专利名称：用于估算多层晶片的非均匀变形的系统和方法
技术领域：
本发明涉及通过将由初始衬底形成的至少一层转移到最终衬底上来制造多层半导体晶片或衬底的制造领域，所述被转移层与初始衬底的一部分对应。被转移层还可以包括元件或多个微元件的全部或部分。
背景技术：
本发明涉及在通过分子附着力将层键合至衬底时所出现的非均匀变形问题，更确切地讲，涉及将该层从被称为“施主衬底”的初始衬底上转移至被称为“接收衬底”的最终衬底。该变形已经在必须将微元件的一个或多个层转移到最终支承衬底上的元件三维集成(3D集成)技术的情形中明显地观察到，但在电路的转移或背光成像器件的制造情形中也观察到该变形。尤其，由于被转移层中一般具有尺寸非常小且数量很大的微元件，因此每一个被转移层必须以很好的精确度布置在最终衬底上，以满足与下面的层的非常严格的对准。此外，有必要对转移之后的层执行处理，以便例如形成其它微元件、揭开表面上的微元件、形成互连件，等等。然而，申请人注意到，在该转移之后出现以下情形，即很难或甚至不可能形成与转移前所形成的微元件对准的另外微元件。该未对准现象参考图IA至图IE进行描述，图中示出了三维结构的一个实施例，其包括将形成在初始衬底上的一层微元件转移到最终衬底上和在键合之后的初始衬底的暴露面上形成另外的微元件层。 图IA和图IB不出了形成有第一系列微兀件11的初始衬底10。微兀件11依靠掩模通过光刻法来形成，所述掩模能够对与待制造的微元件11对应的图案的形成区域进行限定。如图IC所示，然后使初始衬底10中包含微元件11的面与最终衬底20的面紧密接触，从而形成复合结构25。初始衬底10与最终衬底20之间的键合通过分子附着力来实现。从而，在衬底10和20之间的键合界面上得到微元件11的掩埋层。在键合之后，如图ID所示，使初始衬底10被薄化，以便移除微元件11层上的一部分材料。然后，得到由最终衬底20和与初始衬底10的其余部分对应的层IOa形成的薄化复合结构30。如图IE所示，三维结构制作过程中的下一步在于，在薄化初始衬底10的暴露表面的水平处形成第二层微元件12，或者在暴露表面上以与包含在层IOa中的元件对齐的方式执行补偿工艺步骤(接触、互连，等等)。为简便起见，在本文的其余部分中，术语“微元件”涉及由在层中或层上实现的工艺步骤所产生的器件或任何其它图案，并且所述器件或任何其它图案的定位必须精确控制。从而，可能出现有源或无源元件、接触或互连的问题。从而，为了形成与掩埋微元件11对准的微元件12，使用与用于形成微元件11时类似的光刻掩模。文中，类似掩模意指设计成在加工处理期间联合使用的掩模。诸如层IOa的被转移层一般包括在微元件的水平上和在形成在工艺处理步骤(诸如为了光刻所执行的那些步骤)期间，专门由定位和对准工具使用的层的薄片的水平上的标记(或标识)。然而，即使使用定位工具，在一些微元件11和12之间仍出现偏移，诸如图IE中所示的偏移 All、A 22, A 33, A 44 (分别与微元件对 111/121、112/122、113/123 和 114/124之间观察到的偏移对应)。这些偏移不是可能起源于衬底的错误装配的基本变形(平移、旋转或平移和旋转的组合)的结果。这些偏移在将初始衬底与最终衬底装配时由来自初始衬底的层中所出现的非均匀变形而产生。这些变形在一些微元件11的水平 上引起局部的非均匀移动。此外，形成在转移后衬底的暴露表面14b上的一些微元件12与这些微元件11之间具有可以为几百纳米或甚至一微米的量级的位置变化的特征。两层微元件11和12之间的所谓“重叠”或未对准现象可能是短路、堆中畸变或两层微元件之间的连接错误的起因。因此，如果被转移微元件是由像素形成的成像器并且后转移处理步骤旨在在这些像素的每一个上形成滤色器，则在这些像素中的某些像素上观察到着色功能丢失。从而，该未对准现象导致所生产的多层半导体晶片的质量和价值下降。因微元件小型化需求的不断增加和每个层中微元件集成密度的不断增加，该现象的影响变得越来越严重。目前通常用来确定多层晶片中是否存在明显非均匀变形的方法在于，通过在那些微元件上或附近形成的标识(游标等)的水平上执行位置的光学测量来确定多个微元件的定位。然而，只可以在薄化初始衬底之后并且在初始衬底10的暴露表面14b上执行补偿工艺步骤之后进行这些定位测试。此外，如果在初始衬底被薄化之后在其中检测到对准缺陷，则不可能校正这些缺陷。在该情形下，薄化初始衬底不可能被重复利用。在最终衬底中，如果定位测试在薄化复合结构中发现在可靠度和/或性能方面不可接受的未对准，则将丢弃最终衬底，这明显增加了多层晶片的制造成本。此外，在专利文献WO 2007/103566A2中描述了用于确定半导体晶片中未对准的技术。更确切地说，该技术旨在估算在光刻步骤期间易于出现在晶片中的未对准，这些未对准由晶片中产生的机械应力引起。实际上，该技术在于，在通过在衬底上的沉积而产生的层的一面上执行曲率测量。根据在层的不同点处所获得的曲率数据，来相对于衬底确定该层的内部机械应力。当知道这些应力时，可以相对于衬底估算该层的“移动”。在光刻步骤之前或期间估算这些移动，尤其能够确定如何补偿或校正光刻参数以使未对准最小化。然而，该技术仅仅涉及在通过在衬底上沉积(或者可以通过离子注入、退火或腐蚀)来生成的整个层上产生的变形的估算。这些所谓的非均匀变形实际上是在沉积于衬底的整个层上所达到的机械平衡的结果。这类变形因使用尤其考虑到机械定律和有效厚度的模型而具有目前相对可预见性的特性(参见文献WO 2007/103566A2中第5页等式5)。文献WO 2007/103566A2中描述的技术没有设计成对由两个晶片的键合所产生的非均匀变形进行估算，然而，特别是对于分子附着力式的键合，其机理目前仍不是很了解。申请人:注意到，由分子附着力产生的非均匀变形的特性是随机的，在任何情形下与经典非均匀变形都很不相同。现时，还没有模型能够可靠地估算在通过分子附着力键合至衬底的层中所产生的非均匀变形的水平。因此，存在以下需求，即在加工多层结构的早期阶段，以简单且有效的方式估算在依靠分子附着力键合而产生的多层结构中的非均匀变形的水平。
发明内容
本发明的一个目的是提出能够满足上文所述的需求的方案。为此，本发明提出一种估算第一晶片中的非均匀变形的方法，所述第一晶片通过分子附着力键合至第二晶片，所述估算方法包括测定多个测量点的步骤，每一个所述测量点在局部上表示所述第一晶片的暴露表面的水平；对所述第一晶片中经过多个测量点的至少一个表面轮廓进行确定的步骤；
对所述第一晶片的表面轮廓进行处理以便由此确定被处理表面轮廓的特征值的步骤；以及根据所述特征值对所述第一晶片中的非均匀变形的水平进行估算的步骤。由于本发明的估算方法，可以估算紧随在初始衬底在与最终衬底键合之后初始衬底中的非均匀变形水平。基于非均匀变形水平的估算，可以估计出现在初始衬底的隐埋表面与暴露表面之间的偏移。更具体而言，本发明的方法能够估计在初始衬底的暴露表面上加工微元件时易于发生的未对准的水平。从而，可以在使初始衬底被薄化之前，简单且有效地估算非均匀变形。本发明的估算方法没必要以能够通过厚度相对较小的剩余初始衬底进行肉眼观察的方式使微元件出现在初始衬底的暴露表面上，甚至掩埋在初始衬底中。从而，可以在三维结构的加工处理中的较远上游端执行非均匀变形水平的估算。本发明的估算方法优选在将初始衬底通过分子附着力键合至最终衬底之后立即执行。这避免，之后在初始衬底中检测到额外的未对准时执行被证明是无用的且昂贵的额外技术步骤(薄化、生成微元件，等)。当在键合之后在初始衬底中检测到额外的非均匀变形时，则可以将初始衬底与最终衬底分离并且尝试通过分子附着力再次键合。从而，本发明的估算方法能够在键合引起非均匀变形的情形下再次使用(重复利用)初始衬底。在第一特定实施例中，通过沿第一晶片的直径布置的测量点来确定表面轮廓。该情形当然适用于第一晶片具有大致圆柱形形状的情形。从而，可以记录第一晶片的不同直径上的测量点，以便获取表示整个第一晶片的非均匀变形的数据。在该第一实施例中，特征值优选为表面轮廓的二阶导数。此外，估算方法的估算步骤可以包括以下测试中的至少一个第一测试，其确定所述二阶导数是否具有至少一个符号变化；以及第二测试，其确定所述二阶导数是否具有大于预定值的至少一个绝对值。这两个测试中的每一个能够在初始衬底通过分子附着力键合至最终衬底之后简单且有效地估算初始衬底中的非均匀变形水平。在本发明的一个实例中，执行上述两个测试中的仅仅一个。可选地，执行两个测试以便估算第一晶片中的非均匀变形水平。在第二实施例中，通过沿中心与所述第一晶片的中心重合的圆周所布置的测量点来确定表面轮廓。在一个特定实施例中，估算方法包括执行以下步骤-对所述第一晶片的多个表面轮廓进行确定，-对所述多个表面轮廓中的每一个轮廓执行处理步骤，以由此确定被处理轮廓的特征值，其中在所述估算步骤期间，根据所确定的所述特征值的函数来确定所述非均匀变 形的水平。可选地，可以生成多个测量点记录，该记录彼此隔开并且沿相同的方向生成。通过这种方式，所有的测量点记录沿第一方向彼此平行地生成。尤其可以设想以下情形，其中记录彼此均匀地隔开并且按照相同的第一方向来定向。此外，仍然在本可选方案的背景下，可以生成多个额外记录，其中每一个记录的测量点沿相同的第二方向，该第二方向与上述第一方向不同。例如，测量点的记录可以根据由平行于第一和第二方向的线所形成的网格来执行。该网格可以均匀，并且第一和第二方向可以选择为垂直。此外，每一个记录的测量点可以采用以下测量步骤来测量，该测量步骤根据第一晶片的至少一个图案的尺寸来确定。在一个特定实施例中，测量步骤可以与所述第一晶片的图案的尺寸的一半基本对应。在一种特定情形下，在初始衬底的暴露表面上的图案为矩形形状，测量步骤与该图案的一侧的一半基本对应。选择适当的测量步骤，并且该步骤根据第一晶片的图案的尺寸，其优点在于，其能够不考虑第一晶片的暴露表面的水平中的任何无限小变量，这些小变量使相应表面轮廓的二阶导数在非常小的范围内发生符号变化。此外，可以通过声学显微术来执行多个测量点的记录。本发明还涉及对包括通过分子附着力键合至第二晶片的第一晶片的至少一个结构进行选择的方法，该选择方法包括通过上述估算方法，对每一个结构的第一晶片中的非均匀变形进行估算的步骤；以及基于为每一个被估算结构所确定的特征值来选择一个或多个结构的步骤。由此，如果在估算步骤期间执行第一测试和第二测试，例如则在两个测试都为否定的情形下才选择该结构。本发明的选择方法能够保留包括多个多层结构的批次中的满意结构，即非均匀变形水平可接受的结构，并且排除非均匀变形不可接受的结构。本发明还涉及用于估算第一晶片中的非均匀变形的装置，第一晶片通过分子附着力键合至第二晶片，该估算装置包括测量装置，其用于测定多个测量点，每一个所述测量点在局部上表示所述第一晶片的暴露表面的水平；
计算装置，其对第一晶片中经过多个测量点的至少一个表面轮廓进行确定，并且确定所述表面轮廓的特征值；以及估算装置，其根据所述特征值对所述第一晶片中的非均匀变形水平进行估算。应该注意，参考本发明的估算方法和选择方法的各个实施例所述的优点和所作的评述以类似的方式适用于本发明的估算装置和选择装置的各个实施例。在一个特定实施例中，特征值为表面轮廓的二阶导数。在该实施例中，估算装置可以构造成执行以下测试中的至少一个测试第一测试，其确定二阶导数是否具有至少一个符号变化；以及第二测试，其确定二阶导数是否具有大于预定值的至少一个绝对值。测量装置可以构造成，使每一个记录的测量点沿第一晶片的直径进行测量。可选地，测量装置构造成，生成多个测量点记录，该记录彼此隔开并且沿相同的方向生成。测量装置还可以构造成，每一个记录的测量点采用以下测量步骤来测量，该测量步骤根据第一晶片的至少一个图案的尺寸来确定。在一个特定实施例中，测量步骤与第一晶片的图案的尺寸的一半基本对应。此外，本发明的测量装置可以包括声学显微镜。
本发明的其它特征和优点将在通过举例所提供的且参考附图所给出的本发明的特定实施例的以下描述中显现，其中-图IA至图IE是示出现有技术中的三维结构的制作的简图；-图2是包括键合至第二晶片的第一晶片的复合结构的半剖面的透视图；-图3以流程图的方式示出了与本发明的一个特定实施例对应的估算方法和选择方法的主要步骤；-图4A、图4B、图4C和图4D分别示出了将第一晶片键合至第二晶片的第一实例、与该第一实例对应的表面轮廓的曲线、与沿特定直径的二阶导数对应的曲线、以及表示沿特定半径出现在第一晶片中的未对准的曲线的简图；-图5A、图5B、图5C和图分别示出了将第一晶片键合至第二晶片的第二实例、与该第二实例对应的表面轮廓的曲线、与沿特定直径的二阶导数对应的曲线、以及表示沿特定半径出现在第一晶片中的未对准的曲线的简图；-图6A、图6B、图6C和图6D分别示出了将第一晶片键合至第二晶片的第三实例、与该第三实例对应的表面轮廓的曲线、与沿特定直径的二阶导数对应的曲线、以及表示沿特定半径出现在第一晶片中的未对准的曲线的简图；-图7以图解的形式示出了用于测量表面轮廓的声学显微技术的实例；-图8A示出了包括键合至第二晶片的第一晶片的复合结构的半剖面的透视图；-图8B示出了从上方观察时图8A中的结构。
具体实施例方式本发明提出了能够估算第一晶片中的非均匀变形的水平的方案，其中对应于初始衬底的第一晶片通过分子附着力键合至对应于最终衬底的第二晶片。文中考虑如图2所示的复合结构125的情形。在该实例中，复合结构125通过利用分子附着力将具有微元件111的第一晶片110于其键合表面114a处键合至第二晶片120以便将微元件111掩埋在键合界面的水平上来形成。在文中所述的实例中，用于形成复合结构125的晶片具有300_的直径。然而，应该理解，本发明适用于其它晶片尺寸和/或形状。下面参考图3描述本发明一个实施例的估算方法的主要步骤(步骤EI至E3 )，该方法能够估算图2所示的复合结构125中的非均匀变形的水平。申请人:惊奇地发现，可以通过对第一晶片110的暴露表面114b上的起伏进行研究来获取与第一晶片110中的非均匀变形有关的信息。
如此，首先执行步骤E1，即记录多个测量点，每一个测量点局部地表示晶片110的暴露表面的水平。从而，所执行的每一个记录与第一晶片110在特定方向上或沿特定曲线于特定长度内的表面轮廓。从而，文中表面轮廓意指，表示表面在特定方向上或特定曲线上于特定长度内的起伏(或水平)的轮廓。在该情形下，每一个测量点记录局部地表不，第一晶片110的暴露表面114b关于与所述暴露表面114b垂直的轴Z的水平或起伏。该或每一个测量点记录一般依靠机械或光学轮廓测定设备(例如，通过干涉测量法)来执行。优选利用声学显微技术来产生记录，该技术能够有利地减小每一个记录的测量时间。图7以图解的方式示出了能够测量第一晶片110的暴露表面114b的轮廓的声学显微技术的实例。探测器147包括源148，该源148构造成按照复合结构125的方向发射入射声波140。该声波在第一晶片110中传播，然后在第二晶片120中传播，从而遇到三个连续的界面，即第一晶片110的暴露表面114b,然后第一晶片110的隐埋表面114a,最后第二晶片120的后面。声波140在每一个界面处局部反射，每一次产生送回至探测器147的声学传感器150的回波。从而，依靠传感器150来检测由声波142在第二晶片120的后面、隐埋表面114a和暴露表面114b处反射而分别产生的回波142、144和146的接收。然后，根据回波146到达探测器147所需的时间，可以确定晶片147与第一晶片110的暴露表面114b之间的距离。可选地，根据回波146与接收回波144之间的时间变化，可以在给定位置处测量第一晶片的厚度。从而，通过在复合结构125的前方移动探测器，可以生成与第一晶片110的暴露表面114b的轮廓对应的测量点记录。在文中所述实例中，沿第一晶片110的直径D记录测量点。在第二实例中，沿中心与晶片110的中心重合且半径小于晶片半径的圆周(或圆弧)记录测量点。然而，可以在任何方向上和/或任何距离上，执行一次以上的测量点记录。此外，每一个记录的方向和长度尤其可以根据预定情形(关注的工艺、所要求的可靠度水平、所使用的设备，等等)的约束和要求来进行选择。接续上述第二实例，记录由中心与晶片110的中心重合且半径选为在晶片的表面上分布测量点的一系列同心圆组成。
然后，执行步骤E2，即确定晶片110的至少一个表面轮廓，每一个轮廓从步骤El中所产生的记录的多个测量点经过。从而，表面轮廓可与步骤El中所产生的测量点记录的部分或全部对应。如果在步骤El中产生了多个测量记录，则在步骤E2中为每一个测量记录确定测量轮廓。当步骤E2已经执行时，对步骤E2中所获取的每一个表面轮廓执行处理(步骤E3)，以便推导出相应的特征值。如下文详述，该特征值可以为不同类型。更确切地讲，申请人已经确定，基于步骤E2中确定的表面轮廓的不同处理使表示晶片110中所出现的非均匀变形的水平的信息能够被获取。在本发明的第一实施例中，在步骤E3期间，根据沿晶片110的直径D所获取测量 点来计算二阶导数。如此计算出的二阶导数提供与表面轮廓沿该直径的斜度变化有关的信肩、O申请人:惊奇地注意到，表面轮廓的二阶导数提供以下信息，即表示在通过分子附着力键合至第二晶片120的第一晶片110中出现的非均匀变形的水平的信息。在本发明的第二实施例中，在处理步骤E3期间，对在步骤E2中确定的表面轮廓的展形进行确定，表面轮廓对应于圆周记录。申请人惊奇地发现，与圆周记录对应的表面轮廓的展形(通过标准偏差或者最大值与最小值之差来测量)还提供以下信息，即表示在通过分子附着力键合至第二晶片120的第一晶片110中出现的非均匀变形的水平的信息。然后，根据步骤E3中获取的特征值来执行第一晶片110的非均匀变形的水平的估算(步骤E4)。该估算能够对在异质结构的加工后期易于出现的未对准进行估计，诸如参考图IE所述。参考图I的情形，例如，本发明能够对利用与加工微元件11所用的类似的光刻掩模加工微元件12而得到的对准错误A 11、A 22、A 33和A 44的水平进行估计。为此，申请人已经找到了利用表面轮廓的特征值(S卩，二阶导数或展形)来估算晶片中的非均匀变形的几种方法。首先，参考图4A、图5A和图6A的实例，对能够估算非均匀变形水平的表面轮廓的二阶导数的使用实例(第一实施例)进行描述。在文中所考虑的所有实例中，第一晶片210、310和410在分别键合至第二晶片220,320和420之前具有轻微的凹形。为了清晰，图4A、图5A和图6A中均故意放大了第一晶片210、310和410的弯曲。此外，在这些实例的每一个中，微元件(211、311和411)存在于第一晶片(210、310和410)的表面(214a、314a和414a)上。在图4A和图5A分别所示的第一和第二情形中，第一晶片210和310均放置在支承件S (俗称卡盘)上并且在该支承件上为凹形。第一晶片210和310的弯曲朝远离支承件S的方向，以使包含微元件211和311的表面214a和314a暴露。然后，将第二晶片220和320分别放置在第一晶片210和310的表面214a和314a上，以便进行键合。依靠施加工具(分别用231和331标识)在第二晶片220和320上的区域中(或点上)施加接触力。在每一种情形中，由施加工具231和331产生的接触力能够在第一和第二晶片之间引起键合波。从而，第一晶片210和310通过分子附着力分别键合至第二晶片220和320。接着，在每一种情形中将微元件隐埋在第一和第二晶片之间的键合界面处。
在第一种情形中(图4A)，将接触力施加在第二晶片220的外围边缘。另一方面，在第二种情形中(图5A)将接触力施加在第二晶片320的中心。图6A中的第三种情形与第一和第二种情形的不同在于，第二晶片420直接布置在支承件S上。然后，将第一晶片410放置在第二晶片420上，第一晶片410中包含微元件411的面414a朝向第二晶片420。然后，依靠施加工具431在第一晶片410的中心施加接触力，以使键合波开始在第一晶片410和第二晶片420之间传播。由此，在文中所考虑的三种情形中获得包含通过分子附着力键合至第二晶片的第一晶片的复合结构(如图2所述)。注意，在文中所述实例中，施加持续6秒的3. 7N接触力，以启动键合波。第一晶片210、310和410在分别与第二晶片220、320和420装配之后，易于出现 非均匀变形。还应该注意，在图4A、图5A和图6A所示的三种情形中，第二晶片220、320和420为平面形状。然而，在每一种情形中第二晶片可以为非平面形状，例如类似于或不同于与之装配的第一晶片的凹形。当在以上所考虑的三种情形的每一种情形中已经实现通过分子附着力的键合时，接着对所获得的每一个复合结构的第一晶片中的非均匀变形的水平进行估算。最初，生成在每一个复合结构的第一晶片的暴露表面上的多个测量点记录(步骤E1)。在文中所述情形中，通过声学显微术记录沿第一晶片210、310和410的特定直径D的测量点。每一个测量点与相对于预定参考高度的第一晶片的暴露表面的高度Z对应，每一个高度与第一晶片表面上的给定位置有关。在文中所述实例中，每一个测量点的位置由沿关注的直径D的位置X限定。可选地，每一个测量点同样可以与一对坐标(X，Y)相关，所述一对坐标(X，Y)与第一晶片的暴露表面上的二维位置对应。此外，在文中所述的每一个实例中，生成测量点记录的步骤El还包括生成表示通过这种方法所获得的表面轮廓的曲线。另一方面，本发明方法的后续步骤可以在不必须生成该曲线的情形下进行。图4B、图5B和图6B分别示出了在所考虑的三种情形下观察到的表面轮廓232、332 和 432。研究表面轮廓232、332和432，发现在图4A实例中高度变化达到约25 y m，在图4B实例中达12iim，并且在图4C实例中达30 ym。接着，执行步骤E2，即根据步骤El中获得的表面轮廓来计算二阶导数。如上所述，没必要生成曲线232、332和432，因为每一个二阶导数可以根据相应记录的测量点来直接计算。在文中所考虑的每一个实例中，计算步骤E2还包括，生成表示通过这种方式所获得的二阶导数的曲线。曲线234、334和434分别与三个曲面轮廓232、332、和432的二阶导数对应。
然而，可以在未生成二阶导数的任何图示的情形下估算非均匀变形的水平。可以限制针对每一个二阶导数的值的计算和利用的过程。步骤E2中计算的二阶导数能够对所考虑的三种情形下第一晶片中的非均匀变形的水平进行估算(估算步骤E3)。申请人:注意到，表面轮廓的二阶导数表示第一晶片的表面上的变形，并且通过观察这些表面变形可以估算第一晶片中的非均匀变形的水平。例如，已经发现，在相同的表面轮廓中出现至少一个弯曲方向变化时，表明第一晶片中存在大的非均匀变形。
因此，在本发明的一个特定实施例中，执行第一检测，该第一检测包括确定表面轮廓的二阶导数是否包括至少一个符号变化。如果该第一检测是肯定的，则由此可推断，所考虑的第一晶片中存在大的非均匀变形。利用以上参考图7所述的声学显微技术，通过估算被测试的三个复合结构中的非均匀变形水平来在实验上检验第一测试的效果。更确切地说，在第一种情形(图4A)中，在第一晶片210的表面214b上观察到未对准，其中大部分小于lOOnm，在晶片的中心甚至小于50nm。仅仅约15%的表面214b具有大于150nm的未对准。这些大未对准分布在晶片的外围边缘，尤其在靠近施加工具231的接触点的区域中。在第二种情形(图5A)中，在第一晶片310的约50%的暴露表面314b上观察到大于150nm的未对准。对于这些大未对准,大部分分布在表面314b的中心和外围边缘。其余的50%的表面314b具有从50nm至150nm的大部分未对准。在第三中情形(图6A)中，观察到，第一晶片10的约75%的表面14b具有小于IOOnm的未对准。更大的未对准，一般从IOOnm至150nm，出现在第一晶片410的中心。图4D、图和图6D分别以曲线的形式示出了沿每一个第一晶片210、310和410的特定半径测得的未对准。在这三种情形中，利用如参考图IA至图IE所述的以下标准测量处理来测量出现在第一晶片上的未对准使第一晶片在键合之后被薄化，其后对出现在隐埋于两个晶片之间的键合界面处的微元件与加工在薄化第一晶片的暴露表面上的微元件之间的未对准进行测量。图4D、图和图6D中的横坐标轴表不相对于第一晶片的中心的距离(用mm表示)。在最后的分析中，第二种情形(图5A)中的被测试的样品为非均匀变形水平最高的样品。这由以下事实来证明仅仅表面轮廓332的二阶导数334至少包含一个符号变化。更确切地说，发现，二阶导数334包括两个符号变化，这表示第一晶片310的表面上具有大的斜度变化。相反，对于第一和第三种情形中的被测试样品，二阶导数不包含符号变化，这表示，这些情形引起比第二种情形更低水平的非均匀变形。应该注意，相同表面记录的二阶导数中检测到的符号变化数量同样可以提供与存在于第一晶片中的非均匀变形水平有关的信息。此外，申请人观察到，表面轮廓具有剧烈的斜度变化，因此较大的二阶导数值同样与第一晶片内的较大非均匀变形对应。因此，在本发明的该第一实施例的变型中，根据步骤E2中所获得的二阶导数值的函数来估算第一晶片中的非均匀变形水平。例如，在估算步骤E3期间，执行第二测试，即确定表面轮廓的二阶导数是否包含至少一个大于预定阈值的值。如果该第二测试为肯定的，则表示第一晶片中存在大的非均匀变形。注意，该预定值尤其可以根据关注的状况(关注的工艺、所需的可靠度水平、所使用的设备，等等)的约束和要求来选择。然而，上文所述的测试以实例的方式给出，从而可以根据情形来使用利用了表面轮廓的二阶导数的其它方法。例如，可以将例如表面轮廓的二阶导数超过预定值的次数等纳入考虑范围，等等。 可以设想以下非均匀变形水平的估算，即通过例如累积上述第一和第二测试来将与表面轮廓的二阶导数有关的不同测试组合在一起。下面，描述以下实施例其中处理步骤E3中所获得的特征值与表面轮廓的展形对应(第二实施例)，步骤E2中所确定的该轮廓与圆周形状的测量点记录对应。更确切地说，此处考虑具有与上文所述结构125类似的结构的复合结构525 (图8A)。从而，结构525包括通过分子附着力键合至第二晶片520的第一晶片510。在本实例中，第一晶片510还包括位于其键合表面514a上的微元件511，从而这些微元件隐埋在键合界面的水平上。在记录步骤El中，测量点沿至少一个圆周布置，所述圆周的中心与第一晶片510的中心CT重合(图8B)。在此处所述的实例中，沿C1、C2和C3所标识的三个同心圆执行记录，这些圆周分别具有半径Rl、R2和R3 (这些半径小于晶片510的半径)。然而，应该理解，可以具有任意数量的圆周，其中测量点沿所述圆周记录。该数量尤其可以根据要在步骤E4中进行估算的准确度和/或可靠度来选择。优选地，圆周数量和圆周的各个半径选择成在晶片的表面上均匀地分布测量点，以便获得表示整个晶片510上的非均匀变形的数据。可选地，可以沿曲率中心与中心CT重合的至少一个圆弧记录测量点。同样可以沿以CT为中心的至少一个螺旋线来记录测量点。然后，在步骤E2中确定第一晶片510的至少一个表面轮廓，这些表面轮廓中的每一个经过前述步骤El中生成的相应记录的多个测量点。从而，在该实例中，在步骤E2中确定三个表面轮廓P1、P2和P3，它们分别与沿圆周C1、C2和C3所记录的所有测量点对应。然后，确定步骤E3中所获得的每一个表面轮廓的展形(步骤E4)。该展形计算可以用不同的方法实现。在第一变型中，确定每一个表面轮廓Pi (i=l、2、3)的最小值Vmin(i)和最大值Vmax (i)。这些值Vmin (i)和Vmax (i)分别与轮廓Pi中局部地表示晶片510的暴露表面在位置上的最低和最高水平的测量点对应。然后，确定每一个轮廓Pi的差A i，以使A i=Vmax (i) - Vmin(i)。基于值A i来执行第三次测试，以估算出现在第一晶片510中的非均匀变形的水平。例如，预定极限值A max为固定值。则第三测试包括确定A i彡A max(其中i=l、2或3)是否成立。如果成立，则判定晶片510中出现的非均匀变形的水平较高。如果不成立，则认为变形水平较低。与每一个下标值i相关的允许标准A max可以是变量，尤其根据圆周Cl至C3的直径增加程度而增加。例如，对于直径为65mm和145mm的圆周，A max的值可以分别等于约5微米和15微米。第三测试的变型在于，首先求差A i的和，然后用俗称的结构翘曲除该结果，所述结构翘曲由执行记录的表面的最大整体高度与其最小整体高度之差来限定。例如，对于与回转抛物面一样均匀弯曲的结构，翘曲等于结构的弓度。该第三测试变型的第二阶段在于，确定A i的和与翘曲之间的系数是否小于预定值，例如预定值为约0. 7。如果小于预定值，则认为非均匀变形的水平较低。如果不小于预定值，则认为变形水平较高。在第二变型中，确定每一个表面轮廓Pi的标准偏差O i。然后执行第四测试，即确定oi是否大于或等于预定最大标准偏差(其中i=l、2或3)。如果大于或等于预定最大标准偏差，则认为晶片510具有较高水平的非均匀变形。如果小于预定最大标准偏差，则认为变形水平较低。
上述变型仅仅是本发明的非限制性实施例，并且本领域技术人员可以理解，可以设想用于确定表面轮廓展形且不脱离本发明范围的其它替代。本发明方法的处理步骤E3和估算步骤E4可以通过例如计算机、计算器或者能够根据表面轮廓的测量点计算二阶导数或展形并且能够执行分别与二阶导数或展形有关的测试(诸如,上述测试中的一个测试)的任何其它设备来执行。本发明还涉及包括通过分子附着力键合至第二晶片的第一晶片的复合结构的方 法(步骤El至E5)。图3中示出了一个特定实施例的选择方法的主要步骤。首先，通过在复合结构上连续执行本发明估算方法的步骤E1、E2、E3和E4来估算第一晶片的非均匀变形水平。在选择步骤E5期间，则选择出在步骤E4中被识别为具有较低水平的非均匀变形的一个或多个复合结构。例如，可以执行如上述的第一和第二测试或者第三和第四测试。如果所执行的测试的结果为否定，则选择一个或多个复合结构。也可以执行这些测试中的一个测试。在该特殊情形中，被执行测试为否定，则选择一个或多个复合结构。然而，本发明的选择方法不限于以上所述的两个测试实例。可以单独或组合使用与表面轮廓的二阶导数有关的其它选择标准。估算方法的步骤El中的测量点记录还可以根据第一晶片的暴露表面上的不同线来执行。尤其可以设想“星形(star)”记录，即在第一晶片的多个直径上记录。该技术能够利用所生成的有限数量的记录很好地表示第一晶片中的非均匀变形水平。在一个特定实施例中，在步骤El中生成多个测量点记录，记录沿彼此隔开的第一平行线来执行。例如，还可以沿彼此隔开的且可与第一线垂直的第二平行线来生成额外的记录。从而，根据网格来执行记录，其中网格可以在所考虑的第一晶片的暴露表面的全部或部分上。此外，例如，如果执行上述第一测试，则所关心的仅仅是在宏观范围上的二阶导数的符号变化。实际上，第一晶片的暴露表面的水平可以具有无限小变量，其反映在相应的一个或多个表面轮廓的二阶导数的很小范围内的符号变化。这些无限小变量可能起源于，例如第一晶片厚度的异常轻微的变化。该类变化没有给出与复合结构的第一晶片中的非均匀变形水平一样的有用信息。为了避免涉及微小的表面缺陷，可以在步骤El中执行记录，以便根据测量步骤对测量点进行测量。该测量步骤可以根据关注的情形来选择。优选地，选择根据第一晶片的图案尺寸来选择。文中“图案”表示设置或将要设置在第一晶片的暴露表面上的几何布置，该几何布置在晶片的表面上重复若干次。例如，图案可以与设置在所关注的第一晶片的暴露表面上 的若干位置处的一个或多个微元件的单元格(cell)对应。例如，测量步骤可以与第一晶片的一个图案尺寸的一半基本对应。还应该注意，估算方法的步骤El期间所生成的记录数量可能取决于各种参数，诸如加工处理在成本方面的约束、为每一批晶片的测试所分配的时间、所需的可靠性水平，等
坐寸o此外，给定的非均匀变形水平对给定的微元件工艺(因其表示在定位光刻掩模方面约束相对较小)可能是允许的，而对于另外的工艺是不允许的。从而，可以根据所关注的情形选择以下参数-待生成的记录的数量选择，-每一个记录的线(长度、方向)，-每个记录的测量点数量，-所使用的测量步骤，-一种或多种步骤E2中所获得的二阶导数的利用方法，以及-选择复合结构的一种或多种标准。应该注意，在通过分子附着力键合至第二晶片的第一晶片中的未对准(或重叠)的来源可以是很多机理。当第一晶片通过分子附着力键合至第二晶片时，第一晶片中产生的非均匀变形尤其可能由键合之前最初出现在第一和第二晶片中的变形的组合而引起。因此本发明的方法可以使与两个晶片在通过分子附着力装配之前的变形有关的信息(凹度、平面度缺陷，等等)能够被获取。本发明还可以揭示，例如在支承件S和与支承件S直接接触的晶片之间存在外来物，诸如微粒。这些因素可能是第一晶片中的非均匀变形的来源，进而是未对准的来源。本发明同样可以突显键合机的校准问题(尤其在通过施加工具施加接触力的水平上)。此外，如上所述，当通过分子附着力形成复合结构时，第一晶片通常被薄化。此处，薄化之后通过本发明方法所执行的非均匀变形的估算不再具有代表性。因此，优选在将第一晶片薄化之前执行本发明方法的步骤E1。
权利要求
1.一种估算第一晶片(110)中的非均匀变形的方法，所述第一晶片通过分子附着力键合至第二晶片(120)，所述估算方法包括 测定多个测量点的步骤(E1)，每一个所述测量点在局部上表示所述第一晶片的暴露表面的水平； 对所述第一晶片中经过多个测量点的至少一个表面轮廓进行确定的步骤(E2); 对所述第一晶片的表面轮廓进行处理以便由此确定被处理表面轮廓的特征值的步骤(E3);以及 根据所述特征值对所述第一晶片中的非均匀变形的水平进行估算的步骤(E4)。
2.根据权利要求I所述的估算方法，其中所述表面轮廓通过沿所述第一晶片的直径布置的测量点进行确定。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其中所述特征值为表面轮廓的二阶导数。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其中所述估算步骤包括以下测试中的至少一个 -第一测试，其确定所述二阶导数是否具有至少一个符号变化；以及 -第二测试，其确定所述二阶导数是否具有大于预定值的至少一个绝对值。
5.根据权利要求I所述的估算方法，其中所述表面轮廓通过沿中心与所述第一晶片的中心重合的圆周(R1-R3)所布置的测量点来确定。
6.根据权利要求5所述的估算方法，其中所述特征值为表面轮廓的展形。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的估算方法，其中执行以下步骤 -对所述第一晶片的多个表面轮廓(C1-C3)进行确定， -对所述多个表面轮廓中的每一个轮廓执行处理步骤，以由此确定被处理轮廓的特征值，其中在所述估算步骤期间，根据所确定的所述特征值的函数来确定所述非均匀变形的水平。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的估算方法，其中根据测量步骤来测量每个记录的测量点，所述测量步骤根据所述第一晶片的至少一个图案的尺寸来确定。
9.根据权利要求8所述的估算方法，其中所述测量步骤与所述第一晶片的图案的一半尺寸大致对应。
10.根据权利要求I至8中任一项所述的估算方法，其中所述多个测量点记录通过声学显微术来实现。
11.一种对包括通过分子附着力键合至第二晶片(120)的第一晶片(110)的至少一个结构进行选择的方法，所述选择方法包括 -通过如权利要求I至10中任一项所限定的估算方法，对每一个结构的第一晶片中的非均匀变形进行估算的步骤；以及 -基于为每一个被估算结构所确定的特征值来选择一个或多个结构的步骤(E5)。
12.一种用于估算第一晶片中的非均匀变形的装置，所述第一晶片通过分子附着力键合至第二晶片，所述估算装置包括 测量装置，其用于测定多个测量点，每一个所述测量点在局部上表示所述第一晶片的暴露表面的水平； 计算装置，其对第一晶片中经过多个测量点的至少一个表面轮廓进行确定，并且确定所述表面轮廓的特征值；以及估算装置，其根据所述特征值对所述第一晶片中的非均匀变形水平进行估算。
13.根据权利要求12所述的估算装置，其中所述特征值为所述表面轮廓的二阶导数。
14.根据权利要求13所述的估算装置，其中所述估算装置构造成执行以下测试中的至少一个 -第一测试，其确定所述二阶导数是否具有至少一个符号变化；以及 -第二测试，其确定所述二阶导数是否具有大于预定值的至少一个绝对值。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的估算装置，其中每一个记录的测量点沿所述第一晶片的直径进行测量。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的估算装置，其中所述测量装置构造成生成多个测量点记录，所述记录彼此隔开并且沿相同的方向生成。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的估算装置，其中所述测量装置构造成根据测量步骤来测量每一个记录的测量点，所述测量步骤根据所述第一晶片的至少一个图案的尺寸来确定。
18.根据权利要求17所述的估算装置，其中所述测量步骤与所述第一晶片的图案的一半尺寸基本对应。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的估算装置，其中所述测量装置包括声学显微镜。
全文摘要
本发明涉及用于估算第一晶片(110)中的非均匀变形的方法，第一晶片通过分子附着力键合至第二晶片(120)。本发明方法包括对多个测量点进行记录的步骤，每一个测量点在局部上表示第一晶片的表面的水平；对第一晶片中经过多个测量点的表面轮廓进行限定的步骤；对第一晶片的表面轮廓进行处理以由此确定特征值的步骤；以及根据特征值对第一晶片中非均匀变形水平进行估算的步骤。本发明还包括能够估算该非均匀变形的装置(147)。
文档编号G01B17/06GK102741650SQ201180007676
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月24日 优先权日2010年1月25日
发明者A·卡斯特克斯, L·马里尼耶, M·布罗卡特 申请人:Soitec公司