表征tsv微制造过程及其产品的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及检查在半导体衬底（substrate，基板）内和/或穿过半导体衬 底形成的结构。
【背景技术】
[0002] 近年来，使用通孔（Vias)作为有效地封装半导体装置的方法已迅速发展。遗憾的 是，对通孔的精确表征导致通常与更成熟的半导体制造过程关联的实现产量方面的困难。 因此，作为半导体装置和封装的制造过程的一部分，需要更精确地表征在半导体衬底上以 及穿过半导体衬底形成的通孔的性质。
【附图说明】
[0003] 图1是现有技术的使用3D封装技术形成的理想半导体装置的示意性剖视图。
[0004] 图2a_2c是外形渐细程度不同的通孔的剖视图。
[0005] 图3是衬底上形成的示例性TSV的示意性剖面。
[0006] 图4是示出确定TSV端部之间的尺寸和位置的偏移的示意图。
[0007] 图5是示出确定TSV端部之间的尺寸和位置的偏移的示意图，其中TSV端部的形 状不规则。
[0008] 图6是干涉仪的示意图，其中光源和分光仪至少部分地共享光纤导管。
[0009] 图7是干涉仪的示意图，其中光源和分光仪设置在光学系统的不同支路（leg)。
[0010] 图8a-8c是可用于在光学系统内施加差异色差的光学组件的图解视图。
[0011] 图9是干涉图的示意图，其将干涉仪所感测的干涉条纹（interference fringes) 的强度与干涉光的波长关联。
【具体实施方式】
[0012] 在以下对本发明的详细描述中，参考了形成本发明一部分的附图，且在这些附图 中，以图示方式示出了可实践本发明的具体实施方案。在所有这些附图中，相同的附图标记 描述基本相似的组件。对这些实施方案进行了足够详细的描述，以使得本领域中的技术人 员能够实践本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可采用其它实施方案，且可进行结 构、逻辑和电气上的改变。因此，不应从限制意义上理解以下详细描述，且本发明的范围仅 由所附权利要求及其等同物限定。
[0013] 在图1中可看到使用高级3D封装技术封装的理想半导体装置的剖面。各个芯片 或晶片（die，管芯）通过中介层（interposer，插入器）和球栅阵列封装连接至外部电子基 础设施（例如电路板），而非使用实际线丝（金丝或铜丝）。在图中可看出，硅通孔或TSV 用于将耦接至封装正面或形成为封装正面的部件的晶片电连接。一般而言，TSV仅仅为穿 过衬底形成的孔，衬底填充有导电材料以使电流穿过衬底。因此，预期了除图1示出的TSV 的构造和应用之外的构造和应用。
[0014] 由于TSV的目的是引导电流穿过电介质衬底，因此当TSV的剖面不规则、被错放、 遗漏或其他形式的畸形时可出现问题。在这些情况的每一种情况下，TSV将无法实现其电 流运载功能。允许TSV的位置和形式一定量的变化，但是过度变化将导致制造产量较低、不 可靠以及经济损失。
[0015] 在图1中可看出，理想的TSV将具有规则的剖面形状。通常，理想的TSV将是均匀 多面体或柱体。在这种情况下，电气特性沿其整个深度或长度将基本均匀。然而，由于通常 用于形成TSV的微制造过程的性质，TSV可趋于近似截锥的形状，即如图2a中看到的截头 锥体。在某些情况下这可以是能接受的，但是必须对其进行监控以适当地管理产量。根据 用于形成TSV的过程的性质，TSV也可变得不对称，如图2b的实例中所示。根据其不对称 的程度，该类型的不对称可导致不可接受的电气特性（例如，载流量、电阻、电容），或导致 使得电连接困难、不可靠或甚至不可能的几何错位。其它差异可能由不合规格的微制造过 程或由材料变化造成。例如，图2c中的TSV(其具有过大的顶部表面和尺寸过小的底部表 面）可由微制造工具的不当操作造成，或由形成TSV的衬底的尚未确定或已随时间改变的 局部或全局性能造成。
[0016] 对TSV的评估以及对微制造过程的监控通常分步进行，该过程首先从形成孔20开 始，孔20最终将成为衬底22上的TSV。如图3所示，在衬底22上形成四个单独的孔20。孔 20是利用已知的微制造技术形成的，例如干蚀刻或湿蚀刻，或通过使用激光进行烧蚀、聚焦 离子束铣削等。在理想条件下，将形成对称形式的孔20,例如柱体或合适的多面体（参见最 左边的孔20)。在不理想的条件下，例如微制造工具不合规范的条件下，可形成过大、过小、 过深、过浅、不对称、畸形或含有碎肩的孔20。应注意，在图3中，虚线24指示想要形成的孔 20的深度。该深度通常通过在规定时间段内应用选择的微制造工具实现的。其中，使用了 等离子体蚀刻系统，例如过高或过低的等离子体温度或浓度可导致TSV存在差异。
[0017] -旦已形成了孔20，便可进行检查步骤。在一个实施方案中，检查步骤为高分辨率 光学成像过程，其中捕捉了所有或选择的一些孔20的图像。可用于捕捉孔20的上端的高 分辨率图像的光学成像和检查系统的实例是由新泽西，法兰德斯（Flanders)的鲁道夫科 技公司（Rudolph Technologies, Inc)销售的名为NSX?的系统。从关于孔20的图像信 息可得出，包括但不限于XY位置、孔20的上端的直径、孔相对于形成有孔的衬底的对准、与 在衬底上的结构的对准、孔20的间距、孔20图案的歪斜、孔20图案中的重要缺陷、直径变 化、存在与缺失等。记录XY位置以及所需的任何其它信息（例如，孔20的直径）以稍后进 行评估。一旦捕捉了所有选择的孔20的所有图像，可在获得图像时对孔20进行检查，或在 某个时间和/或远离衬底和作用于衬底的过程和检查系统的地点进行离线检查。
[0018] 检查可涉及将从检查图像捕捉的数据与用户所定义的预定标准进行简单比较。替 代地，可对孔20进行评估以确定用于形成孔的过程是否已随时间改变或已改变至何种程 度，以及确定只要满足了一些有关尺寸和布置的基本标准，则不同的孔或形成有孔的衬底 也是可接受的。应注意，在发现单个孔或一组孔有差异的情况下，结果有可能是丢弃整个衬 底。替代地，更为经常的情况是，形成有孔的衬底（硅晶片（silicon wafer，硅片））可被划 分或可旨在被划分成在单个封装中使用的离散中介层结构。这种情况下，跟踪全部有差异 的单元并丢弃那些不可用的单元是有意义的。经常使用常被称为晶片图（wafer map)的简 单数据库或数据文件来进行此跟踪。在过去，会用墨点标记衬底的有差异部分以表示该单 元不可用。简言之，在制造 TSV的各个阶段检查TSV及其组成部分包括将从结构得出的信 息与一些专用标准或从结构自身得出的标准进行比较。是否使用单元完全取决于制造设施 的操作者，且应注意，TSV和/或形成有TSV的衬底所必需的质量水平可因操作员或结构而 异。
[0019] 捕捉孔20的顶端的图像的检查步骤可在孔20形成之后，以及孔20已充满导电材 料并被平面化以暴露孔20的上端之后立即进行，或可在这两个步骤处进行。应注意，在一 些应用中，用导电材料填充孔20的过程（通常被称为金属化）可掩盖孔20的上端。在这 些情况下，理想的是在金属化之前进行检查，或使用感测通过不透明材料的孔20的上端的 直径的检查系统。这种类型的一种系统是由新泽西，法兰德斯（Flanders)的鲁道夫科技公 司（Rudolph Technologies, Inc)销售的名为METAPULSE?的光声测量系统。虽然就 检查设备和/或在两个单独的微制造过程之后进行检查所必需的时间而言，其可能是经济 的，但在每个加工步骤之后捕捉关于TSV的检查数据则可能是有益的。在某些情况下，可能 的是，关于TSV的信息可作为检查或计量过程（例如，对电路的光学检查或对衬底表面上的 结构的光声测量）的附带结果而获得。
[0020] 评估TSV的过程中的另一个步骤是确定形成TSV的孔20相对于形成有孔20的衬 底的位置。通过将支撑衬底的机械运动机构（级/顶板）校准至捕捉运动机构上的衬底的 图像的成像系统，便能够确定成像系统所成像的TSV/孔的位置。相似的确定衬底的周边和 对准结构的位置的校准步骤有助于确定成像的TSV相对于衬底自身的位置。
[0021] 也可使用在衬底上形成的框标使TSV在衬底上定位，框标连同TSV-起被成像。在 另一个实施方案中，衬底表面上可见的衬底特征（包括电路或甚至缺陷，例如碎裂、裂缝或 刮痕）可用于使TSV在衬底本身上定位或相对于衬底上的其它特征定位。应注意，如以下 将描述的那样，重要的是确保为使TSV在衬底顶部表面上定位而建立的坐标系与为使TSV 的底端定位在衬底底部表面上而建立的坐标系对准。
[0022] -旦TSV的上端已定位且其所需的特征已确定，便有必要确定TSV底端的位置和 特