TW201518679A - 形狀測定裝置及形狀測定方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種能夠以簡易的構成來抑制振動的影響之形狀測定裝置及形狀測定方法。 本發明之形狀測定裝置1係具備：具有與樣本S的表面SS相對之參照平面41之半透明光學構件4；通過光學構件4將具有指定的波長區域的光照射在樣本S的表面SS之光源2；針對樣本S的表面SS上被定義的線狀區域之各位置測定反射光譜之影像分光器6；及基於在線狀區域的各位置所測定到的反射光譜，來計算出線狀區域的各位置與參照平面41間之距離的演算部7。

Description

形狀測定裝置及形狀測定方法

本發明係關於形狀測定裝置及形狀測定方法，特別是關於一種利用參照平面來測定樣本的表面形狀之技術。

在專利文獻1已揭示了一種利用邁克生干涉儀(Michelson interferometer)原理，藉由影像分光器(分光器+二維攝影元件)，對於照射在待檢測面與參照面之白色光的反射光譜進行單發攝影，以解析待檢測面的凹凸形狀之習用技術。

《先前技術文獻》 〈專利文獻〉

〈專利文獻1〉特開2013-24734號公報

但是，就上述的習用技術而論，雖然需要使分光器(beam splitter)與待檢測面之間的光路、及分光器與參照面之間的光路保持一定，然而由於彼等之光路是比較長的，所以就會有容易受到振動的影響之問題。在排除這樣所造成之振動的影響上，就難免需要大規模的除振設備。

再者，於直通矽穿孔(Through Silicon Via,TSV)技術領域中，雖然在半導體晶片上形成有縱橫比(深度相對於孔徑之比)比較大的孔，然而在測定這樣之孔的形狀之際，由於振動的影響致使光難以到達孔的底部，因而也會有測定困難的問題。

本發明即為有鑑於上述問題而完成者，其目的在於提供一種能夠以簡易的構成抑制振動的影響之形狀測定裝置、及形狀測定方法。

用以解決上述課題之本發明的形狀測定裝置係具備：具有與樣本的表面相對的參照平面之半透明的光學構件；通過前述光學構件，將具有指定的波長區域之光照射在前述樣本的表面之光源；對於在前述樣本的表面被定義的線狀區域之各位置測定反射光譜之影像分光器；以及基於在前述線狀區域之各位置所測定到的反射光譜，來計算出前述線狀區域之各位置與前述參照平面間之距離之演算部。

又，在本發明的一態樣中，也可以更進一步地具備：將前述光所照射的區域集中在與前述線狀區域相對應的區域之視野光闌(field diaphragm)。

再者，在本發明的一態樣中，也可以更進一步地具備：配置在可供配置前述樣本的平台之前述光學構件的支撐機構。

此外，在本發明的一態樣中，也可以更進一步地具備：配置在支撐框架上之前述光學構件的支撐機構，前述支撐框架係用以支撐：接受來自前述樣本的反射光之測定頭、與可供配置前述樣本之平台。

另外，本發明的一態樣中，前述樣本之前述表面的至少一部分也可以是具有薄膜；前述演算部也可以是基於在前述 線狀區域的各位置所測定到的反射光譜，來計算出前述線狀區域的各位置與前述參照平面間之距離、與前述線狀區域的各位置之前述薄膜的膜厚度。

又，在本發明的一態樣中，也可以更進一步地具備：調整前述樣本的表面與前述參照平面間之距離的調整機構；其中，前述演算部也可以是基於在互不相同的距離所測定到的複數個反射光譜，來鑑定由前述樣本的表面與前述參照平面間之距離而來的頻率成分、與由前述薄膜的膜厚度而來的頻率成分。

另外，本發明之形狀測定方法包括：通過具有與樣本的表面相對之參照平面的半透明之光學構件，將具有指定的波長區域之光照射在前述樣本之表面；藉由影像分光器，對於在前述樣本的表面被定義之線狀區域的各位置測定反射光譜；基於在前述線狀區域的各位置所測定到之反射光譜，來計算出前述線狀區域的各位置與前述參照平面間之距離。

在本發明中，由於是利用在參照平面反射的光、與透過參照平面而在樣本的表面反射的光之間的光路差所引起之干渉現象，所以就能夠不容易受到振動的影響。

1‧‧‧形狀測定裝置

2‧‧‧光源

2A‧‧‧照射區域

21‧‧‧狹縫

23‧‧‧半反射鏡

3‧‧‧物鏡

4‧‧‧光學構件

41‧‧‧參照平面

5‧‧‧觀察用照相機

51‧‧‧半反射鏡

6‧‧‧影像分光器

6A‧‧‧受光區域

61‧‧‧狹縫

7‧‧‧演算部

8‧‧‧顯示部

9‧‧‧操作部

11‧‧‧支撐框架

13‧‧‧XY平台

15‧‧‧測定頭

17‧‧‧支撐機構

18‧‧‧支撐機構

19‧‧‧傳像光纖

S‧‧‧樣本

SS‧‧‧表面

SH‧‧‧孔

S11~S15、S21~S27‧‧‧步驟

TF‧‧‧薄膜

第1圖係顯示本發明之實施形態的形狀測定裝置之光學及電性構成之圖。

第2圖係顯示樣本的一例子之俯視圖。

第3圖係顯示樣本的一例子之剖面圖。

第4圖係顯示測定程序的一例子之流程圖。

第5圖係顯示反射率的光譜之一例子的圖。

第6圖係顯示快速傅利葉轉換(FFT)解析結果之一例子的圖。

第7圖係顯示形狀測定裝置之機械構成的一例子的圖。

第8圖係顯示形狀測定裝置之機械構成的其他例子的圖。

第9圖係顯示樣本之其他例子的剖面圖。

第10圖係顯示測定程序之其他例子的流程圖。

第11圖係顯示反射率的光譜之其他例子的圖。

第12圖係顯示FFT解析結果之其他例子的圖。

《用以實施發明之最佳形態》

參照圖面來說明本發明之實施形態。

第1圖係顯示本發明之實施形態的形狀測定裝置1之光學及電性構成之一例子的圖。在以下的說明中，相對於樣本S而言，以光學構件4所配置的方向為上方向，相對於光學構件4而言，以樣本S所配置的方向為下方向。

形狀測定裝置1係具備：產生照射於樣本S的表面SS之光的光源2、將光集中在樣本S的表面SS之物鏡3、配置在物鏡3與樣本S之間的半透明之光學構件4、用以觀察樣本S的表面SS之觀察用照相機5、及測定來自光學構件4與樣本S的反射光之光譜的影像分光器6。

再者，形狀測定裝置1係更進一步地具備：包括有中央處理單元(Central Processing Unit,CPU)等之演算部7、平面顯示器(Flat Panel Display,FPD)等之顯示部8、及鍵盤及滑鼠等之操作部9。做為演算部7、顯示部8及操作部9者，其係可以使用已 知的個人用電腦。

光源2係適合使用在廣波長區域中輸出特性平坦的白色光源，也可以採用氘燈、鎢燈等。由光源2所射出的光係藉由視野光闌之一例子的狹縫21而成形為線狀，並經由半反射鏡23而導往物鏡3。

光學構件4係由玻璃、石英等之半透明材料所構成，並具有鄰近樣本S的表面SS並與之相對的參照平面41。從物鏡3入射到光學構件4的光，有一部分是由參照平面41反射，而其他的一部分是透過參照平面41而由樣本S的表面SS反射。

在光學構件4的參照平面41反射的光、與在樣本S的表面SS反射的光，係經由光學構件4、物鏡3、半反射鏡23、51而到達影像分光器6。

影像分光器6係用以測定來自光學構件4與樣本S的反射光之光譜，並將它輸出到演算部7。來自光學構件4與樣本S的光係藉由狹縫61而成形為線狀，進而入射到影像分光器6。換言之，影像分光器6係接受在光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS被分別定義的線狀區域反射的光。詳細則使用第2圖如後所述。

具體來說，影像分光器6係具備有未圖示的分光器與二維攝影元件，而因分光器而於狹縫61的寬度方向繞射的光則為二維攝影元件所接受。因此，狹縫61的寬度方向就成為波長分解方向，而狹縫61的縱軸方向則成為空間分解方向。

另外，將光從光源2導向光學構件4的光學系統、與將光從光學構件4導向影像分光器6的光學系統，係不限定上述的態樣，當然也可以採用各種的光學系統。

第2圖及第3圖係顯示樣本S的一例子的俯視圖及 剖面圖。在樣本S係形成有開口向上的複數個孔SH。

樣本S，例如，可以是利用於TSV的形成有縱橫比較大的孔之半導體晶片。例如，孔徑是在5~10μm左右，而深度是最大為100μm左右。將導體填充在形成於半導體晶片的上面之孔內，然後進行研磨半導體晶片的下面直到露出導體為止，進而完成TSV。

如第2圖所示，在樣本S的表面SS上形成有：被來自上述光源2的光所照射之線狀照射區域2A、與反射光為上述影像分光器6所受光的線狀受光區域6A，且以互相重合的方式形成。照射區域2A的輪廓係藉由設置在光源2的狹縫21而形成的，而受光區域6A的輪廓則係藉由設置在影像分光器6的狹縫61而形成的。狹縫21、61係依照照射區域2A的縱軸方向與受光區域6A的縱軸方向排列的方式設置而成。

例如，受光區域6A的寬度係設定成比樣本S的孔SH之孔徑還更小，而受光區域6A的長度則設定成含有複數個樣本S的孔SH。例如，照射區域2A係設定成具有如可包括全體受光區域6A這樣的長度及寬度。如此，藉由聚集於照射區域2A，因而就會變得難以包括受光區域6A的周圍的光之雜散光成分了。不限定於此種態樣，全體照射區域2A也可以是被包含於受光區域6A。

如第3圖所示，在受光區域6A的縱軸方向之某一位置中，透過光學構件4的參照平面41的光係在樣本S的表面SS之中最靠近參照平面41的孔SH之周圍反射，進而干渉在光學構件4的參照平面41反射的光。在受光區域6A的縱軸方向之其他位置中，透過光學構件4的參照平面41的光係在樣本S的表面SS之中距離參照平面41最遠的孔SH之底面反射，進而干渉在光 學構件4的參照平面41反射的光。

影像分光器6，因為是以形成受光區域6A的狹縫61之縱軸方向為空間分解方向，以寬度方向為波長分解方向，所以就能夠藉由單發攝影來測定在線狀受光區域6A的縱軸方向之各位置之反射光的光譜。又，藉由使樣本S在與受光區域6A的縱軸方向垂直相交的垂直方向上移動，測定垂直方向的各位置之反射光的光譜，則就能夠進行跨越二維區域的測定。

回到第1圖之說明，演算部7係藉由將從影像分光器6輸出的反射光之光譜除以已知的入射光之光譜，來計算出反射率的光譜。接著，演算部7基於所計算出的反射率之光譜，而計算出受光區域6A的縱軸方向之各位置與參照平面41間之距離。

第4圖係顯示測定程序的一例子的流程圖。首先，取得參照對象的光譜數據(S11)。具體而言，藉由使光源2將白色光照射於參照對象，以影像分光器6來測定反射光譜，進而由演算部7取得參照對象的光譜數據。參照對象，例如，合適者係由鋁等所構成的平面鏡。

然後，使平台移動到測定位置(S12)。具體而言，演算部7係決定樣本S的位置使之在指定的測定位置。使配置有樣本S的後述之XY平台13(參照第7圖及第8圖)移動。

其次，取得樣本S的光譜數據(S13)。具體而言，藉由使光源2將白色光照射於樣本S，以影像分光器6來測定反射光譜，進而由演算部7取得樣本S的光譜數據。

接著，算出樣本S的相對反射率(S14)。具體而言，演算部7將樣本S的反射光之光譜除以參照對象的反射光之光譜，藉以計算出反射率之光譜。第5圖係顯示反射率之光譜的一例子的圖。

然後，藉由FFT解析而計算出光學距離(S15)。具體而言，演算部7從反射率之光譜計算出FFT冪次值(power value)的曲線，由其波峰計算出光學距離。第6圖係顯示藉由FFT解析的結果之一例子的圖。

如此，就可得到光學構件4的參照平面41對樣本S的表面SS的光學距離，更進一步地將光學距離除以空氣的屈折率就可得到實際的距離。在此處，由於可得到在樣本S的表面SS所形成的受光區域6A之縱軸方向的各位置的距離，所以藉由從樣本S的孔SH的底面與參照平面41間之距離減去孔SH的周圍與參照平面41間之距離，就可以得到孔SH的深度。

另外，在以上之說明中，雖然在由反射光譜來計算出光學距離上係使用了FFT法，然而也可以使用其他的計算方法。例如，也可以使用曲線擬合法或波峰波谷法。

第7圖係顯示形狀測定裝置1的機械構成的一例子的圖。形狀測定裝置1係具備支撐框架11，在支撐框架11的下部係設置可供配置樣本S的XY平台13，而在支撐框架11的上部係設置具有物鏡3的測定頭15。

XY平台13係根據來自上述演算部7的指令而在水平方向上移動。測定頭15上係安裝有傳像光纖(image fiber)19，來自上述光源2的光係透過傳像光纖19而被引導到物鏡3，並且物鏡3受光的光係透過傳像光纖19而被引導到影像分光器6。

另外，在本例中係可更進一步地具備：配置在XY平台13的用以支撐光學構件4的支撐機構17。支撐機構17係被配置在XY平台13上之樣本S的周圍並突出於上方，光學構件4係按照包覆樣本S的上方的方式被配置在支撐機構17上。

第8圖係顯示形狀測定裝置1之機械構成的其他例 子的圖。對於和第7圖的例子相同之構成，由於已附記相同符號，因而省略其詳細的說明。

在本例中係具備有：被配置支撐框架11在的用以支撐光學構件4的支撐機構18。支撐機構18係按照使成為拱橋狀跨越架設在樣本S對XY平台13的上方的方式設置而成，光學構件4係在樣本S的上方並被支撐機構18所支撐著。

在第7圖及第8圖的例子中，因為是按照使得光學構件4的參照平面41為與樣本S的表面SS接近且相對的方式，將光學構件4支撐在樣本S的上方，因而從光源2到影像分光器6的光路有一大半是共通的，因此就只會在光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS的間隙產生光路差。所以，與如習用技術這樣的存在2條比較長的光路之情況比較之下，本發明係更能夠抑制振動的影響。

其次，如第7圖所示，當光學構件4的支撐機構17為配置在XY平台13上時，即使對於支撐框架11等附加振動，因為樣本S與光學構件4也是同樣地振動，樣本S的表面SS與光學構件4的參照平面41間之距離也是難以變動，因而就可抑制振動的影響，所以是較理想的。

再者，如第8圖所示，當光學構件4的支撐機構18為配置在支撐框架11上時，因為光學構件4不在面內方向移動，因而只要光學構件4是在測定頭15的下方即可，所以從光學構件4的小型化的觀點來看它是理想的。

此外，如第7圖及第8圖所示的支撐機構17、18，其係能夠調整光學構件4的高度的，因而就可改變光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離。這種功能可以利用在後述的例子中。

以下，針對以表面的至少一部分具有薄膜的樣本為測定對象的例子來進行說明。

例如，在形成有TSV的半導體晶片上，雖然於製造過程中，有時會在孔的周圍形成光阻劑膜，然而在此之際，有時在孔的內側也會無意地形成光阻劑膜，進而有時亦會有未全部去除而殘留的情況。從而，就要求一種用以判定是否在孔的內側殘留有光阻劑膜的技術。

因此，在以下說明的例子中，如第9圖所示，以在表面SS具有半透明的薄膜TF的樣本S為測定對象，從所測定到的反射光譜來計算出表面SS的形狀與薄膜TF的膜厚度。

透過光學構件4的參照平面41之光，有一部分是在薄膜TF的表面反射，其他的一部分是透過薄膜TF的表面而在樣本S的表面SS(即，孔SH的周圍或底面)反射。從而，在光學構件4的參照平面41反射的光、在薄膜TF的表面反射的光、與在樣本S的表面SS反射的光形成干渉。

演算部7係基於所算出的反射率的光譜來計算：光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離、及在樣本S的表面SS形成的薄膜TF之膜厚度。

更具體地來說，演算部7係基於所算出的反射率的光譜來計算：形成在樣本S的表面SS上之線狀受光區域6A(參照第2圖)的縱軸方向的各位置與參照平面41間之距離、及形成於受光區域6A的縱軸方向的各位置上之薄膜TF的膜厚度。

第10圖係顯示以在表面SS具有薄膜TF的樣本S為測定對象之情況下的測定程序之流程圖。

首先，在第一高度對於參照平面41進行第一次測定(S21)。具體而言，調整用以支撐光學構件4的支撐機構17、18(參 照第7圖及第8圖)，以參照平面41為第一高度，在該狀態下如上述作法取得樣本S的光譜數據，計算出反射率的光譜，進而實行FFT解析。

其次，在第二高度對於參照平面41進行第二次測定(S22)。具體而言，調整用以支撐光學構件4的支撐機構17、18，將參照平面41設定在比第一高度還大的第二高度，在該狀態下，如上述作法取得樣本S的光譜數據，計算出反射率的光譜，進而實行FFT解析。

藉此，就可得到在互不相同的距離所測定到的二個反射率的光譜。第11圖係顯示二個反射率之光譜的例子的圖。隨著光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離改變，則二個反射率的光譜的周期性就會改變。

其次，比較冪次光譜(S23)。第12圖係顯示在以FFT解析二個反射率的光譜時之解析結果的例子的圖。一方的冪次光為譜以實線表示，而另一方的冪次光譜則以虛線表示。比較2個冪次光譜時，可知存在著：波峰位置是變動的波峰HP、與波峰位置不變動的波峰FP。

波峰位置是變動的波峰HP係由光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離所引起之頻率成分的波峰。即，藉由使光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離不同而進行測定，而使得波峰位置產生變動。

另一方的波峰位置不變動的波峰FP係由形成在樣本S的表面SS的薄膜TF之膜厚度所引起的頻率成分之波峰。即，由於就算是改變光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離，因而薄膜TF之膜厚度本身亦不變化，所以波峰位置就不變動。

因此，在藉由FFT解析的結果中所包含的各波峰，將在波峰位置變動的波峰HP之情況下(S24：YES)，鑑定為由光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離所引起之頻率成分的波峰(S25)，將在波峰位置不變動的波峰FP之情況下(S24：NO)，鑑定為形成在樣本S的表面SS之薄膜TF的膜厚度所引起之頻率成分的波峰(S26)。

然後，將波峰的鑑定結果加以區別顯示(S27)。例如，可以是將各種的波峰依色等區分而在顯示部8顯示。

另外，在以上的實施形態中，雖然利用在互不相同的距離所測定到的二個反射率的光譜來鑑定波峰的種類別，然而鑑定的方法並未限定於此而已。例如，已知道：在出現由光學構件4的參照平面41與樣本S的表面SS間之距離所引起之頻率成分的波峰之範圍、及在出現由形成在樣本S的表面SS之薄膜TF的膜厚度所引起之頻率成分的波峰之範圍，而且只要是不重複，就能夠只以一個反射率的光譜來鑑定波峰的種類別。

以上，雖然針對本發明的實施形態進行了說明，然而本發明未限定於上述實施形態，對於熟習本項技術者而言，毫無疑問地當然是能夠有各種的變形實施例。

1‧‧‧形狀測定裝置

2‧‧‧光源

21‧‧‧狹縫

23‧‧‧半反射鏡

3‧‧‧物鏡

4‧‧‧光學構件

41‧‧‧參照平面

5‧‧‧觀察用照相機

51‧‧‧半反射鏡

6‧‧‧影像分光器

61‧‧‧狹縫

7‧‧‧演算部

8‧‧‧顯示部

9‧‧‧操作部

S‧‧‧樣本

SS‧‧‧表面

Claims (7)

1. 一種形狀測定裝置，包括：半透明之光學構件，其具有與樣本的表面相對的參照平面；光源，其係通過前述光學構件，將具有指定的波長區域之光照射在前述樣本的表面；影像分光器，其係對於前述樣本的表面被定義的線狀區域之各位置測定反射光譜；演算部，其係基於在前述線狀區域的各位置所測定到的反射光譜，來計算出前述線狀區域的各位置與前述參照平面間之距離。
2. 如請求項1所記載之形狀測定裝置，更包括：視野光闌(field diaphragm)，將前述光所照射的區域集中在與前述線狀區域相對應之區域。
3. 如請求項1或2所記載之形狀測定裝置，更包括：前述光學構件的支撐機構，被配置在可供配置前述樣本的平台上。
4. 如請求項1或2所記載之形狀測定裝置，更包括：前述光學構件的支撐機構，配置在支撐框架上，前述支撐框架係用以支撐：接受來自前述樣本的反射光之測定頭、與可供配置前述樣本的平台。
5. 如請求項1至4中任一項所記載之形狀測定裝置，其中前述樣本之前述表面的至少一部分係具有薄膜；前述演算部係基於在前述線狀區域的各位置所測定到的反射光譜，來計算出前述線狀區域的各位置與前述參照平面間之距離、及前述線狀區域的各位置之前述薄膜的膜厚度。
6. 如請求項5所記載之形狀測定裝置，更包括：調整前述樣本的表面與前述參照平面間之距離之調整機構；其中，前述演算部係基於在相互不同距離所測定到的複數個反射光譜，來鑑定由前述樣本的表面與前述參照平面間之距離而來的頻率成分、與由前述薄膜的膜厚度而來的頻率成分。
7. 一種形狀測定方法，包括：通過具有與樣本的表面相對的參照平面之半透明的光學構件，將具有指定的波長區域之光照射前述樣本的表面；針對前述樣本的表面上被定義的線狀區域之各位置，藉由影像分光器來測定反射光譜，基於在前述線狀區域的各位置所測定到的反射光譜，計算出前述線狀區域的各位置與前述參照平面間之距離。