硅片鍵合套刻偏差測量技術(shù)

李運(yùn)鋒，藍(lán) 科

（上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司，上海 201203）

引言

微機(jī)電系統(tǒng)（micro electromechancial system，MEMS）采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將整個系統(tǒng)集成在一塊芯片中，在體積、重量、價(jià)格和功耗方面具有明顯優(yōu)勢[1-3]。MEMS 技術(shù)在工業(yè)上面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是封裝，目前MEMS封裝研究主要集中于硅材料的鍵合封裝[4]。硅片鍵合技術(shù)是一種將表面硅微機(jī)械加工和體硅微機(jī)械加工有機(jī)結(jié)合的新的工藝方法[5]。鍵合封裝往往和其他手段結(jié)合使用，既可以對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù)，又可實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路之間的電學(xué)連接[6]。為了提高晶片鍵合精度，晶片鍵合前會進(jìn)行預(yù)對準(zhǔn)測量以保證兩塊晶圓對齊，鍵合后通過光學(xué)顯微鏡或橫截面掃描電子顯微（cross-sectional scanning electron microscopy，SEM）聚焦離子束（focused ion beam，F(xiàn)IB）對疊加標(biāo)記成像來檢測相對偏差[7]。采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行無損檢測可以通過多種方式來實(shí)現(xiàn)，如使用可見光檢測透明基板的方法，使用光學(xué)顯微鏡檢測晶通孔的方法，使用紅外透射晶片檢測標(biāo)記的方法，使用晶片正面和背面標(biāo)記對齊的方法等[8-13]。其中紅外光具有可以穿透多種半導(dǎo)體材料，檢測方式高效、直接，檢測精度相對較高等優(yōu)點(diǎn)。

1 誤差來源

1.1 光源和相機(jī)產(chǎn)生的噪聲

檢測系統(tǒng)的測量重復(fù)性主要受相機(jī)噪聲和光源波動影響。對相機(jī)和光源產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行測量得到噪聲大小和分布作為仿真噪聲的輸入。將鹵素?zé)糇鳛楣庠?，通過測試鏡頭拍攝一塊固定的區(qū)域，CCD 相機(jī)作為接收器在30 s 內(nèi)連續(xù)采集50 張圖。對50 張圖累加后取平均得到背景模板，單張圖與模板相減得到噪聲大小和分布，如圖1 所示。不同時刻的圖與模板相減，取同位置像素噪聲隨時間分布，如圖2 所示。

圖1 噪聲空間分布Fig.1 Noise distribution in space domain

圖2 噪聲時間分布Fig.2 Noise distribution in time domain

1.2 邊緣檢測算法

噪聲影響邊緣檢測算法提取標(biāo)記邊緣的準(zhǔn)確性。Canny 算子具有低誤碼率、高定位精度和抑制虛假邊緣等優(yōu)點(diǎn)，被很多人推崇為當(dāng)今最優(yōu)的邊緣檢測算法[14]。Canny 算子在邊緣檢測的第一步使用平滑濾波器卷積降噪，從而降低噪聲帶來的測量誤差。在圖3 中，圖3（a）為原始圖像，圖3（b）為添加高斯噪聲后的圖像，圖3（c）為采用Canny算子提取的邊緣圖像，可以發(fā)現(xiàn)高斯噪聲對Canny算子提取圖像邊緣的影響較小。

圖3 采用Canny 算子對含有噪聲的圖像進(jìn)行邊緣提取Fig.3 Canny operator was used to extract the edge of the image with noise

由于受檢測物鏡的衍射極限和像差限制，標(biāo)準(zhǔn)的黑白線條標(biāo)記經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后被相機(jī)接收形成具有特征灰度分布的像素點(diǎn)，通過多項(xiàng)式擬合和設(shè)置閾值的方法可以得到超越像素分辨率的檢測精度。

1.3 采樣對測量誤差的影響

標(biāo)記邊緣的采樣點(diǎn)上會隨機(jī)分布噪聲，但是隨著邊緣線上的采樣點(diǎn)增多，噪聲產(chǎn)生的綜合影響會減小。即同噪聲下，邊緣提取的點(diǎn)越多，引起的誤差量越小。但是套刻標(biāo)記越大，占用的硅片區(qū)域越大，這會減小芯片有效區(qū)域的尺寸。為了得到標(biāo)記邊緣足夠多的采樣點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)放大倍率或縮小像元尺寸，但是系統(tǒng)放大倍率的提升往往引起檢測方視場的減小，由此限制套刻標(biāo)記的尺寸。同時像元的尺寸縮小會引起信噪比的增加，帶來更多的測量重復(fù)性誤差。因此需要權(quán)衡套刻標(biāo)記大小、系統(tǒng)放大倍率和像元之間的關(guān)系。

基于上述分析，在同一光學(xué)系統(tǒng)、同噪聲分布下，分別仿真不同標(biāo)記線長引起的重復(fù)性誤差來得到較合適的套刻標(biāo)記、系統(tǒng)放大倍率和像元大小。以MATLAB 仿真光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)為NA=0.2、倍率M=10、波長為近紅外、無像差的理想模型。相機(jī)像元尺寸p為6.45 μm。標(biāo)記類型如圖4所示，由4 條長方形組成的Bar 標(biāo)記，線長為標(biāo)記長度的70%，標(biāo)記長度d=20，25，···，45 μm，線寬s=2 μm。經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，在相機(jī)上的采樣點(diǎn)個數(shù)N=d×70%×4×M/p，不同標(biāo)記長度下對應(yīng)標(biāo)記采樣點(diǎn)個數(shù)為86，108，···，195。噪聲模型采用高斯噪聲仿真光源和相機(jī)產(chǎn)生的噪聲分布，均值為5 DN（Digital Number），均方根誤差為0.000 1，如圖5所示。噪聲統(tǒng)計(jì)如圖6 所示，與實(shí)測噪聲接近。

圖4 Bar 標(biāo)記Fig.4 Bar mark

圖5 空間高斯噪聲分布Fig.5 Gaussion noise distribution in space

圖6 噪聲統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.6 Histogram of noise statistics

對標(biāo)記模擬光學(xué)成像，不添加噪聲的原圖提取邊緣作為匹配模板。添加噪聲的仿真圖提取邊緣后與模板進(jìn)行匹配，計(jì)算相對偏離量。每組不同長度的標(biāo)記隨機(jī)添加50 組均值、均方根誤差相同的高斯噪聲，計(jì)算重復(fù)性，結(jié)果如圖7 所示，重復(fù)性3σ(σ為標(biāo)準(zhǔn)差)隨標(biāo)記的長度增大而減小，當(dāng)標(biāo)記長度增大到35 μm 及以上時，重復(fù)性趨于平緩。d=35 μm 的標(biāo)記對應(yīng)的采樣點(diǎn)個數(shù)為150?？梢哉J(rèn)為在此光學(xué)系統(tǒng)和噪聲模型下，當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)記在像面的單個方向采樣點(diǎn)超過150 個時，重復(fù)性趨于穩(wěn)定。

圖7 采樣點(diǎn)個數(shù)與重復(fù)性的關(guān)系Fig.7 The relationship between the number of sampling points and repeatability

為了進(jìn)一步驗(yàn)證采樣點(diǎn)個數(shù)與重復(fù)性的關(guān)系，脫離光學(xué)仿真，對噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。按照上述分析，重復(fù)性大小與參與噪聲采樣個數(shù)有關(guān)，即可認(rèn)為參與計(jì)算的噪聲貢獻(xiàn)的平均灰度影響計(jì)算誤差。噪聲的分布符合正態(tài)分布，假設(shè)其標(biāo)準(zhǔn)差為σ，其n個點(diǎn)的均值也符合正態(tài)分布，并且標(biāo)準(zhǔn)差滿足（σ2/n）1/2。MATLAB 生成不同大小的矩陣，然后在同一矩陣下生成50 組隨機(jī)噪聲。計(jì)算每組噪聲的平均灰度，統(tǒng)計(jì)同一矩陣下50 組平均噪聲的重復(fù)性3σ，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。當(dāng)采樣點(diǎn)個數(shù)不小于150 時，噪聲均值引起的灰度重復(fù)性3σ趨于穩(wěn)定，與光學(xué)成像仿真結(jié)果一致。

圖8 采樣點(diǎn)個數(shù)與噪聲均值3σ 的關(guān)系Fig.8 The relationship between the number of sampling points and mean 3σ of niose

1.4 對比度對測量誤差的影響

用Canny 算子提取邊緣依據(jù)相鄰兩個像素之間的梯度，當(dāng)對比度過低時，同樣大小的噪聲引起的信噪比將減小，噪聲引入誤差將增大。而引起對比度降低的因素有很多，如光學(xué)系統(tǒng)像差、環(huán)境光、光路引入的雜散光、標(biāo)記反射率、設(shè)計(jì)NA、離焦等。這些因素可歸為兩類。第一類為背景灰度不變，灰度峰谷差變小引起的對比度降低，典型影響因素為光學(xué)系統(tǒng)物鏡NA、線條寬度等。第二類為峰谷差不變，背景灰度增加引起的對比度降低，典型影響因素為標(biāo)記反射率、環(huán)境光等。本文對第一類因素中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)NA、線條寬度作仿真驗(yàn)證。

同倍率、同照明、同相機(jī)、同標(biāo)記線寬下，光學(xué)系統(tǒng)NA越大，光學(xué)系統(tǒng)對周期線對成像的對比度越高。仿真光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)為NA=0.2，0.25，···，0.45，倍率M=10，波長為近紅外，無像差的理想模型。像元大小為6.45 μm。標(biāo)記長度為35 μm，改變標(biāo)記的寬度s=2 μm。噪聲模型采用高斯噪聲，均值為5 DN，均方根誤差為0.000 1，如圖5 所示。圖9 為同線寬在不同NA下的仿真效果，可以發(fā)現(xiàn)隨NA增加，測量值重復(fù)性3σ在降低。但是NA增大會導(dǎo)致光學(xué)設(shè)計(jì)難度、成本增加，需要按照需求綜合考慮。

圖9 檢測系統(tǒng)NA 與重復(fù)性的關(guān)系Fig.9 The relationship between the NA of detection system and repeatability

同倍率、同照明、同相機(jī)、同光學(xué)系統(tǒng)NA下，標(biāo)記線寬越大，光學(xué)系統(tǒng)對周期線對成像的對比度越高。仿真光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)為NA=0.2、倍率M=10、波長為近紅外、無像差的理想模型。像元大小為6.45 μm。標(biāo)記長度為35 μm，改變標(biāo)記的寬度s=0.5，1，···，3 μm。噪聲模型采用高斯噪聲，均值為5 DN，均方根誤差為0.000 1，如圖5 所示。圖10 為不同線寬在光學(xué)系統(tǒng)下的仿真效果，可以發(fā)現(xiàn)隨著線寬的增加，測量重復(fù)性3σ在降低，且當(dāng)線寬s不小于2 μm時，重復(fù)性趨于穩(wěn)定。

圖10 標(biāo)記線寬與重復(fù)性的關(guān)系Fig.10 The relationship between the mark width and repeatability

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 測試平臺

測試環(huán)境為無塵凈化間的暗室，以減小空氣中的灰塵附著、環(huán)境雜散光、空氣擾動以及溫壓引起的測量誤差。試驗(yàn)臺需要使用光學(xué)防振臺來減小振動帶來的測量誤差。移動臺使用穩(wěn)定性較高、精度較高的PI 臺，滿足x、y、z向高精度移動。

標(biāo)記在30～70 μm 之間，為了保證成像質(zhì)量，測試鏡頭選用NA=0.2、10×的雙遠(yuǎn)心紅外鏡頭。測試物為厚度為1 mm 的雙層鍵合硅片，上下層硅片存在鍵合標(biāo)記，按標(biāo)記大小和種類分為A、B、C、D，如 圖11 所示。標(biāo)記A、B 為EVG 標(biāo)記，邊長分別為70 μm 和50 μm。標(biāo)記C、D 為BIB（Bar in Bar）標(biāo)記，邊長分別為30 μm 和25 μm。

圖11 鍵合標(biāo)記Fig.11 Bonding mark

2.2 測試方式

基于紅外波段在硅基材料具有較高透過率的特性，選擇紅外鹵素?zé)艄庠催M(jìn)行測試，相機(jī)選擇CCD 相機(jī)。圖12 是采用鹵素?zé)艄草S照明反射式測量結(jié)果，硅片表面反射波長較短的紅外光形成背景，波長較長的紅外光透過上表面硅片照射在鍵合套刻標(biāo)記上經(jīng)過反射被相機(jī)接收，形成較亮區(qū)域。由于硅片上表面反射的光降低了套刻標(biāo)記對比度，測量結(jié)果較差。圖13 是采用鹵素?zé)艄草S照明透射式測量結(jié)果，硅片下表面反射波長較短的紅外光，透過硅片下表面的波長較長的紅外光被鍵合層標(biāo)記遮擋形成暗區(qū)，部分沒有鍍金屬的區(qū)域被波長較長的紅外光透過形成亮區(qū)，此時鍵合標(biāo)記對比度較高，測量結(jié)果較好。因此選擇鹵素?zé)艄草S照明透射式測量方式。

圖12 鹵素?zé)艄草S照明反射式測量Fig.12 Common axis illumination reflectance measurement with halogen lamp

圖13 鹵素?zé)艄草S照明透射式測量Fig.13 Common axis illumination transmission measurement with halogen lamp

2.3 測試結(jié)果分析

在不改變外部環(huán)境、光源照明的情況下，通過平移臺移動找到需要測試的套刻標(biāo)記，每個套刻標(biāo)記拍攝50 組照片計(jì)算套刻偏差和重復(fù)性。整張鍵合片共58 組A、B、C、D 四種標(biāo)記。A、B、C 標(biāo)記在此光學(xué)系統(tǒng)下均能提取完整輪廓，D 標(biāo)記的內(nèi)輪廓受光學(xué)衍射限制出現(xiàn)了變形，數(shù)據(jù)處理異常，不作分析。

A 類標(biāo)記長度為70 μm，外標(biāo)記輪廓提取如圖14（a）所示，x、y向采樣點(diǎn)均為400 個，內(nèi)標(biāo)記輪廓提取如圖14（b）所示，x、y向采樣點(diǎn)均為160 個，內(nèi)外標(biāo)記采樣均大于150 個。按照圖7理論計(jì)算結(jié)果，內(nèi)外標(biāo)記重復(fù)性趨于3.5 nm，組合重復(fù)性在7 nm 左右。實(shí)際測試過程中測試平臺的振動會影響內(nèi)外標(biāo)記的測量重復(fù)性，但是同一時刻振動引起內(nèi)外標(biāo)記的測量偏差是一致的，相減后得到測距重復(fù)性不受振動影響。圖15 為一組A 類標(biāo)記的套刻偏差，內(nèi)外標(biāo)記的測量重復(fù)性3σ分別為63 nm 和65 nm，相減后得到了套刻偏差重復(fù)性3σ為6.5 nm。對整張硅片內(nèi)55 組A 類標(biāo)記套刻偏差重復(fù)性作統(tǒng)計(jì)，得到A 類標(biāo)記套刻重復(fù)性如圖16 所示，重復(fù)性均值為6.6 nm，與理論結(jié)果相差0.4 nm。

圖14 標(biāo)記邊緣提取Fig.14 Mark edge extraction

圖15 A 類標(biāo)記套刻偏差Fig.15 Nesting deviation for A mark

圖16 A 類標(biāo)記套刻偏差重復(fù)性3σFig.16 Nesting deviation repeatability 3σ for A mark

B 類標(biāo)記長度為50 μm，外標(biāo)記x、y向采樣點(diǎn)均為280 個，仿真計(jì)算重復(fù)性趨于3.5 nm，內(nèi)標(biāo)記采樣個數(shù)為100 個，仿真計(jì)算重復(fù)性趨于5 nm，組合重復(fù)性為8.5 nm，實(shí)測55 組B 類標(biāo)記的套刻測量重復(fù)性均值為8.5 nm，如圖17所示。B 類標(biāo)記仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致。C 類標(biāo)記長度為30 μm，外標(biāo)記輪廓提取如圖14（c）所示，x、y向采樣點(diǎn)均為140 個，仿真計(jì)算重復(fù)性趨于3.8 nm，外標(biāo)記輪廓提取如圖14（d）所示，x、y向采樣點(diǎn)均為76 個，仿真計(jì)算重復(fù)性趨于6.5 nm，組合重復(fù)性趨于10.3 nm，實(shí)測55組C 類標(biāo)記的套刻測量重復(fù)性均值為10.4 nm，如圖18 所示。C 類標(biāo)記仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果重復(fù)性誤差≤0.1 nm。

圖17 B 類標(biāo)記套刻偏差重復(fù)性3σFig.17 Nesting deviation repeatability 3σ for B mark

圖18 C 類標(biāo)記套刻偏差重復(fù)性3σFig.18 Nesting deviation repeatability 3σ for C mark

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了測量鍵合套刻偏差的系統(tǒng)。使用鹵素?zé)敉干浼t外檢測的方式，實(shí)現(xiàn)了硅片鍵合套刻偏差測量重復(fù)性小于10 nm。首先用光源和相機(jī)測試得到噪聲大小和分布作為仿真誤差來源，采用Canny 算子對添加噪聲后的不同標(biāo)記線寬、不同物鏡NA、不同標(biāo)記采樣點(diǎn)個數(shù)的仿真圖形提取邊緣計(jì)算重復(fù)性，得到了測量重復(fù)性與各參數(shù)變化的關(guān)系。然后根據(jù)仿真數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了檢測系統(tǒng)和套刻標(biāo)記，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果偏差不超過0.4 nm。這為鍵合套刻標(biāo)記設(shè)計(jì)和檢測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了有力支持。