硅片键合套刻偏差测量技术

李运锋，蓝 科

（上海微电子装备（集团）股份有限公司，上海 201203）

引言

微机电系统（micro electromechancial system，MEMS）采用先进的半导体工艺技术，将整个系统集成在一块芯片中，在体积、重量、价格和功耗方面具有明显优势[1-3]。MEMS 技术在工业上面临的最大挑战之一就是封装，目前MEMS封装研究主要集中于硅材料的键合封装[4]。硅片键合技术是一种将表面硅微机械加工和体硅微机械加工有机结合的新的工艺方法[5]。键合封装往往和其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构与电路之间的电学连接[6]。为了提高晶片键合精度，晶片键合前会进行预对准测量以保证两块晶圆对齐，键合后通过光学显微镜或横截面扫描电子显微（cross-sectional scanning electron microscopy，SEM）聚焦离子束（focused ion beam，FIB）对叠加标记成像来检测相对偏差[7]。采用光学显微镜进行无损检测可以通过多种方式来实现，如使用可见光检测透明基板的方法，使用光学显微镜检测晶通孔的方法，使用红外透射晶片检测标记的方法，使用晶片正面和背面标记对齐的方法等[8-13]。其中红外光具有可以穿透多种半导体材料，检测方式高效、直接，检测精度相对较高等优点。

1 误差来源

1.1 光源和相机产生的噪声

检测系统的测量重复性主要受相机噪声和光源波动影响。对相机和光源产生的噪声进行测量得到噪声大小和分布作为仿真噪声的输入。将卤素灯作为光源，通过测试镜头拍摄一块固定的区域，CCD 相机作为接收器在30 s 内连续采集50 张图。对50 张图累加后取平均得到背景模板，单张图与模板相减得到噪声大小和分布，如图1 所示。不同时刻的图与模板相减，取同位置像素噪声随时间分布，如图2 所示。

图1 噪声空间分布Fig.1 Noise distribution in space domain

图2 噪声时间分布Fig.2 Noise distribution in time domain

1.2 边缘检测算法

噪声影响边缘检测算法提取标记边缘的准确性。Canny 算子具有低误码率、高定位精度和抑制虚假边缘等优点，被很多人推崇为当今最优的边缘检测算法[14]。Canny 算子在边缘检测的第一步使用平滑滤波器卷积降噪，从而降低噪声带来的测量误差。在图3 中，图3（a）为原始图像，图3（b）为添加高斯噪声后的图像，图3（c）为采用Canny算子提取的边缘图像，可以发现高斯噪声对Canny算子提取图像边缘的影响较小。

图3 采用Canny 算子对含有噪声的图像进行边缘提取Fig.3 Canny operator was used to extract the edge of the image with noise

由于受检测物镜的衍射极限和像差限制，标准的黑白线条标记经过光学系统后被相机接收形成具有特征灰度分布的像素点，通过多项式拟合和设置阈值的方法可以得到超越像素分辨率的检测精度。

1.3 采样对测量误差的影响

标记边缘的采样点上会随机分布噪声，但是随着边缘线上的采样点增多，噪声产生的综合影响会减小。即同噪声下，边缘提取的点越多，引起的误差量越小。但是套刻标记越大，占用的硅片区域越大，这会减小芯片有效区域的尺寸。为了得到标记边缘足够多的采样点，可以提高系统放大倍率或缩小像元尺寸，但是系统放大倍率的提升往往引起检测方视场的减小，由此限制套刻标记的尺寸。同时像元的尺寸缩小会引起信噪比的增加，带来更多的测量重复性误差。因此需要权衡套刻标记大小、系统放大倍率和像元之间的关系。

基于上述分析，在同一光学系统、同噪声分布下，分别仿真不同标记线长引起的重复性误差来得到较合适的套刻标记、系统放大倍率和像元大小。以MATLAB 仿真光学系统参数为NA=0.2、倍率M=10、波长为近红外、无像差的理想模型。相机像元尺寸p为6.45 μm。标记类型如图4所示，由4 条长方形组成的Bar 标记，线长为标记长度的70%，标记长度d=20，25，···，45 μm，线宽s=2 μm。经过光学系统，在相机上的采样点个数N=d×70%×4×M/p，不同标记长度下对应标记采样点个数为86，108，···，195。噪声模型采用高斯噪声仿真光源和相机产生的噪声分布，均值为5 DN（Digital Number），均方根误差为0.000 1，如图5所示。噪声统计如图6 所示，与实测噪声接近。

图4 Bar 标记Fig.4 Bar mark

图5 空间高斯噪声分布Fig.5 Gaussion noise distribution in space

图6 噪声统计直方图Fig.6 Histogram of noise statistics

对标记模拟光学成像，不添加噪声的原图提取边缘作为匹配模板。添加噪声的仿真图提取边缘后与模板进行匹配，计算相对偏离量。每组不同长度的标记随机添加50 组均值、均方根误差相同的高斯噪声，计算重复性，结果如图7 所示，重复性3σ(σ为标准差)随标记的长度增大而减小，当标记长度增大到35 μm 及以上时，重复性趋于平缓。d=35 μm 的标记对应的采样点个数为150。可以认为在此光学系统和噪声模型下，当设计标记在像面的单个方向采样点超过150 个时，重复性趋于稳定。

图7 采样点个数与重复性的关系Fig.7 The relationship between the number of sampling points and repeatability

为了进一步验证采样点个数与重复性的关系，脱离光学仿真，对噪声进行数据处理。按照上述分析，重复性大小与参与噪声采样个数有关，即可认为参与计算的噪声贡献的平均灰度影响计算误差。噪声的分布符合正态分布，假设其标准差为σ，其n个点的均值也符合正态分布，并且标准差满足（σ2/n）1/2。MATLAB 生成不同大小的矩阵，然后在同一矩阵下生成50 组随机噪声。计算每组噪声的平均灰度，统计同一矩阵下50 组平均噪声的重复性3σ，统计结果如图8所示。当采样点个数不小于150 时，噪声均值引起的灰度重复性3σ趋于稳定，与光学成像仿真结果一致。

图8 采样点个数与噪声均值3σ 的关系Fig.8 The relationship between the number of sampling points and mean 3σ of niose

1.4 对比度对测量误差的影响

用Canny 算子提取边缘依据相邻两个像素之间的梯度，当对比度过低时，同样大小的噪声引起的信噪比将减小，噪声引入误差将增大。而引起对比度降低的因素有很多，如光学系统像差、环境光、光路引入的杂散光、标记反射率、设计NA、离焦等。这些因素可归为两类。第一类为背景灰度不变，灰度峰谷差变小引起的对比度降低，典型影响因素为光学系统物镜NA、线条宽度等。第二类为峰谷差不变，背景灰度增加引起的对比度降低，典型影响因素为标记反射率、环境光等。本文对第一类因素中的光学系统设计NA、线条宽度作仿真验证。

同倍率、同照明、同相机、同标记线宽下，光学系统NA越大，光学系统对周期线对成像的对比度越高。仿真光学系统参数为NA=0.2，0.25，···，0.45，倍率M=10，波长为近红外，无像差的理想模型。像元大小为6.45 μm。标记长度为35 μm，改变标记的宽度s=2 μm。噪声模型采用高斯噪声，均值为5 DN，均方根误差为0.000 1，如图5 所示。图9 为同线宽在不同NA下的仿真效果，可以发现随NA增加，测量值重复性3σ在降低。但是NA增大会导致光学设计难度、成本增加，需要按照需求综合考虑。

图9 检测系统NA 与重复性的关系Fig.9 The relationship between the NA of detection system and repeatability

同倍率、同照明、同相机、同光学系统NA下，标记线宽越大，光学系统对周期线对成像的对比度越高。仿真光学系统参数为NA=0.2、倍率M=10、波长为近红外、无像差的理想模型。像元大小为6.45 μm。标记长度为35 μm，改变标记的宽度s=0.5，1，···，3 μm。噪声模型采用高斯噪声，均值为5 DN，均方根误差为0.000 1，如图5 所示。图10 为不同线宽在光学系统下的仿真效果，可以发现随着线宽的增加，测量重复性3σ在降低，且当线宽s不小于2 μm时，重复性趋于稳定。

图10 标记线宽与重复性的关系Fig.10 The relationship between the mark width and repeatability

2 实验测试

2.1 测试平台

测试环境为无尘净化间的暗室，以减小空气中的灰尘附着、环境杂散光、空气扰动以及温压引起的测量误差。试验台需要使用光学防振台来减小振动带来的测量误差。移动台使用稳定性较高、精度较高的PI 台，满足x、y、z向高精度移动。

标记在30～70 μm 之间，为了保证成像质量，测试镜头选用NA=0.2、10×的双远心红外镜头。测试物为厚度为1 mm 的双层键合硅片，上下层硅片存在键合标记，按标记大小和种类分为A、B、C、D，如 图11 所示。标记A、B 为EVG 标记，边长分别为70 μm 和50 μm。标记C、D 为BIB（Bar in Bar）标记，边长分别为30 μm 和25 μm。

图11 键合标记Fig.11 Bonding mark

2.2 测试方式

基于红外波段在硅基材料具有较高透过率的特性，选择红外卤素灯光源进行测试，相机选择CCD 相机。图12 是采用卤素灯共轴照明反射式测量结果，硅片表面反射波长较短的红外光形成背景，波长较长的红外光透过上表面硅片照射在键合套刻标记上经过反射被相机接收，形成较亮区域。由于硅片上表面反射的光降低了套刻标记对比度，测量结果较差。图13 是采用卤素灯共轴照明透射式测量结果，硅片下表面反射波长较短的红外光，透过硅片下表面的波长较长的红外光被键合层标记遮挡形成暗区，部分没有镀金属的区域被波长较长的红外光透过形成亮区，此时键合标记对比度较高，测量结果较好。因此选择卤素灯共轴照明透射式测量方式。

图12 卤素灯共轴照明反射式测量Fig.12 Common axis illumination reflectance measurement with halogen lamp

图13 卤素灯共轴照明透射式测量Fig.13 Common axis illumination transmission measurement with halogen lamp

2.3 测试结果分析

在不改变外部环境、光源照明的情况下，通过平移台移动找到需要测试的套刻标记，每个套刻标记拍摄50 组照片计算套刻偏差和重复性。整张键合片共58 组A、B、C、D 四种标记。A、B、C 标记在此光学系统下均能提取完整轮廓，D 标记的内轮廓受光学衍射限制出现了变形，数据处理异常，不作分析。

A 类标记长度为70 μm，外标记轮廓提取如图14（a）所示，x、y向采样点均为400 个，内标记轮廓提取如图14（b）所示，x、y向采样点均为160 个，内外标记采样均大于150 个。按照图7理论计算结果，内外标记重复性趋于3.5 nm，组合重复性在7 nm 左右。实际测试过程中测试平台的振动会影响内外标记的测量重复性，但是同一时刻振动引起内外标记的测量偏差是一致的，相减后得到测距重复性不受振动影响。图15 为一组A 类标记的套刻偏差，内外标记的测量重复性3σ分别为63 nm 和65 nm，相减后得到了套刻偏差重复性3σ为6.5 nm。对整张硅片内55 组A 类标记套刻偏差重复性作统计，得到A 类标记套刻重复性如图16 所示，重复性均值为6.6 nm，与理论结果相差0.4 nm。

图14 标记边缘提取Fig.14 Mark edge extraction

图15 A 类标记套刻偏差Fig.15 Nesting deviation for A mark

图16 A 类标记套刻偏差重复性3σFig.16 Nesting deviation repeatability 3σ for A mark

B 类标记长度为50 μm，外标记x、y向采样点均为280 个，仿真计算重复性趋于3.5 nm，内标记采样个数为100 个，仿真计算重复性趋于5 nm，组合重复性为8.5 nm，实测55 组B 类标记的套刻测量重复性均值为8.5 nm，如图17所示。B 类标记仿真结果与实测结果一致。C 类标记长度为30 μm，外标记轮廓提取如图14（c）所示，x、y向采样点均为140 个，仿真计算重复性趋于3.8 nm，外标记轮廓提取如图14（d）所示，x、y向采样点均为76 个，仿真计算重复性趋于6.5 nm，组合重复性趋于10.3 nm，实测55组C 类标记的套刻测量重复性均值为10.4 nm，如图18 所示。C 类标记仿真结果与实测结果重复性误差≤0.1 nm。

图17 B 类标记套刻偏差重复性3σFig.17 Nesting deviation repeatability 3σ for B mark

图18 C 类标记套刻偏差重复性3σFig.18 Nesting deviation repeatability 3σ for C mark

3 结论

设计了测量键合套刻偏差的系统。使用卤素灯透射红外检测的方式，实现了硅片键合套刻偏差测量重复性小于10 nm。首先用光源和相机测试得到噪声大小和分布作为仿真误差来源，采用Canny 算子对添加噪声后的不同标记线宽、不同物镜NA、不同标记采样点个数的仿真图形提取边缘计算重复性，得到了测量重复性与各参数变化的关系。然后根据仿真数据设计了检测系统和套刻标记，实验数据与仿真结果偏差不超过0.4 nm。这为键合套刻标记设计和检测系统参数设计提供了有力支持。