22的光谱接收面被设置为与被测样品10的反射面光学共轭。

应当注意的，虽然图1中并未将光源以及相关组件画出，本领域技术人员仍然能够理解的是，该测量系统应当包括适用的光源及其相关组件。另外，虽然图1将处理单元23作为单独的模块示出，但是处理单元23的功能也可以集成到成像单元21和膜厚测量单元22，从而使得成像单元21和膜厚测量单元22也具备数据处理能力。在一些实施例中，处理单元23可以是计算机、专用集成电路(asic)、集成在各图像获取单元中或单独的软硬件模块等等。

下面以tsv孔作为被测孔进行阐述。图2为图1中所示的tsv孔测量系统的光路示意图。该tsv孔测量系统200以氙灯作为光源，并选择波长380-700纳米作为测量区间。为了便于阐述，该测量系统并未将入射光源示出。

请参照如图2，tsv孔测量系统200包括沿光学传递路径设置在被测样品10之前的物镜201、管镜镜组202、分束器203、成像模块21、信号选择接收组件221以及光谱仪222。下面对测量系统200的光学信号传播路径进行阐述。

首先，光源的出射光由光纤耦合至照明光纤端口(未示出)，并由照明镜组(未示出)整形后经半透半反镜入射至物镜201，以会聚垂直状态入射至被测样品10的表面并与被测样品10发生作用产生反射光。该反射光由物镜201收集后，经由管镜镜组202整形后到达分束器203。分束器203将管镜镜组202的出射光至少分为第一反射光、第二反射光，其中，第一反射光由成像模块21(譬如，成像ccd)接收进行成像，第二部分经过信号选择接收组件221后，被光谱仪222接收。

在实际应用中，测量系统搭建完成后要进行参考光谱测量。具体而言，在被测样品10的支撑台上放置一个反射镜，调节电动移动平台高度，使得照射至反射镜镜面的光束处于会聚状态，再用光谱分析仪222直接测量通过选择性接收组件221得到的光谱分布，此时得到的光谱分布即为参考光谱。

成像模块21根据所接收到的管镜镜组202的出射光进行成像，通过图像识别进行实现tsv孔识别、定位以及孔径分析。确定好tsv孔的位置后，利用承载被测样品10的机台将待测tsv孔移至照明光斑中心位置，并将光斑聚焦至tsv孔底，在膜厚测量端利用光谱仪222测量通过选择性接收组件221的光谱分布，将该光谱分布除以前述的参考光谱可以得到反射谱分布，进而实现对tsv孔底膜厚的分析。

在本实施例中，对tsv孔底膜厚的分析是依照图3a所示的膜厚测量的原理进行的。入射光垂直入射至被测样品，反射光由被测样品的薄膜上下表面反射光相干叠加而成，上下表面反射光光程差决定反射率。光程差由光波长、薄膜厚度d以及折射率决定，当薄膜折射率已知时，通过测量一定波长范围内反射率变化便可得到薄膜厚度。

图3b、图3c为依据本发明实施例的tsv孔底膜厚测量示意图。

由于所有照明部分均会产生反射光，因此，对于tsv孔底膜厚测量，需要将光斑聚焦到tsv孔底，并根据来自孔底的反射光谱来确定tsv孔底膜厚。

如图3b、图3c所示，当入射光聚焦到tsv孔底时，孔的周边区域和孔底均会产生反射光。因此，为了实现对孔底膜厚的测量，需要将孔的周边区域所产生的反射光滤除(即被损耗的光)，然后对孔底的反射光进行分析，进而获得孔底的膜厚。图2中的信号选择接收组件221用于对发射光进行筛选，使得仅孔底部分的反射光能够被光谱仪222所接收，同时对孔的周边区域所产生的反射光进行衰减，从而实现大照明范围、小检测区域的效果。

下面结合图4对信号选择接收组件221进行详细阐述。

选择接收组件221包括沿光学路径设置在光谱仪接收面和透镜组件之间至少一个光阑。该至少一个光阑用于使得膜厚测量单元的光谱接收面仅接收由孔底所产生的反射光。以该接收组件包括同光轴设置的第一光阑2211、第二光阑2212为例进行阐述。第一光阑2211用于滤除第一特性的反射光，第二光阑2212用于滤除第二特性的反射光。在一种实施方式中，第一特性的反射光的反射角度小于第二特性的反射光的反射角度。

如图4所示，第一光阑2211、第二光阑2212的孔中心均在光轴上，并且第一光阑2211的直径大于第二光阑2212。在光学路径上，第一光阑2211离物平面较近，用于过滤除tsv孔周边区域所发出的小角度反射光(即l1，l2)，实现选择性信号接收。第二光阑2212离物平面较远，滤除tsv孔外边缘视场所发出的大角度反射光(l4)。通过两个光阑的结合，光谱仪222仅接收到物平面光轴中心附近发出的表征tsv孔底膜厚的小角度信号光。另外，同一位置(譬如，tsv孔周边区域)可能在产生小角度反射光的同时，还产生大角度反射光(l3)。基于第一、第二光阑的设置，该大角度反射光同样能够被第二光阑2212滤除。

基于上述配置，来自被测样品10的tsv孔底以及孔周边区域的信号光经由信号光收集组件30、然后通过第一光阑2211和第二光阑2212，光谱仪222将仅接收到表征tsv孔底膜厚的小角度信号光。

由前述可知，测量系统基于物像平面共轭关系进行设置，因此，被测样品10的表面与其在光谱仪222处所成的像之间具有一一对应关系。相应地，在光学路径上，信号选择性接收组件24设置在在接收端25(光谱仪)之前，从而便于确定孔底的膜厚分布。通过依据物像平面共轭来设置光学系统，并且设置信号选择性接收组件，可以优化信号过滤效果、降低系统杂散光的影响。

本领域技术人员可以理解的是，上述两个光阑大小由被测tsv孔的参数、信号收集系统放大倍率、收集系统物平面与像平面距离、光阑的位置等等多个因素有关。可以理解的，当其它因素不变时，tsv孔深宽比越大，所需光阑的尺寸越小；成像相对物的放大倍率越大，所需光阑越小；物像平面距离越大，所需光阑越小；以及光阑越靠近像平面，所需光阑越小。

下面对测量系统中的成像模块21在tsv孔的测量中的作用进行阐述。

成像模块21根据所接收到的第一反射光进行成像，处理单元23基于接收自成像模块21的数据来实现tsv孔识别、定位以及孔径分析。由此，可以根据tsv孔在被测样品上所分布的区域进行检测路径规划。在本实施例中，根据光斑尺寸对这些检测区域进行检测路径规划。待路径规划完成后，将按区域对tsv孔进行测量。

本发明还提出了一种测量方法，包括如下步骤：

基于来自被测样品的第一反射光来获取被测样品表面的成像数据，成像数据包括tsv孔在被测样品的至少一个检测区域中的分布信息；基于来自被测样品的第二反射光来获取tsv孔的孔底膜厚的数据；以及基于分布信息来确定tsv孔的检测路径，并基于孔的检测路径来获取每个tsv孔的孔底膜厚的数据，进而实现对至少一个检测区域中的tsv孔的测量。

对于上述的基于分布信息来确定tsv孔的检测路径的过程包括：基于所述被测样品表面的区域性特征来确定所述至少一个检测区域，进而确定所述至少一个检测区域的检测路径；以及基于所述tsv孔的特征来确定所述tsv孔在所述至少一个检测区域中的分布，进而确定所述tsv孔的检测路径。下面结合图5、6对上述的测量方法进行详细阐述。

图5示出了依据本发明实施例的测量系统工作流程图。

首先，执行步骤s501，将光斑聚焦至被测样品上表面进行成像(不限于低倍率成像)，进而获得被测样品上表面的成像数据，该成像数据将在后续步骤中被用来确定检测区域以及检测区域的检测路径。

然后，执行步骤s502：确定检测区域的检测路径。在该步骤中，根据被测样品10上的多个检测区域的特征来进行区域划分，进而确定该多个检测区域的检测路径。譬如，根据各个检测区域的特点来对检测区域的检测路径进行规划。在一实施方式，还可以根据光斑尺寸对这些检测区域进行检测路径规划。

接着，执行步骤s503：按区域对tsv孔进行测量。在该步骤中，依照所确定的检测路径，对选定的区域进行测量。可以理解的，也可以根据用户的指令来对特定的区域进行测量。具体的测量流程，将结合图6在下文进行描述。

接着，执行步骤s504：判断是否存在未检测的区域。

若存在，则执行步骤s503，若不存在，则前进到步骤s505，结束当前样品的测量工作。

图5所示的流程图包含了按区域测量tsv孔的步骤(即，步骤s503)，下面对该步骤进行详细阐述。图6示出了单区域的tsv孔测量流程图。需要明确的是，图6所示的测量流程是基于对被测样品表面进行高倍率成像所进行的。

首先，执行步骤s601，将光斑聚焦至被测样品上表面的待测区域进行成像(不限于高倍率成像)。通过该成像过程，可以根据图像识别的结果来获得被测样品表面圆孔的位置、轮廓、孔径等信息。可以理解的，该步骤中的成像过程可以与前述的确定区域检测路径的成像过程是同一过程，即在对多区域进行成像时，便可以获得其中单个区域中的圆孔分布。

然后，执行步骤s602：对tsv孔进行识别与定位。在该步骤中，根据被测样品tsv孔的特点即可进一步确定被测样品表面的圆孔中哪些为tsv孔，进而确定tsv孔的中心位置、孔径信息。

其次，执行步骤s603：规划tsv孔测量路径。在该步骤中，根据tsv孔在被测样品上的分布来规划测量路径，从而确定tsv孔的测量顺序。

然后，执行步骤s604：对tsv孔底膜厚进行测量。在该步骤中，依照规划路径，移动被测样品，进而将相应的tsv孔的中心移至被测光斑中心位置，然后将光斑中心聚焦至孔底。如此，光谱仪25将接收到表征孔底膜厚的信号光，进而获得当前的tsv孔底膜厚以及相应的分布。

接着，执行步骤s605：判断是否当前区域中的tsv孔已经测量完成。

在该步骤中，将依据步骤s603中所确定的测量路径判断是否所有的待测tsv孔已经全部测量完，若没有完成，则执行步骤s604，对下一tsv孔进行测量，若完成，则结束当前区域的tsv孔测量。可以理解的，虽然步骤s603中已经确定测量路径，但用户也可以指定对部分tsv孔进行测量，或者直接停止测量。

当依照图6中所示的流程对单区域的tsv孔完成测量后，然后根据规划的区域测量路径，对下一区域的tsv孔进行测量，直至完成对被测样品10的测量。

本发明在一个光学系统中实现了在大光斑照明基础上实现小区域测量，使得该方法能在同一光路中实现大面积成像、小面积膜厚测量，从而实现了对芯片上的tsv孔的全自动分析。本发明是一种非接触式测量方法，不会对芯片造成破坏，也不会产生污染，并且测量速度快，能用于生产过程中工艺监测。

因此，虽然参照特定的示例来描述了本发明，其中这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本发明进行限制。对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。