[发明专利]三维图形检测装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种三维图形检测装置及测量方法。

背景技术

随着半导体制造技术的发展，芯片的集成度不断提高，为满足摩尔定律，进一步减小器件的特征尺寸已变得愈加困难。为克服上述困难，一种基于硅通孔(TSV，through Silicon Via)的垂直封装技术逐步发展起来，它可以获得更高集成度的半导体器件。TSV是通过在芯片和芯片、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的3D封装技术，与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度更大，单位面积上集成度更高，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV的各项参量(包括孔径、深度、侧壁形貌等)都会影响到器件的电学性能，因此，为保证半导体器件的质量，需要对TSV进行检测。

TSV通常采用刻蚀方法形成，典型的TSV孔直径为1～50um，孔深最大可达200um，深宽比最高可达20:1。因此，一般的基于成像的缺陷检测设备很难测量TSV的内部信息。目前的TSV检查装置有两种，一种TSV检查装置，通过宽光谱光束照射待测硅片，滤除高级次衍射光，采用光谱仪配合阵列CCD记录不同波长的反射光强，利用仿真建模的方法分析探测信号，从而获得TSV各项参量。另外一种TSV检测装置，则采用暗场测量方式，滤除零级反射光，只收集高级次的衍射光信号，通过仿真建模的方法测量TSV各项参量。

上述两种TSV检测装置的测量方案具有很多相似之处：

1，两者均采用光谱分析的原理，即根据不同波长反射率的变化计算相关参数，因此都必须采用高分辨率的光谱仪或其他分光器件，增加设备成本；

2，前者只探测待测硅片的零级反射光，而后者只探测待测硅片的高级衍射光，光能利用效率不高；

3，两者均采用仿真建模的求解方法，即需对比实际测量的光谱与模拟计算的光谱曲线，寻找最优匹配结果，为加速收敛，需预先定义待测硅片的工艺参数，即各膜层的厚度、折射率等；

4，为保证测量精度，两者照明视场较小，探测光斑直径只有几十微米，仅略大于TSV直径，一次只能检测单个TSV。

发明内容

本发明提供一种三维图形检测装置及测量方法，以克服现有技术需要高分辨率的光谱仪、光能利用率低、求解需仿真建模，并且一次只能检测单个TSV的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种三维图形检测装置，包括：照明投影模块，用于产生探测光束及参考光束，并将探测光束投影到所述待测样品表面；参考成像模块，包括一参考平面，所述参考成像模块用于收集投射到所述参考平面处的所述参考光束，以产生参考光光强分布信号；探测成像模块，用于收集待测样品表面的反射及衍射光，以产生探测光光强分布信号；以及控制处理模块，用于将所述探测光光强分布信号与参考光光强分布信号进行强度关联运算，获取待测样品表面形貌参数；其中关联运算的函数为I_r为参考平面处的光强分布，I_t为待测样品处光强分布；根据公式获得待测样品表面形貌参数，其中Λ＝λZ²/D²，D为可变光阑的孔径，Z为参考平面到可变光阑的距离，λ为探测波长，h为三维形貌图的深度。

作为优选，所述照明投影模块沿光传播方向依次包括：照明光源、光学调制组件、可变光阑以及分束器，所述照明光源产生的光束经所述光学调制组件、可变光阑及分束器后形成探测光束及参考光束。

作为优选，所述照明光源为热光源，所述热光源采用汞灯、氙灯、金属卤化物灯或空心阴极灯。

作为优选，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的准直透镜、起偏器、滤光片和透镜，用于对所述照明光源发出的光进行括束整形。

作为优选，所述照明光源采用多个波长不同的激光器，所述多个激光器产生的激光通过单模保偏光纤和多路转换器进入所述光学调制组件。

作为优选，所述光学调制组件包括沿光传播方向依次设置的扩束器、旋转玻璃、起偏器和透镜，用于对所述照明光源发出的光进行括束整形。

作为优选，所述旋转玻璃由一电机控制旋转。

作为优选，所述参考成像模块包括第一成像透镜及第一探测器，所述第一成像透镜用于将投射到所述参考平面处的参考光成像到所述第一探测器表面，所述第一探测器产生参考光光强分布信号并输出至所述控制处理模块。