一种测量通孔硅形貌的装置与方法与流程

本发明涉及一种集成电路制造装备领域,尤其涉及一种测量通孔硅形貌的装置与方法。

背景技术：

随着半导体技术的发展，减小器件的尺寸已经变得越来越困难。一个克服这些困难的的途径是将多种半导体器件（芯片）在垂直方向上进行集成。这一途径将允许在一个应用单元上集成大量的器件，同时也允许在一个系统上集成多种具有不同功能的芯片（例如传感、处理器和存储器），从而实现更好的功能性能。

当前迅速发展的一种垂直集成技术是基于通孔硅（TSV）的集成技术。相比与其它技术，TSV是一种高性能的技术。这是因为TSV的密度可以做的非常大，同时TSV连线可以做得更短，从而使TSV互连在集成密度、通讯速度、功耗等方面，相对于其它封装互连技术（如Wire Bonding）具有相当的优势。

TSV流程中一个非常关键的步骤是通孔的形成，为了持续获得满足需求的通孔质量，需要在TSV制备流程中实时监测、控制孔的关键参数、例如顶部孔径、底部孔径和孔深。

传统在线测量技术包括明/暗场显微镜、红外显微镜、白光干涉仪（Veeco）、共焦显微镜。然而其各有不足，例如，明/暗场显微镜具有较高的水平向分辨率，但它们难以测量孔深，白光干涉仪则与之相反，其垂向分辨率较高，但水平向分辨率不足，共焦显微镜则需要在垂向进行扫描。效率低下。并且，随着TSV孔径的减小以及深宽比的增大，即便是白光干涉仪或可见光共焦显微镜，对孔深的测量也表现得越发艰难。

在这种背景下，近几年，人们开始开发新的测量手段来测量小孔径、大深宽比TSV的技术。现有技术，如美国专利US8649016、US20130308131公开了几种测量手段。如基于暗场的散射测量技术，该技术通过偏振调制或瞳面光强调制等手段，阻挡入射光方向的镜面反射光到达接收端，实现对孔侧壁角反射光的高信噪比测量。又如基于多波长红外反射仪的测量方法，该方法利用了两个技术原理，一是利用孔底部和顶部反射信号的相干叠加，所以随着入射光频率的变化，反射率呈周期变化。通过提取反射率的光谱信息，推算孔深。二是利用红外光可以穿透硅片，测量不受孔深影响。但是该方法受限于小NA和长波长，测量光斑比较大，在测量小直径深孔时，噪声大，精度差。再如，红外光共焦显微镜技术，可以测量直径5um以上的孔的孔深。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供对小孔径、大深宽比TSV顶部孔径、顶部孔径和孔深的无损伤在线测量的装置及方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种测量通孔硅形貌信息的装置，包括：一红外激光光源，用于提供一照明光束；一照明单元，用于调整该照明光束并照射至一待测通孔硅的刻蚀面或非刻蚀面；一成像探测单元，用于探测该照明光束照射至该待测通孔硅的正面或反面时所产生的衍射角谱信号；一处理单元，用于根据该衍射角谱信号获得该待测通孔硅的形貌信息。

更进一步地，该处理单元将该衍射角谱信号进行逆向求解以获得该待测通孔硅的形貌信息。

更进一步地，该处理单元将该衍射角谱信号与仿真实验数据相对比，以获得该待测通孔硅的形貌信息。

更进一步地，该照明光束垂直或按一定入射角照射至该待测通孔硅的刻蚀面或非刻蚀面。

更进一步地，该照明单元按光线传播的方向依次包括一偏振片、一视场光阑、一第一照明组件、一孔径光阑、一反射镜或分光镜以及第二照明组件。

更进一步地，该视场光阑沿与照明光束垂直的位置移动。

更进一步地，该照明光束从第二照明组件出射至一遮挡光阑至该待测通孔硅的刻蚀面。

更进一步地，该成像探测单元按光线传播的方向依次包括一成像物镜以及第一CCD探测器。

更进一步地，该成像物镜以及该第一CCD探测器之间放置一遮挡光阑用于遮挡该衍射角谱信号的零级光。

更进一步地，该成像探测单元还包括一第二CCD探测器，该第一第二CCD探测器分别用于探测反射面方向的衍射角谱信号和透射方向的衍射角谱信号。

更进一步地，该成像探测单元还包括一中继透镜，用于将反射面方向的衍射角谱信号和透射方向的衍射角谱信号均成像至该第一CCD探测器。

本发明同时公开一种测量通孔硅形貌信息的方法，包括：步骤一：利用一红外照明光束照射至一待测通孔硅的刻蚀面或非刻蚀面；步骤二：探测该照明光束照射至该待测通孔硅的正面或反面时所产生的衍射角谱信号；步骤三：将该衍射角谱信号进行逆向求解或与仿真实验数据相对比以获得该待测通孔硅的形貌信息。

更进一步地，该步骤三中仿真实验数据根据电磁波信息和材料信息获得。

与现有技术相比较，本发明的技术优点在于：

第一、本发明采用角谱测量，提取同时反映孔深、侧壁、孔径形貌的高级次角谱信号，可以对这些参量同时进行测量。

第二、本发明采用红外光进行测量，只需要一种波长的电磁波，可以更好的穿透TSV样品，提取TSV底部信息，可以任意改变入射角度，从而获得更多的测量信息。

第三、本发明可以同时采集反射面方向角谱信号和透射面方向角谱信号，可以获得更多反映形貌的信息。

第四、本发明不需要进行垂向扫描，测量效率更高。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是通孔硅衍射角谱示意图；

图2是本发明所提供的通孔硅的测量方法示意图；

图3是本发明所提供的通孔硅测量装置的第一实施方式的结构示意图；

图4是本发明所提供的通孔硅测量装置的第二实施方式及倾斜入射时衍射角谱示意图；

图5是本发明所提供的通孔硅测量装置的第三实施方式的结构示意图；

图6是本发明所提供的通孔硅测量装置的第四实施方式的结构示意图；

图7是本发明所提供的通孔硅测量装置的第五实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1是通孔硅衍射角谱示意图。如图1所示，入射红外光照射TSV深孔时会发生衍射，如图1（a）所示。衍射角谱（如图1（b））与孔的形貌有关，因此，可以通过分析衍射角谱信号获知孔顶部、底部孔径、孔深关键形貌信息。

本发明是基于以上原理，通过将仿真数据与实验数据进行对比，逆向求解获得孔的形貌信息的。逆向求解思路如图2所示，通过电磁学理论建模方式，将电磁波信息202和材料信息203作为输入值，以计算不同3D形貌TSV的角谱，并存储在计算机上，从而构成一个样本库205。测量时测量TSV的形貌信息（包括孔径、底部孔径、孔深关键形貌信息）201，将测量到的角谱204进行逆向求解或直接与样本库中的角谱进行匹配205，从而求得测量样品的形貌参数。

以下将介绍若干种实施方式以充分说明本发明所提供的测量通孔硅形貌的装置。

本发明所提供的测量通孔硅形貌的装置的第一实施方式见图3所示。照明光路中，包含红外激光光源1、偏振片2、视场光阑3、照明镜组4、孔径光阑5和反射镜6。红外激光光源发出的激光经过偏振片2，从而获得期望偏振方向的线偏振光。视场光阑3置于与测量样品面共轭的位置，其作用是限定硅片面照明视场的大小，从而对一个或数个TSV深孔进行照明，视场光阑3要求大小可调，以适应不同孔径和孔数目的测量需求。一般情况下，视场光阑3应该刚好覆盖所测TSV深孔，不可比深孔小，以免衍射光不能反映孔的真实形貌，也不可过大，以免引入杂散光。孔径光阑5放置在与成像物镜10瞳面共轭的位置，其作用是限定入射光的入射角范围。在保证足够照度的情况下，孔径光阑5的直径选取通常是越小越好，以使入射到TSV深孔上的光近似平行光，从而更好的区分零级光和高级光。用一反射镜6（或分光镜）将光偏折90度，从而对TSV样品8进行照明。

实施例1中，通过调节孔径光阑5的位置，使红外激光从TSV样品8非刻蚀面垂直入射，由于红外光对硅片的强穿透能力，将会在TSV的刻蚀面一方探测到携带了TSV形貌信息的角谱信号。

成像光路中，包含成像物镜10，其作用是将TSV衍射角谱信号进行收集并成像到CCD探测器12的探测面上，在成像物镜10的后焦面上，可以选择放置一个遮挡光阑11，从而过滤掉不携带TSV孔洞信息但是强度非常强的零级光，也可以选择不放置光阑11。

测量过程通过控制器13进行控制，控制器13需要控制红外激光1的功率，偏振片2的偏振方向，样品承载台7的运动、CCD的信号采集。

计算机14起两个作用，其一是发送信号到控制器13从而对测量过程中的相关器件进行实时控制。其二是将测量到的角谱信号进行逆向求解（或匹配求解），从而获得TSV深孔的3D形貌信息。

本发明所提供的第二实施例见图4（a）所示。与第一实施方式不一样的是，该实施方式下孔径光阑5的位置可以沿光线垂直的方向移动，可以通过移动孔径光阑5的位置，改变入射角的大小，从而获得不同入射角下的衍射角谱信息，这样就能获得更多的角谱信号数据，有利于提高测量精度，尤其是提高孔深的测量精度。图4（b）是倾斜入射时衍射角谱示意图。

本发明所提供的第三实施例见图5所示，入射光从TSV样品刻蚀面垂直入射，CCD探测器测量反射面方向的角谱信号。此时遮挡光阑11同时起着90°偏转光传播方向和遮挡零级光的作用。

在第三实施例基础上的一种改进实施方案中，孔径光阑5的位置可以沿光线垂直的方向移动，可以通过移动孔径光阑5的位置，改变入射角的大小，从而获得不同入射角下的衍射角谱信息，这样就能获得更多的角谱信号数据，有利于提高测量精度。

本发明所提供的第四实施例见图6所示。该实施例中采用两个CCD探测器，入射光垂直从TSV刻蚀面入射，并在刻蚀面方向和非刻蚀面方向同时安装CCD探测器12a和12b，如图6所示，这样可以同时探测反射面方向的角谱信号和透射方向的角谱信号，提高测量精度。

在第四实施例基础上的一种改进实施方案中，孔径光阑5的位置可以沿光线垂直的方向移动，可以通过移动孔径光阑5的位置，改变入射角的大小，从而获得不同入射角下的衍射角谱信息，这样就能获得更多的角谱信号数据，有利于提高测量精度。

本发明所提供的第五实施例见图7所示。该实施例中引入了中继光路13，将反射方向角谱信号和透射方向角谱信号都成像在同一个CCD12a上，该实施例的技术效果为节约了设备成本。

与现有技术相比较，本发明的技术优点在于：

第一、本发明采用角谱测量，提取同时反映孔深、侧壁、孔径形貌的高级次角谱信号，可以对这些参量同时进行测量。

第二、本发明采用红外光进行测量，只需要一种波长的电磁波，可以更好的穿透TSV样品，提取TSV底部信息，可以任意改变入射角度，从而获得更多的测量信息。

第三、本发明可以同时采集反射面方向角谱信号和透射面方向角谱信号，可以获得更多反映形貌的信息。

第四、本发明不需要进行垂向扫描，测量效率更高。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。