本發(fā)明涉及一種集成電路制造裝備領(lǐng)域,尤其涉及一種測(cè)量通孔硅形貌的裝置與方法。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，減小器件的尺寸已經(jīng)變得越來越困難。一個(gè)克服這些困難的的途徑是將多種半導(dǎo)體器件（芯片）在垂直方向上進(jìn)行集成。這一途徑將允許在一個(gè)應(yīng)用單元上集成大量的器件，同時(shí)也允許在一個(gè)系統(tǒng)上集成多種具有不同功能的芯片（例如傳感、處理器和存儲(chǔ)器），從而實(shí)現(xiàn)更好的功能性能。

當(dāng)前迅速發(fā)展的一種垂直集成技術(shù)是基于通孔硅（TSV）的集成技術(shù)。相比與其它技術(shù)，TSV是一種高性能的技術(shù)。這是因?yàn)門SV的密度可以做的非常大，同時(shí)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(duì)于其它封裝互連技術(shù)（如Wire Bonding）具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

TSV流程中一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟是通孔的形成，為了持續(xù)獲得滿足需求的通孔質(zhì)量，需要在TSV制備流程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制孔的關(guān)鍵參數(shù)、例如頂部孔徑、底部孔徑和孔深。

傳統(tǒng)在線測(cè)量技術(shù)包括明/暗場(chǎng)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(chǎng)顯微鏡具有較高的水平向分辨率，但它們難以測(cè)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(jìn)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(duì)孔深的測(cè)量也表現(xiàn)得越發(fā)艱難。

在這種背景下，近幾年，人們開始開發(fā)新的測(cè)量手段來測(cè)量小孔徑、大深寬比TSV的技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)，如美國(guó)專利US8649016、US20130308131公開了幾種測(cè)量手段。如基于暗場(chǎng)的散射測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)通過偏振調(diào)制或瞳面光強(qiáng)調(diào)制等手段，阻擋入射光方向的鏡面反射光到達(dá)接收端，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔側(cè)壁角反射光的高信噪比測(cè)量。又如基于多波長(zhǎng)紅外反射儀的測(cè)量方法，該方法利用了兩個(gè)技術(shù)原理，一是利用孔底部和頂部反射信號(hào)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(cè)量不受孔深影響。但是該方法受限于小NA和長(zhǎng)波長(zhǎng)，測(cè)量光斑比較大，在測(cè)量小直徑深孔時(shí)，噪聲大，精度差。再如，紅外光共焦顯微鏡技術(shù)，可以測(cè)量直徑5um以上的孔的孔深。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供對(duì)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(cè)量的裝置及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開一種測(cè)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(diào)整該照明光束并照射至一待測(cè)通孔硅的刻蝕面或非刻蝕面；一成像探測(cè)單元，用于探測(cè)該照明光束照射至該待測(cè)通孔硅的正面或反面時(shí)所產(chǎn)生的衍射角譜信號(hào)；一處理單元，用于根據(jù)該衍射角譜信號(hào)獲得該待測(cè)通孔硅的形貌信息。

更進(jìn)一步地，該處理單元將該衍射角譜信號(hào)進(jìn)行逆向求解以獲得該待測(cè)通孔硅的形貌信息。

更進(jìn)一步地，該處理單元將該衍射角譜信號(hào)與仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，以獲得該待測(cè)通孔硅的形貌信息。

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

更進(jìn)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(chǎng)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(jìn)一步地，該視場(chǎng)光闌沿與照明光束垂直的位置移動(dòng)。

更進(jìn)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(cè)通孔硅的刻蝕面。

更進(jìn)一步地，該成像探測(cè)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(cè)器。

更進(jìn)一步地，該成像物鏡以及該第一CCD探測(cè)器之間放置一遮擋光闌用于遮擋該衍射角譜信號(hào)的零級(jí)光。

更進(jìn)一步地，該成像探測(cè)單元還包括一第二CCD探測(cè)器，該第一第二CCD探測(cè)器分別用于探測(cè)反射面方向的衍射角譜信號(hào)和透射方向的衍射角譜信號(hào)。

更進(jìn)一步地，該成像探測(cè)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(hào)和透射方向的衍射角譜信號(hào)均成像至該第一CCD探測(cè)器。

本發(fā)明同時(shí)公開一種測(cè)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(cè)通孔硅的刻蝕面或非刻蝕面；步驟二：探測(cè)該照明光束照射至該待測(cè)通孔硅的正面或反面時(shí)所產(chǎn)生的衍射角譜信號(hào)；步驟三：將該衍射角譜信號(hào)進(jìn)行逆向求解或與仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比以獲得該待測(cè)通孔硅的形貌信息。

更進(jìn)一步地，該步驟三中仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)電磁波信息和材料信息獲得。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于：

第一、本發(fā)明采用角譜測(cè)量，提取同時(shí)反映孔深、側(cè)壁、孔徑形貌的高級(jí)次角譜信號(hào)，可以對(duì)這些參量同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

第二、本發(fā)明采用紅外光進(jìn)行測(cè)量，只需要一種波長(zhǎng)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?nèi)肷浣嵌?，從而獲得更多的測(cè)量信息。

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

第四、本發(fā)明不需要進(jìn)行垂向掃描，測(cè)量效率更高。

附圖說明

關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。

圖1是通孔硅衍射角譜示意圖；

圖2是本發(fā)明所提供的通孔硅的測(cè)量方法示意圖；

圖3是本發(fā)明所提供的通孔硅測(cè)量裝置的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明所提供的通孔硅測(cè)量裝置的第二實(shí)施方式及傾斜入射時(shí)衍射角譜示意圖；

圖5是本發(fā)明所提供的通孔硅測(cè)量裝置的第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明所提供的通孔硅測(cè)量裝置的第四實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明所提供的通孔硅測(cè)量裝置的第五實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)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(shí)會(huì)發(fā)生衍射，如圖1（a）所示。衍射角譜（如圖1（b））與孔的形貌有關(guān)，因此，可以通過分析衍射角譜信號(hào)獲知孔頂部、底部孔徑、孔深關(guān)鍵形貌信息。

本發(fā)明是基于以上原理，通過將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(xué)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(jì)算不同3D形貌TSV的角譜，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，從而構(gòu)成一個(gè)樣本庫(kù)205。測(cè)量時(shí)測(cè)量TSV的形貌信息（包括孔徑、底部孔徑、孔深關(guān)鍵形貌信息）201，將測(cè)量到的角譜204進(jìn)行逆向求解或直接與樣本庫(kù)中的角譜進(jìn)行匹配205，從而求得測(cè)量樣品的形貌參數(shù)。

以下將介紹若干種實(shí)施方式以充分說明本發(fā)明所提供的測(cè)量通孔硅形貌的裝置。

本發(fā)明所提供的測(cè)量通孔硅形貌的裝置的第一實(shí)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(chǎng)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(fā)出的激光經(jīng)過偏振片2，從而獲得期望偏振方向的線偏振光。視場(chǎng)光闌3置于與測(cè)量樣品面共軛的位置，其作用是限定硅片面照明視場(chǎng)的大小，從而對(duì)一個(gè)或數(shù)個(gè)TSV深孔進(jìn)行照明，視場(chǎng)光闌3要求大小可調(diào)，以適應(yīng)不同孔徑和孔數(shù)目的測(cè)量需求。一般情況下，視場(chǎng)光闌3應(yīng)該剛好覆蓋所測(cè)TSV深孔，不可比深孔小，以免衍射光不能反映孔的真實(shí)形貌，也不可過大，以免引入雜散光?？讖焦怅@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(qū)分零級(jí)光和高級(jí)光。用一反射鏡6（或分光鏡）將光偏折90度，從而對(duì)TSV樣品8進(jìn)行照明。

實(shí)施例1中，通過調(diào)節(jié)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(duì)硅片的強(qiáng)穿透能力，將會(huì)在TSV的刻蝕面一方探測(cè)到攜帶了TSV形貌信息的角譜信號(hào)。

成像光路中，包含成像物鏡10，其作用是將TSV衍射角譜信號(hào)進(jìn)行收集并成像到CCD探測(cè)器12的探測(cè)面上，在成像物鏡10的后焦面上，可以選擇放置一個(gè)遮擋光闌11，從而過濾掉不攜帶TSV孔洞信息但是強(qiáng)度非常強(qiáng)的零級(jí)光，也可以選擇不放置光闌11。

測(cè)量過程通過控制器13進(jìn)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(tái)7的運(yùn)動(dòng)、CCD的信號(hào)采集。

計(jì)算機(jī)14起兩個(gè)作用，其一是發(fā)送信號(hào)到控制器13從而對(duì)測(cè)量過程中的相關(guān)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。其二是將測(cè)量到的角譜信號(hào)進(jìn)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(fā)明所提供的第二實(shí)施例見圖4（a）所示。與第一實(shí)施方式不一樣的是，該實(shí)施方式下孔徑光闌5的位置可以沿光線垂直的方向移動(dòng)，可以通過移動(dòng)孔徑光闌5的位置，改變?nèi)肷浣堑拇笮?，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(hào)數(shù)據(jù)，有利于提高測(cè)量精度，尤其是提高孔深的測(cè)量精度。圖4（b）是傾斜入射時(shí)衍射角譜示意圖。

本發(fā)明所提供的第三實(shí)施例見圖5所示，入射光從TSV樣品刻蝕面垂直入射，CCD探測(cè)器測(cè)量反射面方向的角譜信號(hào)。此時(shí)遮擋光闌11同時(shí)起著90°偏轉(zhuǎn)光傳播方向和遮擋零級(jí)光的作用。

在第三實(shí)施例基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)實(shí)施方案中，孔徑光闌5的位置可以沿光線垂直的方向移動(dòng)，可以通過移動(dòng)孔徑光闌5的位置，改變?nèi)肷浣堑拇笮?，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(hào)數(shù)據(jù)，有利于提高測(cè)量精度。

本發(fā)明所提供的第四實(shí)施例見圖6所示。該實(shí)施例中采用兩個(gè)CCD探測(cè)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(shí)安裝CCD探測(cè)器12a和12b，如圖6所示，這樣可以同時(shí)探測(cè)反射面方向的角譜信號(hào)和透射方向的角譜信號(hào)，提高測(cè)量精度。

在第四實(shí)施例基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)實(shí)施方案中，孔徑光闌5的位置可以沿光線垂直的方向移動(dòng)，可以通過移動(dòng)孔徑光闌5的位置，改變?nèi)肷浣堑拇笮。瑥亩@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(hào)數(shù)據(jù)，有利于提高測(cè)量精度。

本發(fā)明所提供的第五實(shí)施例見圖7所示。該實(shí)施例中引入了中繼光路13，將反射方向角譜信號(hào)和透射方向角譜信號(hào)都成像在同一個(gè)CCD12a上，該實(shí)施例的技術(shù)效果為節(jié)約了設(shè)備成本。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于：

第一、本發(fā)明采用角譜測(cè)量，提取同時(shí)反映孔深、側(cè)壁、孔徑形貌的高級(jí)次角譜信號(hào)，可以對(duì)這些參量同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

第二、本發(fā)明采用紅外光進(jìn)行測(cè)量，只需要一種波長(zhǎng)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?nèi)肷浣嵌?，從而獲得更多的測(cè)量信息。

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

第四、本發(fā)明不需要進(jìn)行垂向掃描，測(cè)量效率更高。

本說明書中所述的只是本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。