TWI499756B

TWI499756B - 接合層的厚度量測系統與方法

Info

Publication number: TWI499756B
Application number: TW103100063A
Authority: TW
Inventors: Po Yi Chang; Chia Hung Cho; Yi Sha Ku; Deh Ming Shyu
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2015-09-11
Also published as: TW201443389A

Description

接合層的厚度量測系統與方法

本揭露係關於一種接合層的厚度量測系統與方法。

晶圓薄化(wafer thinning)與薄晶圓處理(thin wafer handling)技術是目前三維晶片(3DIC)堆疊的重要技術之一，將待薄化設備晶圓(device wafer)暫時貼合至一外載晶圓(carrier wafer)，可避免晶圓在薄化與背面處理(backside processing)後因重力及其他因素造成破壞的風險。外載晶圓之界面上的空隙(void)與微小顆粒(particle)、接合膠層厚度(adhesive thickness)、接合膠凹陷(dent)等皆會影響薄化晶圓(thin wafer)之厚度均勻性。因此在薄化晶圓之前先檢測其缺陷是非常重要的。

超音波技術(Scanning Acoustic Microscope，SAM)、紅外穿透式影像(IR transmission imaging)等技術常用於檢測晶圓暫時貼合之界面膠層的空隙與顆粒。例如，使用超音波技術來量測一12吋晶圓，其量測時間約為10分鐘，量測空間解析度(spatial resolution)約為50μm，並且晶圓將被浸泡於液體中。有些現有技術可以不需要將晶圓浸泡於液體中，但需要噴灑液體於檢測探頭與晶圓之間。紅外穿透式影像技術是一全域式檢測技術，能檢測膠層內部較大的氣泡，微小氣泡則配合其他演算法來強化顯示出缺陷。此兩種技術可偵測出接合膠層的空隙，但無法量測接合膠層的厚度資訊，例如厚度變化量(variation)、總厚度(total thickness)、絕對厚度(absolute thickness)等。

紅外光波長掃描式干涉(Infrared Ray wavelength scanning interferometry)是用來量測矽晶圓厚度之方法的其中之一。例如，基於傅立葉轉換(Fourier transform)方法相位移(phase-shifting)技術與通過零點(zero-crossing)偵測方法是最常用來分析干涉訊號。在基於傅立葉轉換方法中，可量測的最小厚度與最小厚度敏感程度受限於變化的波長範圍。相位移技術能量測晶圓的厚度變化。通過零點偵測方法可用來即時量測晶圓的表面形貌(surface shape)。

利用紅外干涉儀來量測晶圓本身的厚度中，當一物件是雙面拋光(polished)的晶圓時，紅外光會在晶圓的表面及背面產生反射光，由於穿透晶圓的反射光路徑縮短，使得反射的光頻率產生都卜勒移位，從而產生頻率些微改變，利用此頻率的變化可量測晶圓的厚度變化。

利用紅外麥克森架構來量測晶圓本身的厚度中，包括如採用寬頻光源及改變光路徑差的方式，是藉由擷取連續的干涉影像，再利用分析干涉波包的方式來計算出晶圓厚度。也可以利用紅外麥克森架構並且基於反射儀(reflectometry)分析理論來量測晶圓本身的厚度及晶圓表面的形貌，其中利用麥克森干涉架構可以得到晶圓表面、晶圓背面以及參考平面的三道反射光，此三道光相互干涉，其干涉條紋可利用頻譜儀或波長掃描的方式得到干涉頻譜，然後再分析晶圓的厚度與晶圓的表面形貌。

本揭露實施例可提供一種接合層的厚度量測系統與方法。

本揭露的一實施例是關於一種接合層的厚度量測系統。此系統可包含一光學元件，以及一光影像擷取與分析單元。此光學元件改變一第一光源的波長，使至少一第二光源穿透一接合層並且入射至一物件，其中此接合層備有一上下兩界面，此上下兩界面與此物件貼合；此光影像擷取與分析單元接收此上下兩界面反射的複數個反射光，以擷取多張不同波長的干涉影像，並分析此多張干涉影像的光強度，從而算出此接合層的厚度資訊。

本揭露的另一實施例是關於一種接合層的厚度量測方法。此方法可包含：改變一第一光源的波長，使至少一第二光源穿透一接合層並且入射至一物件，其中此接合層備有上下兩界面，此上下兩界面與此物件貼合；接收自此接合層的上下兩界面反射的複數個反射光；以及分析此複數個反射光的光干涉光強度，計算出此接合層的厚度資訊。

茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本發明之其他優點詳述於後。

100‧‧‧厚度量測系統

101‧‧‧第一光源

102‧‧‧光學元件

104‧‧‧物件

→‧‧‧第二光源

106‧‧‧接合層

106a‧‧‧上界面

106b‧‧‧下界面

103‧‧‧光影像擷取與分析單元

←‧‧‧反射光

1031‧‧‧厚度資訊

102a‧‧‧干涉濾鏡

102b‧‧‧光準直器

102c‧‧‧光源擴束器

102d‧‧‧透鏡

102e‧‧‧分光鏡

210‧‧‧改變來自一第一光源之一第一光束的波長，使該第一光束成為一第二光束，該第二光束穿透與一接合層之上界面貼合之一物件並且入射至該接合層，入射至該接合層之該第二光束後，照射至與該接合層之下界面貼合之該物件

220‧‧‧接收自該接合層的上下兩界面反射的複數個反射光

230‧‧‧分析此複數個反射光的光干涉光強度，來計算出此接合層的厚度資訊

301‧‧‧可調波長光源

304‧‧‧暫時接合晶圓

304a‧‧‧膠層

304b‧‧‧晶圓

303a‧‧‧光影像擷取單元

303b‧‧‧電腦

34a與34b‧‧‧膠層的上下兩界面

405‧‧‧計算出接合層的一單點厚度與接合層的全域厚度變化

415‧‧‧結合此單點厚度的資料與此全域厚度變化的資料，來建立此接合層的全域厚度分布資訊

△L‧‧‧膠層的平均厚度

h (x,y )‧‧‧膠層在像素點(x,y )的厚度變化

605‧‧‧利用旋轉一干涉鏡來改變光源的波長，並擷取多張不同波長的干涉影像

610‧‧‧建立此多張干涉影像中的一單點的干涉訊號的波長與光強度的一關係圖

615‧‧‧利用光干涉理論所模擬的訊號與此干涉頻譜圖作曲線擬合，從而求出此單點厚度

第一圖是根據本揭露的一實施例，說明一種接合層的厚度量測系統。

第二圖是根據本揭露一實施例，說明一種接合層的厚度量測方法。

第三圖是根據本揭露實施例，說明一應用範例示意圖。

第四圖是根據本揭露一實施例，說明如何計算接合層的厚度資訊。

第五圖是以第三圖之暫時接合晶圓為應用範例，說明膠層的上下兩界面的反射波的光干涉光強度與膠層厚度的關係。

第六圖是根據本揭露一實施例，說明如何計算接合層的一單點厚度。

第七圖是根據一實施例，說明光干涉理論所模擬的訊號曲線與多張干涉影像中的一單點的干涉頻譜圖作曲線擬合。

第八圖是根據本揭露另一實施例，說明利用五步相位移法的五張干涉影像的相位移與波長。

第九圖是根據本揭露一實施例，說明接合層的厚度變化的量測結果。

以下，參考伴隨的圖示，詳細說明本揭露實施例，俾使本領域者易於瞭解。所述之發明創意可以採用多種變化的實施方式，當不能只限定於這些實施例。本揭露省略已熟知部分(well-known part)的描述，並且相同的參考號於本揭露中代表相同的元件。

本揭露實施例可提供一種技術，此技術可提供一種接合層的厚度量測。此接合層例如是，但不限定於，晶圓的一暫時貼合介面(例如一膠層)。以一物件是晶圓為例，此接合層例如是此晶圓的一暫時貼合界面，此接合層備有一上界面與一下界面，此上下兩界面與此晶圓貼合。此技術可利用一光學元件如干涉儀、基於相位移理論與反射的理論，來量測此界面膠的厚度資訊例如是，此界面膠的厚度及厚度的變化量，也可藉由此界面膠的單點的厚度值及此界面膠的厚度變化來建立晶圓的暫時貼合界面膠層的厚度分布。

第一圖是根據本揭露的一實施例，說明一種接合層的厚度量測系統。參考第一圖，厚度量測系統100包含一光學元件102以及一光影像擷取與分析單元103。光學元件102係改變來自一第一光源101之第一光束的波長，使該第一光束成為一第二光束，該第二光束穿透與一接合層106之上界面106a貼合之一物件104並且入射至接合層106，入射至接合層106之第二光束後，照射至與接合層106之下界面106b貼合之一物件104，其中此上下兩界面(106a與106b)與物件104貼合；光影像擷取與分析單元103接收上下兩界面反射的複數個反射光1061，以擷取多張不同波長的干涉影像(interference image)，並分析此多張干涉影像的光強度(intensity)，從而算出接合層106的厚度資訊1031。

在本揭露的實施範例中，此物件例如是一晶圓。此接合層是與此晶圓貼合的一界面膠層。在此光學元件中，可旋轉一干涉濾鏡的不同角度，例如延著一光主軸，從10°開始，每次增加0.25°旋轉至45°為止，來調整第一光源101通過此干涉濾鏡的不同波長。例如，此光學元件可利用一光準直器102b將此第一光源101的第一光束準直化入射至一干涉濾鏡102a，使該第一光束成為第二光束，此第二光束再經由如一光源擴束器102c與一透鏡102d，穿透與接合層106之上界面貼合之物件104並且入射至接合層106，入射至接合層106之第二光束後，照射至與接合層106之下界面貼合之物件104。此光影像擷取與分析單元擷取的多張干涉影像是此第二光束入射(以箭頭→表示)至此接合層的上下兩界面後，經由此上下兩界面反射光(以箭頭←表示)產生相互干涉，並且經由一分光鏡102e反射而產生的多張光干涉光強度影像。此接合層的厚度資訊至少包括此接合層的至少一單點絕對厚度資料以及此接合層的全域厚度分布資訊。有了此接合層的至少一單點絕對厚度資料以及此接合層的全域厚度分布資訊，厚度量測系統100還可分析得出有關此物件的資訊，例如可利用曲面擬合方法來產生物件的表面形貌的資料。

承上述，根據本揭露一實施例，可提供一種接合層的厚度量測方法，如第二圖所示。請參考第二圖，此厚度量測方法可改變來自一第一光源之一第一光束的波長，使該第一光束成為一第二光束，該第二光束穿透與一接合層之上界面貼合之一物件並且入射至該接合層，入射至該接合層之該第二光束後，照射至與該接合層之下界面貼合之該物件(步驟210)，如上述所在載，此接合層備有上下兩界面，此上下兩界面與此物件貼合。然後，此厚度量測方法可接收自該接合層的上下兩界面反射的複數個反射光(步驟220)，並且可分析此複數個反射光的光干涉光強度，來計算出此接合層的厚度資訊(步驟230)。

在本揭露的實施範例中，此厚度量測方法可利用旋轉一干涉濾鏡的不同角度來改變此第一光源之一第一光束的波長，以產生此第二光束。以下以一暫時接合晶圓(temporary bonded wafer)為一應用範例，說明本揭露之厚度量測的技術。此應用範例中，第一光源是一可調波長光源；此暫時接合晶圓包含一物件如晶圓、以及一接合層，此接合層例如是備有一上界面與一下界面的一膠層。

第三圖是根據本揭露實施例，說明一應用範例示意圖。在此應用範例中，一可調波長光源301經由光學元件102中的光源擴束器102c與透鏡102d，將此可調波長光源301擴束及準直化後，入射(以箭頭→表示)至一暫時接合晶圓304。此暫時接合晶圓304包含一膠層304a暫時貼合一晶圓304b。貼合於暫時貼合晶圓304的一表面的膠層304a的上下兩界面(34a與34b)的反射光(以箭頭←表示)相互干涉，透過光影像擷取與分析單元中如一光影像擷取單元303a擷取此反射波的光干涉光強度，以及藉由一厚度分析單元如一電腦303b、一計算裝置、一處理器等，分析光干涉光強度的資料，來計算膠層304a的厚度資訊。

根據本揭露一實施例，如第四圖所示，計算一接合層的厚度資訊可包括：計算出接合層的一單點厚度與接合層的全域厚度變化(步驟405)；以及結合此單點厚度的資料與此全域厚度變化的資料，來建立此接合層的全域厚度分布資訊(步驟415)。

本揭露實施例的厚度量測可依據光干涉理論(例如紅外光波長掃描式干涉技術)、相位移(phase shifting)技術、及搭配頻譜曲線擬合(spectrum curve fitting)技術來計算此厚度。利用光干涉理論，光影像擷取與分析單元擷取的多張干涉影像其光干涉光強度與膠層厚度關係式可如下表示：I (k ；x ,y )=I ₀ (x ,y )+A (x ,y )cos{2kn ．L(x,y)}....................(1)其中，L(x,y )為接合層在一像素點(x,y )所對應的接合層厚度；I(k；x,y)為接合層在像素點(x,y )之反射波的光干涉光強度；I ₀ (x ,y )為干涉影像之背景在像素點(x,y )的光干涉光強度；A(x,y)為在像素點(x y )的光干涉振幅，單位為微米；n為接合層的反射率(refractive index)；以及λ為反射波的光波長，單位為奈米(nano meter，nm)。此接合層在一像素點(x,y )所對應的絕對厚度L(x,y )=△L +h (x,y )，其中△L 為接合層的平均厚度；h (x,y )為接合層在像素點(x,y )的厚度變化；並且k =2π /λ 。所以式(1)中，接合層的表面在一單點(x,y )的光干涉光強度可表示如下：I (k ；x ,y )=I ₀ (x ,y )+A (x ,y )cos{2kn ．[△L +h (x ,y )]} (2)

依據不同的波長λ ，在單點(x,y)的光干涉光強度可表示如下：，並且其對應的特定相位(x,y )可以表示為

如之前所述，接合層的上下兩界面的反射光會相互干涉，兩波長干涉的相位變化可表示如下：其中，△λ為波長變化量。也就是

以第三圖之暫時接合晶圓為應用範例，根據上述的計算式，第五圖說明來自膠層304a的上下兩界面(34a與34b)的反射波的光干涉光強度與膠層厚度的關係。膠層304a的表面在任一像素點(x,y )對應的絕對厚度是膠層304a的平均厚度△L加上膠層304a在此像素點(x,y )的厚度變化h (x,y )。此厚度變化h (x,y )可得出如下式：其中，λ為反射波的波長，n為膠層304a的反射率，為在像素點(x,y )之反射波的光干涉光強度所對應的相位。

承上述，第六圖是根據一實施例，說明如何計算接合層的一單點厚度。參考第六圖，首先可利用旋轉一干涉鏡來改變光源的波長，並擷取多張不同波長的干涉影像(步驟605)，然後建立此多張干涉影像中的一單點的干涉訊號的波長與光強度的一關係圖(也就是干涉頻譜圖)(步驟610)，再利用光干涉理論所模擬的訊號與此干涉頻譜圖作曲線擬合，從而求出此單點厚度(步驟615)。

第七圖是根據一實施例，說明光干涉理論所模擬的訊號曲線與多張干涉影像中的一單點的干涉頻譜圖作曲線擬合，其中實線曲線代表光干涉理論所模擬的干涉訊號(interference signal)，虛線曲線代表利用多張干涉影像中的一單點的干涉頻譜圖所做出的曲線擬合，橫軸的變數代表1/λ，即1/波長，縱軸的變數代表振幅(amplitude)。藉由從干涉頻譜圖所做出的頻譜曲線擬合可初步決定接合層的平均厚度△L 。單點厚度可設定為從該頻譜曲線擬合決定的平均厚度△L 。

求出單點厚度之後，藉由改變波長的量(即△λ)，可於多張干涉相位圖中選取特定相位的干涉影像，並且利用一相位演算法如三步、四步或五步等相位移法以及相位展開法來算出各個像素點(x,y )的相位。如第八圖的範例所示，利用五步相位移可使用五個參考相位移(reference phase shifting)，即△=(i-1) ×π /2且i=1,2,3,4,5，來擷取出五張不同波長的干涉影像，然後此五張干涉影像的各個像素點(x,y )的光強度I ₁ ~I ₅ 分別可表示如下：所以，像素點(x,y )所對應的特定相位(x,y )可以表示為也就是說，特定相位(x,y )可由前述五張干涉影像的各個像素點(x,y )的光強度I ₁ ~I ₅ 來算出。然後，全域(Full-Field)接合層的厚度變化h (x,y )可利用式子來得出。如此，依相位值計算出全域接合層的厚度變化。

也就是說，計算出全域接合層的厚度變化可包含：藉由改變波長的量，於多張干涉相位圖中選取數個特定相位的多張干涉影像；並且利用一相位移法，算出接合層之各個像素點(x,y )所對應的相位，再依據算出的各相位計算出全域接合層的厚度變化。最後將單點厚度的資料與接合層的全域厚度變化的資料整合，即可建立全域接合層的厚度分布。第九圖是根據本揭露一實施例，說明接合層的厚度分布的量測結果，其中橫軸代表接合層的像素點的位置(position)，縱軸代表接合層的厚度(單位為微米(μm))。在第九圖的實驗範例中，根據其曲線分布結果，接合層的最大厚度(maximum thickness)19.86μm約在位置450之處，最小厚度(minimum thickness)16.09μm約在位置50之處。也就是說，此接合層的厚度可從16.09μm變化至19.86μm。換句話說，此接合層的總厚度變化(total thickness variation)為3.76μm，即最大厚度與最小厚度之間的差。

綜上所述，本揭露的實施例提供一種接合層的厚度量測系統與方法。其技術可利用一光學元件如干涉儀、基於相位移理論與反射的理論、頻譜曲線擬合等，來分析多張干涉影像的光強度及量測接合層的厚度資訊，厚度資訊例如是，但不限定於此接合層的單點厚度及全域厚度變化量，也可藉由此接合層的單點厚度值及此接合層的厚度變化來建立一物件的接合層的厚度分布。

以上所述者僅為本揭露實施例，當不能依此限定本揭露實施之範圍。即大凡本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍。