최근에 반도체 디바이스를 효율적으로 패키징하기 위한 수단으로서의 비아의 사용이 급증하였다. 불행하게도, 비아의 정확한 특성화는 더 성숙한 반도체 제조 프로세스와 종종 관련된 수율의 실현에 있어서 어려움을 유발하였다. 따라서 반도체 디바이스 및 패키지의 제조 프로세스의 일부로서 반도체 기판 내에 그리고 그를 통해 형성된 비아의 성질을 더 정확하게 특성화하는 것이 필요하다. 마이크로 제조 프로세스 및 그의 제품을 특성화하기 위한 방법이 설명된다. TSV들이 내부에 형성된 기판이 TSV의 상단부 및 하단부의 기하구조들 및 위치들을 결정함으로써 평가된다. 기판 내에 형성된 개별 TSV들은 물론, TSV들의 전체 패턴도 평가될 수 있다.

발명의 설명  

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
본 발명의 아래의 상세한 설명에서는, 본원의 일부를 형성하고, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 예시적으로 도시하는 첨부 도면들이 참조된다. 도면들에서, 여러 도면들 전반에서 유사한 참조번호들은 실질적으로 유사한 컴포넌트들을 나타낸다. 이러한 실시예들은 통상의 기술자들이 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 충분히 상세히 설명된다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서, 다른 실시예들이 이용될 수 있으며, 구조적, 논리적 및 전기적 변경들이 행해질 수 있다. 따라서 아래의 상세한 설명은 한정적인 의미로 간주되지 않아야 하며, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위 및 그들의 균등물들에 의해서만 정의된다.

그림 1에서는, 진보된 3D 패키징 기술들을 이용하여 패키징된 이상적인 반도체 디바이스의 단면도를 볼 수 있다. 실제 와이어들(금 또는 구리)을 이용하는 것이 아니라, 인터포저(interposer) 및 볼 그리드 어레이(ball grid array) 패키지에 의해, 예를 들어 회로 보드와 같은 외부 전자 기반구조에 개별 칩 또는 다이가 접속된다. 이미지에서 볼 수 있듯이, 패키지의 정면에 결합되거나 그의 일부로서 형성된 다이를 전기적으로 접속시키기 위해 관통 실리콘 비아들, 또는 TSV들이 사용된다. 일반적으로, TSV들은 기판을 통해 형성된 구멍일 뿐이며, 이 구멍은 기판을 통해 전류를 통과시키기 위해 도전성 재료로 채워진다. 따라서 그림 1에 도시된 것과 다른 TSV들의 구성들 및 응용들이 고려된다.

TSV의 목적은 절연성 기판을 통해 전류를 전도하는 것이므로, TSV가 비정상(anomalous) 단면을 갖거나, 잘못 배치되거나, 생략되거나, 달리 잘못 형성되는 경우에는 문제들이 발생할 수 있다. 이러한 예들 각각에서, TSV는 그의 전류 운반 기능을 이행하지 못할 것이다. TSV의 위치 및 형태에 있어서의 소정 양의 변화가 허용되지만, 과도한 변화는 낮은 제조 수율, 신뢰성없음(unreliability) 및 경제적 손실을 유발할 것이다.
그림 1에서 볼 수 있듯이, 이상적인 TSV는 규칙적인 단면 형상을 가질 것이다. 일반적으로, 이상적인 TSV는 균일한 다면체 또는 원통일 것이다. 이 경우, 전기적 특성은 그의 전체 깊이 또는 길이를 따라 실질적으로 균일할 것이다. 그러나 TSV들을 생성하기 위해 통상적으로 사용되는 마이크로 제조 프로세스들의 특성으로 인해, TSV들은 그림 2의 (a)에서 볼 수 있는 바와 같이 절두 원뿔(truncated cone), 즉 원뿔의 절두체(frustum)의 형상에 가까워지는 경향이 있을 수 있다. 이것은 소정의 상황들에서는 허용 가능할 수 있지만, 수율을 적절히 관리하기 위해 모니터링되어야 한다. TSV를 형성하는 데 사용되는 프로세스의 특성에 따라, TSV는 또한 그림 2의 (b)의 예에 도시된 바와 같이 비대칭화될 수 있다. 이러한 타입의 비대칭은 그의 정도에 따라서는 수용 불가능한 전기적 특성들(예로서, 전류 운반 능력, 저항, 캐패시턴스)을 유발하거나, 전기적 접속을 어렵거나 신뢰성 없거나 심지어는 불가능하게 하는 기하학적 오배치를 유발할 수 있다. 사양 밖의 마이크로 제조 프로세스들로부터 또는 재료 변화로부터 다른 불일치들이 발생할 수 있다. 예를 들어, 너무 큰 상면 및 보통보다 작은 하면을 갖는 그림 2의 (c)의 TSV는 마이크로 제조 도구들의 부적절한 동작으로부터 또는 TSV가 형성되는 기판의 식별되지 않은 또는 시간 경과에 따라 변하는 국지적 또는 보편적 특성들로부터 발생할 수 있다.

TSV들의 평가 및 마이크로 제조 프로세스들의 모니터링은 일반적으로 기판(22) 내에 결국 TSV가 될 구멍(20)을 형성함으로써 시작되는 순차적 프로세스에서 발생한다. 그림 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 4개의 개별 구멍(20)이 기판(22) 내에 형성된다. 구멍들(20)은 건식 또는 습식 에칭과 같은 공지된 마이크로 제조 기술들을 이용하여 또는 레이저, 집속 이온빔 밀링(focused ion beam milling) 등을 이용하는 제거(ablation)에 의해 형성된다. 이상적인 조건들에서는, 원통 또는 적절한 다면체(가장 좌측 구멍(20) 참조)와 같은 대칭 형태인 구멍(20)이 형성될 것이다. 마이크로 제조 도구가 사양을 벗어나는 경우와 같이 덜 이상적인 조건들에서는, 너무 크거나, 너무 작거나, 너무 깊거나, 너무 얕거나, 비대칭이거나, 잘못 형성되거나, 부스러기를 포함하는 구멍들(20)이 형성될 수 있다. 그림 3에서 점선(24)은 구멍(20)이 형성되는 깊이를 나타낸다는 점에 유의한다. 이러한 깊이는 통상적으로, 선택된 마이크로 제조 도구를 지정된 시간 기간 동안 적용함으로써 도달된다. 예를 들어, 플라즈마 에칭 시스템이 사용되는 경우, 너무 높거나 너무 낮은 플라즈마 온도 또는 농도는 일치하지 않는 TSV들을 유발할 수 있다.
구멍(20)이 형성되면, 검사 단계가 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 검사 단계는 모든 또는 선택된 소수의 구멍들(20)의 이미지들을 캡처하는 고해상도 광학 이미징 프로세스이다. 구멍(20)의 상단부의 고해상도 이미지들을 캡처하는데 사용될 수 있는 광학 이미징 및 검사 시스템의 일례가 Flanders, NJ의 Rudolph Technologies, Inc.에 의해 NSXⓇ라는 이름으로 판매되고 있다. 이미지들로부터, XY 위치, 구멍들(20)의 상단부들의 직경들, 구멍들이 형성되는 기판에 대한 구멍들의 정렬, 기판들 상의 구조들에 대한 정렬, 구멍들(20)의 피치, 구멍(20) 패턴의 스큐(skew), 구멍(20) 패턴 내의 키스톤(keystone) 결함들, 직경 변화, 존재 또는 부재 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 구멍들(20)에 관한 정보가 도출될 수 있다. XY 위치 및 요구되는 임의의 다른 정보, 예로서 구멍(20)의 직경이 후속 평가를 위해 기록된다. 구멍들(20)의 검사는 이미지들이 획득됨에 따라 모든 선택된 구멍들(20)의 모든 이미지들이 캡처된 때 발생할 수 있거나, 검사는 기판 및 기판에 작용하는 프로세스 및 검사 시스템들로부터 떨어진 시간 및/또는 장소에서 오프라인으로 수행될 수 있다.
검사는 검사 이미지들로부터 캡처된 데이터와 사용자에 의해 정의된 미리 결정된 기준들의 간단한 비교를 포함할 수 있다. 대안으로서, 구멍들(20)은 그들을 형성하는 데 사용된 프로세스가 시간 경과에 따라 변경되었는지 그리고 어느 정도 변경되었는지를 결정하기 위해 평가될 수 있으며, 크기 및 배치에 관한 일부 기본적인 기준들이 충족되는 한, 달리 상이한 구멍 또는 구멍(들)이 형성되는 기판이 허용 가능한 것으로 결정된다. 단일 구멍 또는 구멍들의 세트가 일치하지 않는 것으로 밝혀지는 경우, 결과적으로 전체 기판이 폐기될 수 있는 것이 가능하다는 점에 유의한다. 대안으로서, 더욱 종종, 구멍들이 형성되는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판이 단일 패키지에서의 사용을 위해 개별 인터포저 구조들로 분할될 수 있거나 분할되도록 의도될 수 있다. 이 경우, 모든 일치하지 않는 유닛들을 계속 추적하고, 사용 가능하지 않은 것들을 폐기하는 것이 중요하다. 이것은 웨이퍼 맵으로 종종 지칭되는 간단한 데이터베이스 또는 데이터 파일을 이용하여 종종 행해진다. 과거에는, 유닛이 사용 불가능하다는 것을 알리기 위해 기판의 일치하지 않는 부분들이 잉크 도트로 마킹되었다. 요컨대, TSV들의 다양한 제조 단계들에서의 TSV들 및 그들의 컴포넌트 부분들의 검사는 구조들로부터 도출된 정보와 임의적이거나 구조들 자체로부터 도출될 수 있는 소정 기준들의 비교를 포함한다. 유닛이 사용될지의 여부는 완전히 제조 설비의 운영자에 의해 좌우되며, TSV 및/또는 그가 형성되는 기판의 필요한 품질 레벨은 운영자마다 그리고 구조마다 다를 수 있다는 점에 유의해야 한다.
구멍들(20)의 상단부의 이미지들을 캡처하는 검사 단계는 구멍들(20)이 형성된 직후에 또는 구멍들(20)이 도전성 재료로 채워지고 구멍(20)의 상단부가 노출되도록 평탄화된 후에 발생할 수 있거나, 이들 양 단계에서 발생할 수 있다. 일부 응용들에서, 일반적으로 금속화(metallization)으로 알려진, 도전성 재료로 구멍(20)을 채우는 프로세스는 구멍(20)의 상단부를 불분명하게 할 수 있다는 점에 유의한다. 이러한 경우에는, 금속화 이전에 검사를 수행하거나, 불투명한 재료를 통해 구멍(20)의 상단부의 직경을 감지할 수 있는 검사 시스템을 사용하는 것이 바람직하다. 하나의 그러한 타입의 시스템은 Flanders, NJ의 Rudolph Technologies, Inc.에 의해 METAPULSEⓇ라는 이름으로 판매되는 광-음향 계측 시스템이다. 이것은 2개의 개별 마이크로 제조 프로세스 후에 검사들을 수행하는 데 필요한 검사 장비 및/또는 시간과 관련하여 경제적일 수 있지만, 각각의 처리 단계 후에 TSV에 관한 검사 데이터를 캡처하는 것이 유리할 수 있다. 일부 경우들에서, TSV들에 관한 정보는 회로의 광학 검사 또는 기판 표면 내의 구조들의 광-음향 계측과 같은 검사 또는 계측 프로세스들의 부산물로서 획득될 수 있는 것이 가능하다.
TSV들을 평가하는 프로세스의 다른 단계는 TSV가 형성되는 기판에 대해 TSV를 형성하는 구멍(20)의 위치를 설정하는 단계이다. 기판이 기계적 이동 수단(스테이지/상판) 상에서 기판의 이미지들을 캡처하는 이미징 시스템에 대해 지지되는 기계적 이동 수단을 교정함으로써, 이미징 시스템에 의해 이미징되는 TSV/구멍들의 위치를 결정할 수 있다. 기판의 둘레 및 정렬 구조들의 위치를 결정한 유사한 교정 단계들이 기판 자체에 대한 이미징된 TSV들의 위치를 설정하는 것을 돕는다.
TSV들은 또한 TSV들과 함께 이미징되는 기판 상에 형성된 기준 마크들을 이용하여 기판 상에서 위치결정 될 수 있다(localized). 다른 실시예에서, 기판의 표면에서 보이는 회로 또는 심지어 결함들, 예로서 칩들, 크랙들 또는 스크래치들을 포함하는 기판의 피처들(features)을 이용하여 기판 자체 상에서 또는 기판 상의 다른 피처들에 대하여 TSV들을 위치결정 할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 기판의 상면 상의 TSV들의 위치결정을 위해 설정되는 좌표계는 기판의 하면 상의 TSV들의 하단부를 위치결정하기 위해 설정되는 좌표계와 정렬되는 것을 보증하는 것이 중요할 것이라는 점에 유의한다.
TSV의 상단부가 위치결정되고, 그의 바람직한 특성들이 결정되면, TSV의 하단부의 위치 및 특성들을 결정하는 것이 필요하다. 전술한 바와 같이, TSV는 통상적으로 하나의 단계에서 기판을 통해 완전히 형성되지는 않는다. 오히려, 구멍(20)은 기판을 통해 원하는 깊이로 부분적으로 형성된다. 따라서 특정 이미징 또는 감지 기술들(예로서, 불투명한 기판 내의 피처들을 측정하는 데 사용될 수 있는 IR 이미징, IR 반사계, IR 간섭계, IR 산란계, IR 레이저 삼각 측량 또는 광-음향 시스템)을 이용하지 않고서는 또는 먼저 기판의 배면을 얇게 하여 TSV의 하단부를 노출하지 않고서는 TSV의 하단부를 직접 관찰하기 어렵거나 불가능하다. 기판이 실리콘으로 형성되는 경우, 이미징 목적을 위해 근적외선 광(near IR light)이 사용될 수 있는데, 이는 실리콘이 근적외선 범위 내의 또는 그에 가까운 파장들을 갖는 광에 적어도 부분적으로 투명하기 때문이라는 점에 유의한다. 비실리콘 기판들은 다른 파장 범위들 내의 광에 적어도 부분적으로 투명할 수 있거나, TSV들은 전술한 광-음향 측량 시스템과 같이 불투명한 기판들을 통해 기능할 수 있는 방법들을 이용하여 평가될 수 있다.
기판이 선택된 검사 시스템이 감지하는 광의 파장들에 투명한 경우, 기판을 뒤집어서 기판의 배면을 통해 검사 조사선(radiation)(예로서, IR 조사선)을 지향시켜 TSV의 하단부를 위치결정하는 것이 가능할 수 있다. Newbury Park, CA의 Tamar Technology에 의해 사용되는 하나의 기술에서는, IR 광이 기판의 배면 상으로 그리고 그를 관통하도록 지향되며, TSV의 하단부 상에 그리고 또한 기판의 상면의 뒤쪽(기판 내부)에 입사된다.
TSV의 하부측으로부터 반환되는 IR 광으로부터 도출되는 신호를 기판의 상면으로부터 반환되는 광으로부터 도출되는 신호와 비교하여, TSV의 높이 또는 깊이를 결정한다. 충분한 해상도를 갖는 광센서 또는 검사 시스템, 예를 들어 작은 스폿 크기를 갖는 센서 또는 시스템이 사용되는 경우, TSV의 깊이/높이에 더하여, TSV의 정확한 XY 위치를 얻을 수 있다. TSV의 하단부의 실제 이미지를 캡처하는 것이 비실용적이거나 어려운 상황들에서는, 반사계 또는 산란계와 같은 비-이미징 기술 또는 광-음향 기술이 사용될 수 있다. 이러한 기술들은 TSV의 깊이/높이 및 일부 경우들에서는 TSV의 XY 위치에 관한 정보를 제공할 수 있지만, 개별 TSV들에 관한 특정 기하학적 데이터를 빠른 방식으로 얻기가 어려우며, 광-음향 시스템은 다소 느릴 수 있고, 이는 그들의 사용을 샘플링 루틴으로 제한할 수 있으며, 반사계 및 간섭계는 단일 TSV 대신에 TSV들의 그룹에 대한 정보를 제공하는 경향이 있다. 이러한 기술들 중 하나를 이용할 경우, TSV의 하단부의 평가는 기판의 반대편을 조사함으로써 수행될 수 있다.
TSV의 하단부의 평가는 대안으로서 또는 추가로 TSV의 하단부가 화학 기계 평탄화(CMP)와 같은 연마 프로세스에서 웨이퍼를 얇게 함으로써 노출된 경우에 수행될 수 있다. 이러한 타입의 프로세스에서, TSV들이 내부에 형성된 웨이퍼는 그의 앞면(obverse side)이 소정 유형의 캐리어 기판에 부착된다. 대부분의 경우에, 얇아질 기판은 TSV들 또는 다른 구조들이 상부에 형성되지 않은 희생 기판에 부착된다. 이어서, TSV들을 갖는 기판의 뒤쪽이 연마 패드들(abrasive pads), 슬러리들(slurries) 및/또는 화학 에천트들(chemical etchants)을 이용하여 연마된다. 연마 프로세스는 웨이퍼를 도 3의 선 30에 의해 표시된 그의 초기 위치로부터 점선 32에 의해 표시된 그의 최종 위치까지 얇게 한다. 이상적으로는, TSV의 하면은 선 32에 의해 식별되는 평면에 위치할 것이고(가장 좌측의 TSV 구멍(20) 참조), 구멍(20)을 채우는 재료가 연마의 결과로서 제거된다고 해도 거의 제거되지 않을 것이다. 그러나, TSV 구멍들(20)을 형성하는 프로세스는 다양할 수 있으므로, TSV들의 하단부들의 공칭 위치들(nominal positions)이 아니라 기판의 앞면에 더 가까운 평면/선(32)까지 연마하는 것이 일반적이라는 점에 유의한다. 이러한 방식으로, TSV들의 하단부들은 균일하게 노출되어야 한다. TSV 또는 TSV들의 그룹이 노출되지 않는 경우, 그 원인들은 다양할 수 있지만, 예를 들어 연마 프로세스는 부주의로 기판의 한 영역에서 더 많이 연마할 수 있으며, 따라서 기판의 다른 영역 내의 TSV들을 노출하지 못할 수 있거나, TSV(들)가 처음부터 잘못 형성되었을 수 있다. 여하튼, TSV들의 하단부들이 연마에 의해 노출되면, 광학 검사 시스템을 이용하여 TSV들의 이미지들을 캡처한다. TSV들의 상단부와 관련하여 전술한 바와 같이, 각각의 TSV의 XY 위치는 그의 기하학적 특성들(직경, 형상 등)과 같이 기록된다. 기판의 뒷면으로부터 보이는 바와 같은 TSV들의 어레이를 평가하여, 각각의 TSV의 적절한 배치 또는 존재는 물론, 적절한 피치 및 정렬(스큐잉 등)도 보증할 수 있다. 정렬 단계는 여기서 매우 중요한데, 이는 개별 TSV들을 위치결정할 뿐만 아니라, TSV의 상단부에 대한 TSV의 하단부의 위치를 높은 정확도로 설정하는 것도 필요하기 때문이다. TSV들의 상단부들 및 하단부들 각각이 양호하게 정렬되고, 기판의 그들 각각의 면에 대해 위치결정되는 것으로 전제하면, 기판의 에지들은 물론, 그 안에 형성된 정렬 구조들(예로서, 플랫들(flats) 또는 노치들(notches))도 이용하여, 기판의 상부 및 하부의 각각의 좌표계가 적절히 정렬되는 것을 보증한다. 대안으로서, IR 이미징 시스템을 이용하여, 기판의 앞면 상에 위치결정된 구조(예로서, 기준들, 회로 등)를 기판의 뒷면을 통해 동시에 관찰할 수 있으며, 따라서 좌표계들 사이의 직접적인 상관 관계를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서는, 기판의 앞면 및 뒷면 양쪽 상의 선택된 피처들을 동시에 관찰하도록 구성된 시스템을 이용할 수 있다. 적절히 교정될 경우, 종종 미러들 및/또는 광섬유 구조들을 사용하는 그러한 시스템은 기판의 앞면 및 뒷면의 피처들의 위치를 직접 비교할 수 있다. 일부 경우들에서는, 소프트웨어를 이용하여, TSV들 자체의 상단부들 및 하단부들의 위치들 사이의 최상의 또는 가장 유망한 피팅(fitting)을 획득할 수 있다. 그러한 정렬을 동일 이미지들 및/또는 동일 소프트웨어를 이용하여 이중 검사하여, 기판의 에지들 및 임의의 정렬 구조들의 위치를 매칭시킬 수 있는데, 예를 들어 노치들 또는 플랫들의 매칭에 의한 각도 정렬에 부가하여 3 포인트 에지 발견이 이용될 수 있다.
그림 3에서, 도시된 TSV들의 평가는 좌측 2개의 TSV가 존재하고 설명된다는 것을 드러낼 것이다. 상단부 및 하단부를 검사하여, 그들이 올바른 위치들에 있는지를 결정할 수 있다. TSV들의 상단부 및 하단부의 직경 및 형상을 비교하여, TSV들을 형성하는 데 사용되는 마이크로 제조 기술이 양호하게 제어되는지를 결정할 수 있다. 이예에서, 가장 좌측의 TSV는 이상적인 TSV를 나타낸다. 좌측 TSV로부터 두 번째 TSV는 전술한 절두 원뿔 형상 및 하단부보다 훨씬 더 큰 상단부를 갖는다. 상단부 및 하단부의 크기들 간의 차이는 제조 설비의 운영자에 의해 설정되는 기준들에 따라 검사를 통과할 수 있거나 통과하지 못할 수 있다. 또한, 좌측 TSV로부터 두 번째 TSV는(공칭 형상이 다면체가 아니라 원통 또는 원뿔인 것으로 가정할 때) 수직축에 대해 대칭인 것으로 보인다. TSV의 상부 및 하부의 이미지들은 기판의 앞면 및 뒷면 사이의 TSV의 형상 또는 프로파일에 대한 정보를 포함하더라도 많이는 포함하지 않을 수 있지만, TSV의 프로파일 또는 형상이 어느 정도 추정될 수 있다는 점에 유의한다. 기판의 두께가 연마 프로세스로부터 알려지거나 알려질 수 있으므로, 이러한 정보를 TSV의 단부들의 XY 위치 및 TSV의 단부들의 형상과 함께 이용하여 TSV의 안쪽 부분들의 형상을 추정할 수 있다. 특정 마이크로 제조 기술들이 기능하는 방법에 대한 정보와 함께 취해지는 기하학적 정보로부터 도출되는 추정들은 필요에 따라 TSV 내부 구조들의 더 복잡한 모델들을 허용할 수 있다.
그림 3에서, 2개의 우측 TSV는 너무 짧고, 그들의 하단부들은 연마 후에 선/평면(32)에서 노출되지 않는다. 너무 깊은 TSV들의 문제는 더 큰 상단부 직경들과, 또는 이용되는 마이크로 제조 기술(예로서, 건식 또는 습식 에칭)이 너무 긴 시간 동안 또는 주어진 기판에 대해 너무 강한 설정들로 적용되는 경우에 발생하는 직선이 아닌 구근상(bulbous) 측벽들과 상관될 수 있다는 점에 유의한다. 너무 긴 TSV는 반드시 문제가 되지는 않는데, 즉 여전히 기능할 수는 있지만, 추가적인 처리 또는 연마에 있어서의 시간에 관한 손실 또는 재료 손실을 나타낼 것이라는 점에 유의한다. 일부 경우들에서, 연마는 너무 긴 TSV들의 그룹이 그들이 형성되는 기판보다 충분히 더 경질이거나 강인할 경우에 다소 불균일할 수 있다. 이 경우, 기판은 서로 평행하지 않은 앞면 및 뒷면을 갖도록 연마될 수 있다.
중요하게, 한 경우에서, 그림 3의 우측의 2개의 TSV는 기판의 앞면 및 뒷면에 수직인 축에 대해 대칭이 아닌 것을 볼 수 있다. 이것은 마이크로 제조 도구들의 오정렬에 기인하거나, 이동 수단 자체가 오정렬되거나, 아마도 기판과 이동 수단 사이에 소정 타입의 부스러기가 삽입되는 경우에 발생할 수 있다. 다시, 이러한 타입의 오정렬은 TSV들이 반도체 디바이스 패키지에서 필요한 전기적 접속들을 행하기에 충분한 배치 정확성을 유지하는 한 기판의 사용을 배제하지 못할 수 있다.

그림 4는 TSV의 상부 및 하부의 위치 및 기하구조 사이의 오프셋의 크기의 기본적인 평가를 나타낸다. TSV의 상부(40)는 하부(42)보다 크다. 또한 TSV의 하부(42)는 상부(40)보다 작다. 2개의 단부(40, 42)가 횡방향으로 오프셋된다는 것은 마이크로 제조 도구가 오정렬될 수 있다는 것을, 또는 기관과 기판을 지지하는 이동 수단 사이에 부스러기가 존재한다는 것을 의미한다. TSV의 원하는 기하구조 및 사용되는 마이크로 제조 도구 또는 프로세스의 특성에 따라, 상부(40) 및 하부(42)의 크기들이 다르다는 것은 또한 마이크로 제조 도구 또는 프로세스의 특성 동작을 나타낼 수 있다. 도 4에 도시된 TSV는 그들 사이의 크기 차이와 더불어 더 많거나 적게 절두된 원뿔 형상을 추정하는 원형의 상단부 및 하단부를 갖지만, TSV는 피라미드와 같은 다른 단면 형상들을 가질 수 있고, 이 경우에 TSV의 상단부 및 하단부의 형상들은 정사각형 또는 직사각형일 수 있다는 것을 이해해야 한다.

그림 5에서 볼 수 있듯이, TSV는 다소 불규칙한 형상을 갖는 것이 가능하다. 그러나 이상적으로는, TSV의 형상은 규칙적일 것이고, TSV의 상단부 및 하단부의 형상이 미리 정의된 또는 원하는 규칙적인 형상으로부터 벗어나는 정도는 마이크로 제조 도구 또는 프로세스가 얼마나 양호하게 기능하고 있는지를 정의할 수 있다. TSV의 상단부(44) 및 하단부(46)는 형상이 불규칙하므로, 블로브(blob) 분석 소프트웨어와 같은 소프트웨어 수단을 이용하여, 도면에 의해 제안되는 바와 같은 상부 또는 하부 영역의 중심을 결정할 수 있다는 점에 유의한다. 이어서, 중심들을 이용하여, 도시된 바와 같은 횡방향 오프셋들(Xo, Yo)을 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 간섭계들을 이용하여 TSV들 및 웨이퍼와 같은 기판(S)을 포함하는 다른 구조들을 특성화할 수 있다. 이러한 목적에 적합한 간섭계들의 예들이 다음의 그림들에 도시된다.

그림 6은 본 명세서에서 개시되는 원리들의 적용으로부터 이익을 얻을 수 있는 간섭계(10)의 일 실시예를 나타낸다. 그림 7은 본 명세서에서 개시되는 원리들의 적용으로부터 또한 이익을 얻을 수 있는 다른 유사한 간섭계(10`)를 나타낸다.
그림 6 및 그림 7에서, 다중 스펙트럼 또는 광대역 조명이 광원(20)으로부터 방출된다. 광원은 할로겐(halogen), 크세논(xenon), 형광(fluorescent) 또는 백열(incandescent) 또는 유사한 것들과 같은 간단한 광대역 광원일 수 있다. 본질적으로, 특정 응용에 필요한 임의의 광 파장들을 방출하는 임의의 광원으로 충분할 것이다. 간섭계들(110, 110`)은 광섬유 케이블들(122)에 의해 광원들(120)로부터 방출되는 광을 수집하고 전달한다. 광원들(120)로부터 방출되는 광은 케이블들(122) 대신에 대기를 통해 전파될 수 있다는 점에 유의한다.
양 간섭계(110, 110`)에서, 광원(120)으로부터의 광은 광 경로(124)를 따라 방출된다. 그림 6의 간섭계(110)의 경우, 광은 광 경로(124) 상으로 방출되기 전에 빔 분할기(121)를 통과한다. 하나 이상의 렌즈, 필터 또는 조리개를 포함할 수 있는 광학 요소(126)는 광 경로(124)를 따라 이동하는 광을 시준한다. 이러한 시준된 광이 빔 분할기(128)를 통과하고, 이어서 대물렌즈(130)에 의해 기판(S) 상에 포커싱된다. 대물렌즈(128)는 통상의 기술자들이 이해하듯이 하나 이상의 렌즈, 필터 또는 조리개를 포함할 수 있다는 점에 유의한다.
기판(S) 상에 입사된 광은 광 경로(124)를 따라 적어도 부분적으로 복귀하며, 대물렌즈(130)에 의해 다시 시준된다. 대물렌즈(130)로부터 시준된 광은 도 6의 실시예에서 광 경로(124)를 따라 광섬유(122)로 복귀하며, 이 광섬유는 복귀된 광을 빔 분할기(121)로 전달한다. 기판(S)으로부터 빔 분할기(121)로 복귀된 광의 적어도 일부는 광섬유(123)에 의해 분광계(132)로 지향된다.
그림 7의 간섭계(110`)의 경우, 기판(S)으로부터 대물렌즈(130)를 통해 복귀된 광은 빔 분할기(128)에 의해 렌즈(134)를 통해 분광계(132)로 적어도 부분적으로 지향된다. 렌즈(134)는 개별 렌즈들, 필터들 및 조리개들과 같은 광학 요소들의 임의의 유용한 조합일 수 있다는 점에 유의한다.
양 간섭계(110, 110`)에서, 빔 분할기(128)는 광원(120)에 의해 방출된 광의 일부를 광 경로(125)를 따라 지향시킨다. 광 경로(125)는 종종 간섭계의 기준 레그(leg)로서 지칭되는 것을 정의한다. 광 경로(124)는 종종 간섭계의 샘플 레그로서 지칭된다. 광 경로(125)를 따라 지향된 광은 마침내 큰 변경 없이 단순히 빔 분할기(128)로 복귀된다. 광 경로들(124, 125)을 따라 복귀된 광은 서로 간섭하여 간섭 줄무늬들을 생성한다. 이러한 간섭 줄무늬들은 분광계(132)에 의해 광의 파장의 함수로서 감지된다.
그림 6에 도시된 간섭계(110)는 광원(120) 및 분광계(132) 양자가 간섭계(110)의 나머지로부터 떨어져 위치하는 것을 가능하게 하는 장점을 갖는다. 이것은 간섭계(110)에 기초하는 조면계(profilometer)의 광-기계 패키징을 도울 수 있다. 불행하게도, 광섬유(122) 내의 빔 분할기(121)의 추가는 분광계에 궁극적으로 도달하는 광의 강도를 감소시킨다. 특히 ‘어두운’ 기판들(S)의 경우, 즉 특히 반사하지 않는 기판들의 경우, 분광계에 의해 출력되는 신호는 광의 부족으로 인해 비교적 낮을 수 있다. 이것은 신호 대 잡음비가 특히 낮은 불량한 측정을 유발할 수 있다.
그림 7에 도시된 간섭계(110`)는 빔 분할기(121)를 생략하고, 빔 분할기(128)에 인접하게 간섭계(110`)의 센서 레그를 배치함으로써 불량한 신호 대 잡음비를 극복한다. 이러한 변경은 약간 더 큰 광-기계 패키지를 유발하지만, 분광계(132)는 여전히 광섬유 케이블(23)이 사용되는 곳에서 떨어져 배치될 수 있다.
간섭계들(110, 110`)과 같은 간섭계의 기준 레그에서, 소정 유형의 반사기를 사용하여, 광 경로(125)를 따라 전환된 광을 빔 분할기(128)로 반환한다. 그림 6 및 그림 7에서, 이러한 반사기는 범용 미러(129)에 의해 표현되지만, 아래에 다시 더 상세히 설명되는 바와 같이 다른 옵션들이 이용 가능하다. 일반적으로 말해서, 미러(129)는 높은 반사율을 가지며, 그에 입사된 광의 대부분을 광 경로(125)를 따라 반환할 것이다. 이것은 기판(S)에 대해서는 항상 그렇지는 않다. 기판(S)의 표면과 미러(129) 사이에 반사율 미스매치가 존재하는 경우, 결과적인 간섭 신호는 최적이 아닐 수 있다. 따라서 빔 분할기(128)에 의해 결합되는 신호들의 크기를 적어도 어느 정도는 매칭시키는 것이 유리할 수 있다.
빔 분할기(128)에 의해 결합되는 신호들의 크기의 매칭은 광 경로들(124, 125) 중 하나 상의 광을 감쇠시킴으로써 또는 빔 분할기(128)가 광원(120)으로부터의 광을 경로들(124, 125)을 따라 분할하는 방식을 변경함으로써 수행될 수 있다. 신호 대 잡음비가 충분히 높은 경우, 분광계(132)에 제공되는 간섭 광신호에 기여하는 각각의 경로로부터의 광의 양이 미리 결정된 비율 범위 내에 있도록 광 경로들(124, 125) 중 하나 상의 광을 감쇠시킬 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 각각의 광 경로(124, 125)로부터 분광계에 도달하는 광의 양은 대략 동일하다. 광 경로들(124, 125) 중 하나를 따르는 광을 감쇠시킴으로써, 분광계(132)에 도달하는 광의 크기는 더 낮을 수 있으며, 그로부터 덜 유용한 신호가 도출될 수 있을 가능성이 크다는 점에 유의한다.
일 실시예에서, 광 경로(125)를 따라 중간 밀도 필터(136)를 배치함으로써 광 경로(125)를 따라 이동하는 광이 감쇠된다. 바람직한 실시예에서, 중간 밀도 필터(136)는 유용한 타입의 변경 가능 필터 장치(도시되지 않음)의 일부이다. 예를 들어, 중간 밀도 필터(136)는 단지 필터 휠 내의 다수의 상이한 필터 중 하나일 수 있다. 필터 휠의 위치를 변경함으로써, 적절한 중간 밀도 필터(136)를 선택할 수 있다. 다른 예에서, 중간 밀도 필터(136)는 광 경로(125)를 따르는 광의 적절한 감쇠를 선택하기 위한 필터의 수동 교체를 가능하게 하는 홀더 내에 설치될 수 있다. 또 다른 예에서는, 변경 가능 공간 광 변조기를 중간 밀도 필터(136)로서 사용할 수 있다.
공간 광 변조기는 광파들의 진폭, 위상 또는 편광을 공간 및 시간적으로 변경할 수 있는 LCD 디바이스이다. 중간 밀도 필터(136)는 광 경로들(124, 125) 중 하나 또는 양자에 배치될 수 있다는 점에 유의한다.
다른 실시예에서, 고정 중간 밀도 필터(136)가 광 경로들(124, 125) 중 하나 또는 양자에서 사용될 수 있다. 일반적으로 말해서, 각각의 광 경로(124, 125)로부터 반환되는 광의 크기들의 최적화 또는 균형화가 자주 변경되어야 하도록 기판들(S) 내에 높은 레이트의 반전이 존재하는 설정에서 간섭계(110 또는 110`)가 사용되어야 하는 경우, 변경 가능 필터(136)가 적절할 가능성이 높다. 이와 달리, 기판들(S)의 특성이 매우 일정한 경우에는 고정 필터(136)가 적절할 수 있다. 변경 가능 필터들(136)의 복잡성의 증가는 그들이 사용되는 간섭계의 비용 및 복잡성을 증가시킬 것이라는 것을 이해할 것이다. 고정 필터들(136)은 덜 유연하지만, 또한 훨씬 더 저렴하다.
광 경로들(124 또는 125)을 따라 전파되는 광을 감쇠시키지 않는 것이 바람직한 경우, 적절한 빔 분할기(128)를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 적절한 고정 빔 분할기(128)를 광 경로들(124, 125)의 교점에 제공하여, 이러한 경로들을 따라 전파되는 광의 크기를 최적화한다. 예를 들어, 기판(S)의 반사율이 미러(129)의 반사율보다 낮은 경우, 광 경로(125)를 따르는 것보다 광 경로(124)를 따라 더 많은 광을 지향시킴으로써 반사율 차이를 수용하도록 빔 분할기(128)가 선택될 수 있다.
전술한 바와 같이, 기판들(S)의 특성이 자주 변경되는 경우, 빔 분할기(128)는 수동으로 자주 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 큐브, 박막 또는 다른 적절한 타입의 빔 분할기들을 수동으로 스위칭하여, 광 경로들(124, 125)을 따라 전파되는 광의 크기들을 최적화한다. 다른 실시예에서, 전기적으로 변경 가능한 빔 분할기가 사용될 수 있지만, 통상의 기술자들은 전기적으로 제어될 수 있는 특성들을 갖는 빔 분할기들이 여전히 개발 중이며, 가까운 미래에는 실현 가능하지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 여하튼, 적절한 특성들을 갖는 필터들(136) 및/또는 빔 분할기들(128)을 신중히 이용함으로써, 광 경로들(124, 125)을 따라 전파되는 광의 크기들을 최적화하여, 분광계(132)에 의해 출력되는 결과적인 신호들을 최적화하는 것이 가능하다.
현미경과 같은 광학 시스템들의 설계에 있어서는, 색수차(chromatic aberration)를 최소화하는 것이 바람직하다. 통상적으로 이것은 후속하는 결과들을 개선한다. 간섭계들에서, 이것은 종종 디바이스의 샘플 및 기준 레그들의 광학 요소들을 매칭시키는 형태를 취한다. 그렇게 함에 있어서, 양 레그들로부터의 수차가 본질적으로 동일하고, 결과적으로 최종 신호 내의 잡음이 최소화되는 것으로 생각되는 것을 보증한다. 이것은 사실일 수 있지만, 간섭계의 기준 및 샘플 레그들 내의 광학 요소들의 수차를 매칭시키는 것은 디바이스로부터 획득되는 측정들에서 상당한 ‘널(null)’ 구역들을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 따라서 본 발명의 하나의 목적은 간섭계의 각각의 레그 내에 차별 색수차를 도입함으로써, 즉 레그들 사이에서 상이한 양자화된 색수차를 각각의 레그 내에 도입함으로써 전술한 널 구역들의 정도를 최소화하는 것이다. ‘상이한’ 색수차는 간섭 광학 시스템의 어느 한 레그 내에 도입될 수 있으며, 아래의 예들은 이러한 방식으로 제한하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.

그림 8은 차별 색수차가 간섭 광학 시스템 상에 부과될 수 있는 세 가지 방식을 개략적으로 나타낸다. 그림 8의 (a)-(c)에 도시된 기준 레그 변형들 및 그 변형들은 간섭계(110 또는 110`)(그림 6 및 그림 7)의 광 경로(25)일 일부를 형성할 수 있다는 점에 유의한다. 그림 8의 (a)는 간섭계의 기준 레그(140)의 제1 실시예를 나타낸다.
기준 레그(140)는 빔 분할기(128)와 같은 빔 분할기(미도시)로부터 광을 수신한다. 이러한 광은 광 경로(125)를 따라 반사기(129)로 지향된다. 이 실시예에서, 광은 광학 요소(142)에 의해 반사기(129) 상에 포커싱된다.
반사기(129)에 의해 반사된 광은 시준되며, 먼저 광을 광 경로(125)를 따라 지향시켰던 빔 분할기(미도시)를 향해 광 경로(125)를 따라 반환된다. 광 경로(125)를 따라 반환된 광의 적어도 일부는 빔 분할기(미도시)를 통과한 후에 분광계(130) 상으로 전달된다. 그림 8의 (a)의 실시예 내의 광 경로(125)는 간섭계(110, 110`)를 주어진 공간 내에 광-기계적으로 피팅하는 데 유용한 선택적인 회전 미러(144)를 포함한다.
그림 8의 (a)에 도시된 광학 요소(142)는 간섭계의 샘플 레그 내에 배치된 대물렌즈와 실질적으로 동일한 색수차를 가질 수 있으며, 이 경우에 간섭계 측정들에 대한 색수차의 영향들이 감소하지만, 널 구역들의 문제는 증가한다. 대안으로서, 하나 이상의 개별 렌즈, 필터 또는 조리개로 구성될 수 있는 광학 요소(142)는 기준 레그의 대물렌즈와는 다른 양의 색수차를 가질 수 있는데, 즉 차별 색수차를 유발할 수 있다. 이러한 후자의 경우, 색수차가 증가할 수 있지만, 널 구역들은 최소화된다. 일반적으로 말해서, 반사기(129)는 색수차의 방식에서 많은 것을 유발하지 않을 것이다. 즉, 반사기(129) 상의 코팅 등이 단독으로 또는 광학 요소(142)와 연계하여, 단독으로 취해지는 반사기 또는 광학 요소의 색수차와는 다른 색수차를 정의할 수 있는 가능성을 고려하는 것이 바람직하다.
그림 8의 (b)는 반환되는 광에 임의의 색수차를 도입하더라도, 많은 색수차를 도입하지 않고서 광 경로(125)를 따라 광을 반환하기 위해 반사기 큐브 또는 역반사기(144)를 이용하는 기준 레그(140)를 나타낸다. 이 경우에서는, 간섭계의 샘플 레그 내의 알려진 색수차를 갖는 대물렌즈를 이용함으로써 차별 색수차가 유발된다. 역반사기(144)는 색수차를 유발하더라도 거의 유발하지 않으므로, 결과적인 간섭계는 그의 기준 및 샘플 레그들 사이에 차별 색수차를 보인다고 한다.
그림 8의 (c)는 광 경로(125)를 따라 광을 반환하기 위해 미리 결정된 배율(optical power)을 갖는 미러(146)의 사용을 포함하는 기준 레그(40)를 나타낸다. 미러(146)는 광을 반사하여 미러(147) 상에 포커싱하며, 미러(147)는 광을 미러(146)로 반환하고, 이어서 미러(146)는 광을 시준하여 빔 분할기로 반환한다. 정확한 배율은 그가 사용되는 광학 시스템에 크게 의존하며, 따라서 어떠한 명확한 예도 여기서는 제공되지 않는다는 점에 유의한다. 배율을 갖는 미러(146)의 정확한 배율 및 배치는 광학 설계 분야의 통상의 기술자에 의해 고전적 또는 수치 자동화 광학 설계 기술들을 이용하여 쉽게 결정될 수 있다.

그림 9는 간섭계(110, 110`)에 의해 감지된 간섭 줄무늬들의 강도를 간섭 광의 파장과 관련시키는 간섭도의 개략도 표현이다. 이러한 간섭도는 기판(S)에 대한 간섭계의 주어진 위치에서 얻어진다는 점에 유의한다. 인식하듯이, 간섭계의 위치는 기판에 대해 고정되며, 이것은 광 경로(124)를 따른 자신들의 위치와 관련하여 변하는 기판(S)의 피처들의 위치이다.
본 발명의 일 실시예에서, 간섭계(110, 110`)에 의해 사용되는 광의 스펙트럼은 적외선 파장들을 포함하며, 따라서 실리콘으로 이루어진 기판(S)의 상면을 위치결정할 수 있는 것에 더하여, 간섭계는 실리콘 기판(S) 내의 피처들을 위치결정할 수 있다. 하나의 그러한 구조는 예를 들어 전술한 바와 같은 TSV의 하면일 수 있다.
그림 9에서 볼 수 있듯이, 강도 데이터 내에는 약 612nm에서 널 값 또는 공간(150)이 존재한다. 이러한 널 값(150)은 지정된 파장 범위에서의 간섭의 결여의 결과이다. 이러한 널 값(150)의 이러한 위치 및 범위는 간섭계(110 또는 110`)를 형성하는 광학 시스템의 특성 및 기판(S)의 특성에 의존한다. 이러한 널 값(150)이 넓은 경우, 테스트 중인 기판(S)을 적절히 위치결정하고 특성화하는 데 필요한 정보를 획득하는 것이 어려울 수 있다.
간섭계들(110, 110`)의 기준 레그 및 샘플 레그가 실질적으로 동일한 색수차를 갖는 경우, 즉 각각의 레그의 차별 색수차가 최소화되는 경우, 널 값(150)은 비교적 더 큰 영역에 걸쳐 확장된다. 그러한 간섭계(110 또는 110`)는 나중에 그의 출력에서 갭을 가지며, 이는 기판(S)을 완전히 특성화하는 것을 더 어렵게 한다. 지정된 양의 차별 색수차를 도입하는 것은 널 값(150)을 최소화하거나 일부 경우들에서는 실질적으로 제거하며, 간섭계(110 또는 110`)의 성능을 개선한다.
널 값(150)에 의해 유발될 수 있는 다른 문제는 분광계(30)로부터 획득된 유용한 데이터 내의 이러한 갭이 기판(S) 상의 관심있는 위치들, 구조들 또는 특성들에 대응하는 경우이다. 간섭계들(110, 110`)의 입력 및 출력 개구들(152, 154)을 변경함으로써, 널 값(150)을 원하는 감도 범위 밖에 있는 위치로 이동시키거나, 적어도 널 값(150)의 부정적인 효과들이 최소화되는 위치로 이동시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 개구들(152, 154)을 더 크게 또는 작게 하는 것은 도 9에 도시된 그래프 상에서 널 값(150)의 위치를 좌측으로 또는 우측으로 이동시킬 수 있다. 기판(S) 상의 관심있는 구조들이 통상적으로 널 값(150)의 우측 또는 좌측의 파장들에서 식별되거나 특성화되는 경우에, 더 신뢰성 있고 확실한 측정치가 얻어질 수 있다.
그림 6에 도시된 간섭계(110)의 경우, 입력 개구(152)는 간섭계(110)의 출력 개구(154)이기도 하다. 이것은 광섬유가 광을 2개의 방향으로 전달한다는 사실의 결과이다. 이 실시예에서, 입력 및 출력 개구들(152, 154)은 광섬유(123) 자체의 직경에 의해 또는 고정된 직경 또는 변경 가능한 직경일 수 있는 물리적 개구(미도시)에 의해 정의될 수 있는데, 즉 변경 가능한 조리개가 사용될 수 있다. 입력 및 출력 개구들이 서로 켤레(conjugate)인 것을 보증하는 것이 중요하다는 점에 유의한다.
그림 7에 도시된 간섭계(110`)에서, 입력 및 출력 개구들(152, 154)은 광학 시스템의 개별 레그들 내에 배치된다.
간섭계(110)와 같이, 입력 개구(152)는 광섬유(123)의 단부에 위치한다. 광섬유들이 사용되지 않고, 광이 공기 중에서 전파되는 경우, 고정된 또는 변경 가능한 직경의 간단한 개구가 사용될 수 있다는 점에 유의한다. 출력 개구(154)는 분광계에 (광학적으로) 인접하게 배치되며, 다시 간단히 광섬유(123)의 입력 단부에 의해 정의될 수 있거나, 고정된 또는 변경 가능한 개구에 의해 정의될 수 있다. 다시, 개구들은 가능한 한 켤레에 가깝거나 켤레에 가까워야 한다.