CN100390502C - 一种精密平行度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量技术，具体地说是一种精密平行度测量的方法，即测量被测物体平整表面与参考平面的相对平行度方法。首先将被测物体安装在具有旋转轴的平台上，令该旋转轴与参考平面垂直；配有光源和摄像机作为测量装置，让镜头对准被测物体的侧面，在摄像机上产生投射在被测物体侧面的反射光成像；设横轴u与纵轴v为成像后的图像坐标系，原点定义在成像后的图像中心，其中被测物体上或下平面与其侧面过纵轴的交汇点为检测点；当被测物体绕旋转轴旋转时、在连续采集情况下通过检测点的图像位置测量值来描述被测物体的平面相对参考平面的平行状态，以确定被测物体相对参考平面的不平行度和调整位置。本发明能正确反映被测物体与参考平面之间的平行关系、调节精度高。

Description

一种精密平行度测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术，具体地说是一种精密平行度测量方法。
背景技术
精密平行度测量是用于大规模集成电路(IC)制造业精密(亚微米级)检测与姿态调整作业的关键技术。典型IC加工中存在的模板(mask)与晶片(wafer)平行定位工艺，在定位完成之后，对晶片进行曝光加工。传统方法采用精密距离传感器(如采用电容法、光学测距法、电磁法等结构)只能测量被测平面(如晶片，定义为M)距离参考平面(如模板安装平面，定义为W)的有限几个位置的相对距离量，当晶片表面平整度无法高于要求测量的精度时，这些测量点的测量数据就无法在更高技术要求水平上正确反映M与W之间的平行关系，从而限制了IC加工的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能正确反映被测物体与参考平面之间的平行关系、调节精度高的精密平行度测量的方法，即测量被测物体平整表面与参考平面的相对平行度方法。
为了实现上述目的，本发明的具体技术方案是：设M为被测物体，W为参考平面，Z为旋转轴，将被测物体M安装在具有旋转轴Z的平台上，可绕旋转轴Z旋转，旋转轴Z与参考平面W垂直；配有一束照明光源和摄像机作为测量装置，让摄像机镜头对准被测物体M的侧面，凭借可以接收的、投射在被测物体M侧面的反射光成像；设横轴u与纵轴v为成像后的图像坐标系，原点在成像后的图像中心，其中被测物体M上或下平面与其侧面过纵轴v的交汇点为在被测物体M侧面图像的检测点A；当被测物体M绕旋转轴Z旋转时、通过连续图象采集，利用检测点A的图像位置测量值描述被测物体M的平面相对参考平面W的平行状态，从而确定被测物体M相对参考平面W的不平行度和调整位置；
当所述光源与摄像机位置不变时，当采样速率远大于被测物体M的旋转速度时，检测点A的检测位置为近似连续变化的离散量；当被测物体M与参考平面W不平行时，检测点A点的位置检测值在旋转周期内会呈现偏移量变化曲线，当在一个旋转周期内测得的这个曲线近似平行直线时，则两个平面即被测物体M平面和参考平面W近似平行；
所述偏移量变化曲线定量反映了被测物体M平面与参考平面W的不平行幅度和最大偏离幅度的角度位置，偏移量变化曲线的纵轴表示被测物体M在旋转角为θ时的倾斜幅度，其中X表示最大倾斜幅度；横轴表示旋转角θ，其中Y为最大倾斜幅度X时相对旋转起始位置所旋转过的角度θ；所述参考平面可以位于被测物体M的上方或下方。
本发明具有如下优点：
1.基于其原理及其合理设计，本发明可从整体上检测了被测物体(如晶片)相对于参考系的不平行度，因而与现有技术相比，具有更明显的技术优势，即：能正确反映被测物体与参考平面之间的平行关系，同时易操作，也具有可实现性。
2.本发明为光学测量方式，不仅无电磁污染(如电磁干扰)，而且调节精度高，测量精度取决于图象分辨率，可达0.1微米以上。
3.本发明基于光学成象位置测量方法，在亚微米级上实现两个平面即被测平面与参考平面之间的平行度检测，从而可实现IC加工过程中的超精密定位检测，提高IC集成电路的加工水平和集成度，进一步实现对现有IC加工工艺的改进。
附图说明
图1为测量原理与测量结构示意图。
图2为使摄像机可以接收照明光源投射在晶片侧面的反射成像。
图3为被测平面M侧面的成像检测点A的位置检测值在旋转周期内的偏移量变化曲线。
具体实施方式
设M为被测物体，W为参考平面，位于参考平面W的下方，Z为旋转轴，将被测物体M安装在具有旋转轴Z的平台上，可绕旋转轴Z旋转，旋转轴Z与参考平面W垂直；配有一束照明光源和摄像机(本实施例采用CCD摄像机)作为测量装置，让摄像机镜头对准被测物体M的侧面，凭借可以接收的、投射在被测物体M侧面的光源反射成像，即在摄像机上产生投射在被测物体侧面的反射光成像；设横轴u与纵轴v为成像后的图像坐标系，原点在成像后的图像中心，其中被测物体M下平面与其侧面过纵轴v的交汇点A为在被测物体M侧面图像的检测点；当被测物体M绕旋转轴Z旋转时、通过连续图象采集，利用检测点A的图像位置测量值描述被测物体M的平面相对参考平面W的平行状态，从而确定被测物体M相对参考平面W的不平行度和调整位置；
当所述光源与摄像机位置不变时，当采样速率远大于被测物体M的旋转速度时，检测点A的检测位置为近似连续变化的离散量；当被测物体M与参考平面W不平行时，检测点A点的位置检测值在旋转周期内会呈现偏移量变化曲线，当在一个旋转周期内测得的这个曲线近似平行直线时，则两个平面即被测物体M平面和参考平面W近似平行；
所述偏移量变化曲线定量反映了被测物体M平面与参考平面W的不平行幅度和最大偏离幅度的角度位置，偏移变化曲线的纵轴表示被测物体M在旋转角为θ时的倾斜幅度，其中X表示最大倾斜幅度；横轴表示旋转角θ，其中Y表示最大倾斜幅度X时相对旋转起始位置所旋转过的角度θ。
平行度测量方法具体操作为：令被测物体M绕旋转轴Z轴转动，并且采用CCD连续采集图象，则检测出被测物体M侧面的成像检测点A的图象位置为连续图像；当光源与CCD位置不变时，当采样速率远大于被测物体M的旋转速度时，检测点A的检测位置为近似连续变化的离散量；当被测物体M与参考平面W不平行时，检测点A点的位置检测值在旋转周期内会呈现偏移量变化曲线，参见图3(图3反映了被测平面M相对于参考平面W的倾斜曲线；所述纵轴表示被测物体在旋转角为θ时的倾斜幅度，代表所需调节量；其中X为被测平面M相对于参考平面W的最大倾斜幅度；横轴为旋转角度θ，代表被测平面M所需调节的位置；其中Y为检测点A处的旋转角度θ)，当在一个旋转周期内测得的这个曲线近似平行直线时，则两个平面即被测物体M平面和参考平面W近似平行。
测量原理：如图1所示(其中：1为光源，2为CCD摄像机3为摄像机镜头，4为反射域)，设被测物体M为圆盘形晶片(wafer)，安装在具有一个旋转轴Z的平台上，该旋转轴Z与给定的参考平面W垂直；模板(mask)安装在参考平面W上，假设参考平面W与模板平行，如果能够测量被测物体M与参考平面W的之间平整度并可以按要求调整两者之间的姿态，则通过这种测量与调整，就可以实现模板与晶片的平行度测量与调整，其检测精度取决于测量系统的位置分辨率。
测量成像机理：设M为被测物体，W为参考平面，Z为与参考平面W垂直的旋转轴，被测物体M可绕旋转轴Z轴旋转。当使用CCD摄像机与一束照明光源按图1中的配置时，使CCD可以接收照明光投射在晶片侧面的反射成像如图2所示。其中A(本实施例为被测物体M下平面与其侧面过v轴的交汇点)为定义在被测物体M侧面图像的检测点，u与v为图像坐标系；5为被测平面M侧面的反射域成像，6为背景域成像。
平行度测量机理：本发明的核心思想是通过测量检测点A的图像位置测量值进而描述被测物体M的平面相对参考平面W的平行状态，包括倾斜幅度、最大倾斜幅度相距起始位置所在的旋转角，从而确定了M相对W的不平行度和调整位置。
本实施例设CCD分辩率为1000，镜头放大倍数为50，则测量系统分辩率为1000×50＝5×104，设视场为5mm(即：图象包含的景物的实际高度范围)，则测量精度为5mm/(5×104)＝1×10-4mm＝0.1μm。实验时取X值为调节幅度，调节其值至(趋于)0，调节位置由Y所示的旋转角θ确定。
平行度的精度分析：本发明不平行度检测精度取决于图象分辨率，当图象分辨率高到小于微米(亚微米)时，检测点A的测量曲线所反映的不平行状态就可以达到亚微米级。由于CCD的视场可以设计为仅包含检测点A附近的区域，镜头的放大倍数也可以足够大，因此图像分辨率可以足够高，理论上可以达到镜头与CCD分辨率组合的极限。这样，当CCD成像系统的分辨率足够高时，就可以实现对被测物体M与参考平面W的不平行度精密测量。根据科研经验，可以采用线阵高分辨率CCD摄像机，并按要求取镜头的放大倍数，经图象处理，可以满足测量大于、等于0.1微米的测量精度。由于被测边缘存在噪声(由晶片表面与侧面交界边缘的不平整度引起)，会在检测点A的位置测量曲线上出现噪声信号，因此需要加入平滑滤波等技术处理(常规技术)以正确得到检测点A的准确位置测量曲线，以便精确给出不平行参数，用于机构调节。

Claims (3)

1.一种精密平行度测量方法，其特征在于：将被测物体(M)安装在具有旋转轴(Z)的平台上，被测物体(M)可绕旋转轴(Z)旋转，所述旋转轴(Z)与参考平面(W)垂直；配有光源和摄像机作为测量装置，让摄像机镜头对准被测物体(M)的侧面，凭借投射在被测物体(M)侧面的光源反射成像；设横轴(u)与纵轴(v)为成像后的图像坐标系，原点在成像后的图像中心，其中被测物体(M)上或下平面与其侧面过纵轴(v)的交汇点为在被测物体(M)侧面图像的检测点(A)；当被测物体(M)绕旋转轴(Z)旋转时、通过连续图象采集，利用检测点(A)的图像位置测量值描述被测物体(M)的平面相对参考平面(W)的平行状态，从而确定被测物体(M)相对参考平面(W)的不平行度和调整位置；
其中：当所述光源与摄像机位置不变时，当采样速率大于被测物体(M)的旋转速度时，检测点(A)的检测位置为近似连续变化的离散量；当被测物体(M)与参考平面(W)不平行时，检测点(A)点的位置检测值在旋转周期内会呈现偏移量变化曲线，当在一个旋转周期内测得的这个曲线近似直线时，则两个平面即被测物体(M)平面和参考平面(W)近似平行。
2.按照权利要求1所述精密平行度测量方法，其特征在于：所述偏移量变化曲线定量反映了被测物体(M)平面与参考平面(W)的不平行幅度和最大偏离幅度的角度位置，其纵轴表示被测物体(M)在旋转角为θ时的倾斜幅度，其中X表示最大倾斜幅度；横轴为旋转角度θ，当最大倾斜幅度X时，Y为相对旋转起始位置所旋转过的角度θ。
3.按照权利要求1所述精密平行度测量方法，其特征在于：所述参考平面位于被测物体(M)的上方或下方。
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