臺大研究成果系列報導—重點科技研究學院陳亮嘉教授團隊：高深寬比微結(jié)構(gòu)之創(chuàng)新性具高信噪比光學關(guān)鍵尺寸量測技術(shù)

近年來，封裝技術(shù)的立體化已成為延續(xù)摩爾定律的主動力，以因應(yīng)對縮小元件尺寸和提升元件效能的需求。在這個技術(shù)中，高深寬比（High aspect ratio, HAR）的微結(jié)構(gòu)，例如矽穿孔（Through silicon vias, TSV），即被用於提供晶片堆疊層與層間的連接，以實現(xiàn)晶片間的垂直整合。然而，隨著晶片堆疊層數(shù)的持續(xù)增加，高深寬比結(jié)構(gòu)的品質(zhì)控制已經(jīng)成為線上製程控制的挑戰(zhàn)。主要是因為當前高深寬比結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸（Critical dimension, CD）必須以離線方式進行量測，且量測過程中需要對樣品進行切片，再使用掃描式電子顯微鏡（Scanning electron microscope, SEM）來從結(jié)構(gòu)的橫切面量測結(jié)構(gòu)的尺寸。這種量測方式不僅會破壞結(jié)構(gòu)，同時也非常耗時。

鑒於光學量測方式具有非破壞性、快速、非接觸性等潛在優(yōu)勢，研究團隊發(fā)展一種具有高信噪比（SNR）的創(chuàng)新光學關(guān)鍵尺寸量測技術(shù)。透過白光雷射（超連續(xù)雷射）的高空間相干性和創(chuàng)新顯微光學架構(gòu)的設(shè)計，可顯著提高量測的空間解析度和量測光效率。因此，團隊所開發(fā)的光學量測技術(shù)可以突破現(xiàn)有光譜反射術(shù)（Spectral reflectometry）和散射量測術(shù)（Scatterometry）的限制，例如量測景寬（FOV）受限於只能獲得在量測大範圍照明區(qū)域內(nèi)的平均關(guān)鍵尺寸資訊，以及當量測深度較深的結(jié)構(gòu)時，可能會受到信噪比不佳的問題影響。進一步，此技術(shù)可改善量測高深寬比結(jié)構(gòu)時的量測速度和量測精度。

團隊所開發(fā)的光學關(guān)鍵尺寸量測技術(shù)，同時有效建立直接與逆向量測關(guān)鍵尺寸的方法。直接量測方式是對量測訊號進行直接分析，結(jié)構(gòu)頂部尺寸以影像式量測；結(jié)構(gòu)深度則利用對量測的反射光譜訊號進行傅立葉分析（Fourier analysis）所獲得。此外，研究團隊還開發(fā)一種逆向量測方式，利用時域有限差分法（Finite difference time domain, FDTD）建立光學系統(tǒng)的電磁模型，並利用粒子群最佳化演算法（Particle swarm optimization）對實驗量測訊號與電磁模擬訊號進行擬合，以重建出多個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，包括TCD、BCD、深度等各種CDs。研究中對這2種量測方式的量測原理、模型建立程序以及誤差來源分析都有詳細解釋和討論。實驗結(jié)果證實，在系統(tǒng)中使用150倍物鏡時，光斑尺寸約為1.2 μm，因此可以實現(xiàn)高空間解析度和單一微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸量測。在一個量測公稱深度為80 μm的TSV範例中，深度量測的信噪比與使用非同調(diào)光源相比可提高約28倍?？傮w而言，直接量測方式的量測值與SEM的量測值具有良好的一致性，在30次量測下的偏差值低於SEM量測值的2.5％，標準差低於20奈米。

此研究成果已於2023年3月10日發(fā)表於Optics and Lasers in Engineering期刊： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816623000921