專利名稱：結合基板的紅外線探測的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對基板的探測，尤其涉及使用紅外輻射對半導體基板的探測。
背景技術：
為提高半導體器件的功率，有必要增加在這類器件中的結構密度。這在歷史上曾通過縮小器件自身的尺寸而實現，從而可在給定空間內提供更大的功率。另一用于增加密度的方法包括將多個這類器件相互連接，如同在計算機中將多個處理器連接在一起來進行并行的處理操作那樣。在其他情況下，這通過形成多個單獨的被封裝成單一器件的半導體器件而實現。這類結構的一個例子是由Intel或Advanced Micro Devices公司生產的多核處理器型號。一種用于進一步提高半導體器件密度的提議方法包括將這類器件相互堆疊。由于難以確保堆疊的正確性和精確性，所以堆疊式半導體器件對制造提出獨特的 挑戰(zhàn)。用于將堆疊式半導體器件相互電連接以及與內部置有堆疊式器件的封裝電連接的諸如焊盤、焊劑或金隆起焊盤、vias的電連接器相當小，且任何偏離都會導致問題出現。此外，由于大部分半導體器件覆蓋有不透明的或在不透明的基板上形成的結構，所以難以使用傳統(tǒng)的光學探測和計量系統(tǒng)來確保半導體器件的對準。除確保堆疊式半導體器件的適當對準之外，難以確保適當施用和固化用于將堆疊器件相互結合的粘合劑。氣孔、裂縫、碎片和其他問題會使堆疊式半導體器件變得不能使用或不可理喻地可能出現故障。但是，再次，由于粘合劑層位于基板之間，而基板自身可能至少部分不透明以及在其上有可能形成不透明的結構，所以難以對粘合劑層進行探測或計量。一個用于確保堆疊器件對準和適當粘合的可能解決方案是使用紅外線照射和傳感器來對堆疊器件進行探測和計量操作。然而，傳統(tǒng)的紅外傳感器存在問題，這使得它們成為未達最佳的探測和/或計量的解決方案。在這些問題中存在的事實是，紅外傳感器和攝像頭是采用相當昂貴的工藝制成的，由此在標準的C⑶和CMOS攝像頭與紅外攝像頭之間存在大的成本差異。如可推測的那樣，標準紅外傳感器也是對可見光波長選擇性不敏感的，由此已降低對于標準2D和3D探測應用的效用。此外，紅外攝像頭目前尚無法達到與標準CXD和CMOS攝像頭相同的分辨率水平。這使得要求使用更高分辨率的光學器件，由此又使光學系統(tǒng)的視場非常小。如本領域技術人員所容易理解的那樣，較小的視場使探測系統(tǒng)的處理速度非常慢。因此，需要的是一種對紅外輻射敏感的成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)能夠以滿足現今具有成本意識的半導體制作商的需要的速率和分辨率來進行所需的對準和工藝偏移探測。


圖I是用于探測基板的光學系統(tǒng)的一實施方式的示意圖。圖2是待堆置基板的分解不意圖。圖3是一種堆疊基板的示意圖。
圖4是光強-像素曲線圖。圖5是本發(fā)明一實施方式的步驟流程圖。圖6是本發(fā)明一實施方式的步驟流程圖。
具體實施例方式在下文中結合作為本說明書一部分的附圖對本發(fā)明做出了詳細說明，這些附圖舉例說明了可實施本發(fā)明的具體實施方式
。在圖中，相同的數字在幾個視圖中用于代表大致相同的對象。這些實施方式被充分詳細地描述，以使本領域技術人員能夠實施本發(fā)明。可使用其他實施方式，且可在未超出本發(fā)明范圍的情況下進行結構、邏輯以及電學方面的改動。因此，下文的詳細描述不應被視為具有限制性，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求及其等同進行限定。本發(fā)明包括利用標準CXD和/或CMOS攝像頭的通常被忽視的近紅外靈敏度來捕獲堆疊或層壓基板S的圖像，這些圖像可用于探測基板S。探測系統(tǒng)10的輸出信息可用于 確定堆疊或層壓基板S的層間的適當對準、以及用于探明和/或識別工藝變化和/或偏移，例如不適當的結合層、氣孔、裂縫、碎片以及發(fā)生在使層堆疊以形成基板S的工藝中的其他問題。由這類探測得到的數據可直接或間接地用于控制或更改器件制造工具和工藝，從而使由此得到的后來的基板和器件不同于最初探測的基板和器件。圖I顯示可用于探測支承在臺架(未顯示)上的基板10的探測系統(tǒng)10的一種實施方式，臺架用于沿三維(X，Y，Z)移動基板S且使基板S繞垂直軸Z旋轉，以方便探測系統(tǒng)10對圖像的捕獲。探測系統(tǒng)10最少包括照明器12和攝像頭14，照明器12適用于將電磁輻射調節(jié)到給定的波長、選定的波長或所需范圍的波長處，攝像頭14適用于使用由照明器12提供的輻射的至少一部分來捕獲基板S的圖像。在所顯示的實施方式中，照明器12通過分光鏡16被耦合到從攝像頭14延伸到基板的光路15內。照明器12可通過柔性光纖型傳輸工具而對分光鏡16照射，或可通過旋轉鏡18或類似結構經由空氣而對分光鏡16照射。來自照明器12的輻射向下沿法向照射到樣品S上，盡管設想可使用斜入射角以及斜入射角所需的對探測系統(tǒng)10的任何修改均在本領域技術人員的知識范圍內。輻射通過分光鏡16和可選的分光鏡16’而從基板S返回到攝像頭14，并在此入射到傳感器20上。其他諸如光纖混合或交換器件的光機器件也可用于通過光學方式將照明器12連接到系統(tǒng)10上。優(yōu)選使用在攝像頭14中容易獲得的CXD或CMOS傳感器。而CXD和CMOS傳感器20通常被認為更適用于在可見光波長下(約在約380nm至約1，OOOnm的范圍內)成像。已發(fā)現一些CXD和CMOS傳感器20對在約1，OOOnm至約1，300nm范圍內的光波長具有敏感性，雖然該敏感性在較長的波長時相對快地下降。使用這一敏感性能夠對基板S使用在約I微米至約I. 3微米波長范圍內(1，OOOnm-1, 300nm)的紅外福射進行快速而又高分辨率的探測。圖I中的方框19代表諸如透鏡等通常的光學元件，用于聚焦、校準或其它用途，或形成輻射而入射到基板S上并返回到攝像頭14。圖2-3示意性地顯示各種類型的堆疊基板S。雖然在該申請中描述的基板S與用于形成半導體器件的基板有關，本發(fā)明也可用于其他類型的堆疊或層壓基板。堆疊式集成電路器件可由一或多個單獨的集成電路器件形成，且如所推測那樣，相互堆疊在一起。這通常是通過堆疊其上形成有集成電路器件的整個晶片而實現的，而不是通過堆疊單獨的集成電路器件(“ic”)，雖然也有可能以這種方式在單獨的器件基礎上形成堆疊的基板S。圖2顯示一對基板SI和S2的相互堆疊情況，其中基板SI以背面與基板S2的上表面相接觸的方式置于基板S2上。適當的膠水或粘合劑被用來固定晶片。如上所述，可堆疊二、三、四或更多的基板或集成電路。應注意的是，雖然在圖2中顯示一種背面對正面的堆疊方式，諸如圖3所示的面對面布置或背對背布置(未顯示)也是可能的，只要考慮到適當的電連接和封裝即可。一般難以對圖2和3中所示的基板SI與基板S2之間的結合進行探測，而這種探測是很有用處的。然而，由于攝像頭傳感器20對使硅或多或少透明的紅外光波長是敏感的，因而基板SI與基板S2之間的結合可通過光學方式探測到。通過使用探測系統(tǒng)10，包括使攝像頭14敏感的紅外輻射在內的輻射被入射到基板S上。濾波器(未顯示)被置于照明器12與分光鏡16或基板S與攝像頭14之間，以除去不使基板S至少部分透明的所有輻射。該濾波器優(yōu)選為可選的，且可被布置或移走，用來濾除不使基板S至少部分透明的輻射或用來允許使用寬頻帶或用來選定其他波長的輻射。因此，在一些實施方式中，當要探測堆 疊或層壓基板S時，可使用波長在約I. O微米至I. 3微米之間的輻射。入射到基板S上的輻射返回到攝像頭14，并在此入射到傳感器20上，以形成圖像。該圖像被傳到控制器，該控制器具有必要的計算機硬件和軟件，用于收集和處理這類圖像，以提供有用的輸出信息、和/或直接或間接地控制基板S以及在其上形成的集成電路的制造情況。圖4示意性地顯示由傳感器20在逐像素基礎上檢測到的光強。應注意的是，圖4只是示例性的說明，而并不代表真實的數據。在一實施方式中，傳感器20能夠提供在O至255之間的灰度輸出。在其他實施方式中，傳感器20能夠以RGB或任何其他適當配色方案的方式提供彩色圖像信息。為簡明起見，將在一實施方式中描述本發(fā)明，其中代表基板S的圖像的每個像素灰度強度值在O至255之間。圖4的頂部的曲線80代表每個像素的總強度。該強度值包括若干分量，在這里將只詳細描述其中的一部分。最下面的曲線代表由傳感器20自身引入到像素值內的噪聲。該噪聲在本質上往往是隨機的，但其大小往往在可預期的范圍內。在最下面的曲線82與中間的曲線84之間的空間代表每個像素的總強度，它源于在基板S自身內的不良散射以及從基板的頂表面30 (最靠近攝像頭14)和基板的底表面32的反射。應注意的是，在堆疊或層壓基板S中，通常希望將探測聚焦在堆疊基板SI與S2之間的范圍或區(qū)域上。該區(qū)域34可能具有例如電路或通孔或只是用于將基板結合在一起的粘合劑等結構。當使用在約I. O至I. 3微米之間的輻射波長時，光的相當大部分將會從基板SI的上和下表面30和32向后反射到傳感器20上。此外，入射光的一部分將會在基板SI內散射，且一些散射光將使它返回到傳感器20。在頂部的曲線80與中間的曲線84之間的區(qū)域代表在探測時從區(qū)域34中的結構、粘合劑等上反射或散射的那部分入射輻射。由于總信號中的這部分輻射的特性源于感興趣的結構，因而這部分輻射可用于探測這些結構。在近E波長處使用標準CXD和CMOS攝像頭的困難在于，總信號中感興趣的部分要小于信號的背景部分，且通常與由傳感器20自身引入的噪聲量差不多。因此，有必要除去總信號的背景部分并提高剩余圖像的信噪比。圖5是本發(fā)明一實施方式的基本方式的流程圖。在步驟40，照射基板S并捕獲圖像。在步驟42，從在步驟40時捕獲的圖像中減去基準圖像或數值，以形成中間圖像。這可通過數學或光學的方式進行，如下文所述。在步驟44，提高中間圖像的信噪比，形成可用于探測基板S的區(qū)域或范圍34的最終圖像。應注意的是，在一實施方式中，一些或所有步驟40可通過在與探測系統(tǒng)10連接的控制器上運行的軟件進行。所有步驟44通常將在控制器上進行，雖然在一些實施方式中攝像頭14可具有一些提升信噪比所需的性能(硬件和/或軟件)。在一實施方式中，確定基準圖像/數值的方式如圖6所示。在步驟50中，基板S所處的臺架被驅動，從而使攝像頭14的視場指向基板S的“空白”點。空白點的特點是在基板S的各個層SI與S2之間的區(qū)域34內相對缺乏結構。在這一實施例中，從區(qū)域34內的結構上反射或散射的光量最少或甚至大體上為零，由此可知背景和噪聲信號的組合大小。在可選步驟52中，可捕獲一或多個“空白”點的多個圖像，且對這些圖像中的每個圖像的像素值進行統(tǒng)計。由于出現在這些圖像的每個圖像中的噪聲往往在給定值處起伏變化，與噪聲有關的統(tǒng)計像素值部分緩慢增加，而與背景相關的像素值一貫以統(tǒng)計疊加的方式線性增力口，由此提高了信噪比。應注意的是，必須使用為探測目的而獲得的基板S的圖像對統(tǒng)計值 歸一化，以避免圖像和基準值誤配。在一實施方式中，“空白”點實際上可以是在被探測的基板S上的一些適當的位置，且從空白點獲得的每個圖像如上所述被統(tǒng)計，以產生基準圖像/數值。這些空白點可由用戶通過探測系統(tǒng)10的用戶界面來手動選擇，或可通過探測系統(tǒng)10而根據用戶輸入的標準來自動選擇。由于基板S可在大小、形狀即類型、材料等方面相異，所以構成適合于基準圖像/數值形成的空白點所依據的標準也會變化。在非常基本的水平，由于探測系統(tǒng)的輸出信息可基于優(yōu)選項和環(huán)境而改變，所以構成適用于產生基準圖像/數值的空白點的是由系統(tǒng)用戶確定的，以產生適當的結果。比較客觀的方式可包括選擇若干被成像的且用于產生探測結果的候選區(qū)或空白點?？蛇x擇適當的指標圖，以對作為基準圖像的空白點的選項或一組選項的使用進行優(yōu)化或計分，或產生基準值或模型。在另一實施方式中，不使用受測試的基板S，而是可使用單獨的非堆疊或非層壓基板S來捕獲用于產生基準圖像/數值的圖像。例如，不使用堆疊基板S，而是可使用單一厚度的硅晶片，只要該晶片的上表面、下表面、厚度和光學特性與堆疊或層壓基板S的上層SI的類似即可。在使用與圖6有關的流程時，可使用圖像減法流程，其中直接從探測圖像的對應像素值中減去基準圖像的像素值。這可在控制器中以數學方式進行，或在攝像頭14中以邏輯方式(或數學方式)進行。得到的中間圖像相對于在區(qū)域34中受探測的結構而言應具有大大提聞的/[目噪比。作為中間步驟，通常希望向探測系統(tǒng)10的用戶提供輸出信息。然而，通常的情形是，中間圖像將必須被伽瑪校正，以供用戶查看。該工藝非常容易理解，不過應理解的是，用戶可選擇使中間圖像只為輸出或查看目的而被伽瑪校正，或中間圖像可在其伽瑪校正狀態(tài)中被進一步處理。該步驟是可選的。在任一情況下，都希望提高中間圖像的信噪比，以得到質量更好的最終圖像。應注意的是，一同捕獲的中間圖像將大體上包括所有要探測的基板S。因此，處理每個中間圖像，以提高信噪比。在一個與上文所述步驟52類似的實施方式中，對多個中間圖像進行捕獲和統(tǒng)計，以增加由實際結構得到的圖像部分，該圖像部分與由于噪聲而得到的圖像部分形成對照。在一實施例中，區(qū)域掃描攝像頭14與頻閃照明器12 —同使用，以快速捕獲多個探測圖像，每個探測圖像在上述步驟42中通過使用基準圖像/數值而被修改。隨后，對多個對應圖像進行統(tǒng)計，或將它們結合起來，以提高所得到的最終圖像的信噪比。應注意的是，最終圖像的像素值通過中間圖像和基準圖像/數值而被歸一化，以確保適當的圖像處理。在另一實施方式中，連續(xù)掃描探測系統(tǒng)10具有連續(xù)照射照明器12，該照明器12與使用機械或電子快門的攝像頭14 一同使用，以捕獲不斷移動的基板S的運動。如上所述，由探測系統(tǒng)10的多個途徑可獲得必要數量的探測圖像，這些圖像隨后通過使用基準圖像/數值而被處理。在又一實施方式中，提供探測系統(tǒng)10的單一途徑(使用閃光燈或連續(xù)照明)，同時攝像頭14對基板14過采樣且使用多個過采樣的圖像來獲得必要的探測圖像。在本發(fā)明的另一實施方式中，以與TDI線掃描攝像頭類似的方式使用區(qū)域掃描攝像頭14，以對基板S過采樣。在另一實施方式中，在多個途徑中(在此使用單一攝像頭14)或單一途徑中(在此使用多個攝像頭SH)使用一或多個TDI或線掃描攝像頭SH來捕獲基板S的探測圖像。應注意的是，在上述任何實施方式中，當收集信息時，可在連續(xù)的基礎上將探測圖像處理成中間圖像以及將中間圖像處理成最終圖像，或只有在已完成實際探測(成像)后 才可由控制器進行。可由位于探測系統(tǒng)10本地的控制器進行進一步的處理，或由部分或全部分布在探測系統(tǒng)10外部的控制器進行。在本發(fā)明的另一實施方式中，頻域濾波用于代替減去基準圖像/數值而產生中間圖像。通過對空白空間的基準圖像進行傅里葉變換，可通過數學方式進行頻域濾波，以獲得背景信號的數學值。頻域濾波也可通過光學方式進行，其中通過傅里葉變換分析而確定的適當形狀和大小的光瞳或掩模被置于探測系統(tǒng)的后焦面17內。在后焦面17處的掩?；蚬馔皇亲钃跄切Ρ尘靶盘栕龀鲐暙I的光線到達攝像頭的傳感器20。應注意的是，由于傳感器20的性能隨時間而變化或由于基板S的性質變化，可能有必要改變在后焦面處的光瞳或掩模。這可通過在可被輕易除去和代替的透明滑板上形成掩模而實現?；蛘哂锌赡軐㈦娪撅@示器置于后焦面處。電泳顯示器是一種透明板，它包括可被制得不透明的電控像素。這種現象通常被稱為電子墨水。無論如何，電泳顯示器可被動態(tài)改變，以適應所需的掩模變化。除提高信噪比外，可根據要求而采用模糊化工藝步驟，從探測圖像、基準圖像/數值、及/或中間或最終圖像中進一步消除隨機、單一的像素噪聲。結論雖然已在此舉例說明了本發(fā)明的具體實施方式
，本領域技術人員將可理解的是，任何旨在實現相同目的的布置均可用于代替所示的具體實施方式
。對本發(fā)明的許多修改對于本領域技術人員而言將是顯而易見的。因此，本申請旨在包括對本發(fā)明的任何調整或改動。顯然，本發(fā)明只受所附權利要求及其等同的限制。
權利要求
1.一種從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，包括 使用輻射來照射具有頂表面和底表面的基板，且該基板對所述輻射至少是部分透明的； 使用傳感器來檢測使所述基板至少部分透明的照明輻射，以形成圖像，所述圖像的至少一部分包括從所述基板的所述上表面和底表面的至少之一返回的輻射，所述圖像的至少另一部分包括從位于所述基板的相對于所述傳感器的底表面處或底表面以上的結構上返回的輻射；從所述圖像中減去用于代表從所述基板的上和下表面的至少之一返回的輻射的圖像基準，以形成中間圖像；以及 對多個中間圖像進行統(tǒng)計，以產生適用于探測的所述硅基板的最終圖像。
2.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述傳感器是CCD和CMOS攝像頭之一。
3.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，使所述基板至少部分透明的所述輻射的波長約為I微米至I. 3微米。
4.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，還包括選擇性地使用所述傳感器而使得通過可見光波來對硅基板進行探測。
5.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，用來產生輻射的照明器具有濾波器，用于濾掉波長小于約I微米的輻射。
6.根據權利要求5所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，在所述照明器內的所述濾波器可選擇性地用于通過寬頻帶或進行濾波。根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述圖像基準是通過捕獲所述硅基板的基準位置的至少一個圖像而形成的。
7.根據權利要求6所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述圖像基準是通過捕獲所述硅基板的基準位置的至少一個圖像而形成的，且所述硅基板沒有結構位于所述基板的相對于所述傳感器的所述底表面處或上部。
8.根據權利要求6所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述圖像基準是通過捕獲由與所述硅基板光學性相似的物質形成的基準基板的至少一個圖像而形成的，所述基準基板具有上和下表面，且沒有結構位于所述基板的相對于所述傳感器的所述底表面處或上部。
9.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，中間圖像被伽瑪校正。
10.根據權利要求9所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，每個中間圖像在進行統(tǒng)計之前被伽瑪校正。
11.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述最終圖像被伽瑪校正。
12.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述最終圖像被模糊化，以除去個別像素噪聲。
13.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述圖像基準是由所述傳感器檢測的所述圖像的傅里葉變換而得到的頻域濾波器。
14.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述頻域濾波器包括置于所述光學系統(tǒng)的后焦面處的物理掩模。
15.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述頻域濾波器以數學方式在逐像素的基礎上用于由所述傳感器檢測的所述圖像。
16.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述探測數據用于識別所述硅基板中的缺陷。
17.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，在所述硅基板中的所述缺陷包括碎片、裂縫、氣孔、顆粒和尺寸偏離。
18.根據權利要求I所述的從硅基板捕獲探測數據的方法，其特征在于，所述探測數據用于識別工藝偏移、量化工藝偏移以及修改工藝變量，以修改隨后處理的硅基板。
19.一種由根據權利要求18而形成的硅基板制得的半導體器件。
20.一種用于捕獲探測數據的成像系統(tǒng)，其特征在于，包括 攝像頭，具有對在可見光波長范圍內和在約I微米至I. 3微米的紅外線波長范圍內的輻射敏感的傳感器；以及 照明器，用于將所述攝像頭傳感器敏感的輻射對準到具有上表面、下表面的基板上，其中至少一個區(qū)域具有在所述基板的相對于所述攝像頭位置的所述下表面處或下方形成的興趣結構，來自所述照明器的所述輻射的至少一部分從所述基板的所述上表面返回到所述攝像頭，且來自所述照明器的所述輻射的至少另一部分從所述基板的所述下表面返回。
全文摘要
本申請?zhí)峁┮环N用于獲得探測信息的方法和裝置。使用標準的CCD或CMOS攝像頭來獲得近紅外區(qū)中的圖像。除去所獲圖像的背景和噪聲成分，并提高信噪比，以提供適用于探測的信息。
文檔編號G01N21/88GK102782482SQ201080052920
公開日2012年11月14日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權日2009年11月16日
發(fā)明者周偉 申請人:魯道夫科技公司