CN101495939A - 测量透光基板中尺寸变化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测量透光基板中尺寸变化的方法包括在参考板上形成参考标记阵列、在透光基板上形成基板标记阵列、将参考板和透光基板层叠成使得参考标记和基板标记重叠、在处理透光基板之前和之后相对于参考标记的坐标测量基板标记的坐标、以及从在处理透光基板之前和之后所测量的基板标记的相对坐标之间的差异来确定透光基板中的尺寸变化。

Description

测量透光基板中尺寸变化的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年4月28日提交的题为“Method and apparatus for MeasuringDimensional Changes in Transparent Substrates(测量透光基板中尺寸变化的方法和装置)”的序列号No.11/118,724的美国申请的优先权，该申请通过引用结合于此。

技术领域

本发明一般涉及对透光基板的处理造成的透光基板尺寸变化的测量。

背景技术

诸如玻璃基板的透光基板广泛应用于需要透光或光探测的许多器件中。这些器件的示例包括，但不局限于平板显示器、有源电子器件、光压器件和生物阵列。将透光基板处理成具体器件可用的形式可能会在透光基板上引入尺寸变化。这种处理的示例包括，但不局限于切割透光基板以及将透光基板加热到室温以上。对玻璃基板的切割会从玻璃基板释放内应力，从而造成玻璃基板的变形。将玻璃基板加热到室温以上可造成玻璃基板的收缩或膨胀。变形、收缩、膨胀和其它类型的尺寸变化在诸如上述器件、尤其是阵列化器件中是有问题的。制造商通常要求阵列化器件中结合的透光基板具有预定限制内的尺寸变化。作为示例，AMLCD(有源矩阵液晶显示器件)器件制造商通常要求AMLCD器件中结合的玻璃基板在处理之后具有小于几微米的变形。这些尺寸要求会随AMLCD技术和制造的进步而变得更加严格。

当前，基于绝对坐标系的测量系统(通常使用干涉测量法)用于测量透光基板中的尺寸变化。在绝对测量中，使用一系列参考标记对所测量的透光基板进行标记。在处理基板之前将参考标记预先表征在X-Y位置上。在处理基板之后，将该基板放回到测量系统上并对X-Y参考结构进行重新表征。尺寸变化通过测量之前的参考结构X-Y位置相对于处理之后参考结构X-Y位置的变化来指示。绝对测量系统很可能随所测量面积的变大而具有很大测量误差。

综上所述，需要一种测量透光基板中尺寸变化的方法。这种测量可用于确定该透光基板的尺寸变化是否在预定限制之内。这种测量还可用于细调透光基板的成分以及造成透光基板中尺寸变化的处理步骤。随着AMLCD产业朝着大尺寸基板发展，同样需要一种以高分辨率(例如亚微米分辨率)测量大基板面积(例如大于2m长)上尺寸变化的方法。

发明内容

在一方面，本发明涉及一种测量透光基板中尺寸变化的方法，包括在参考板上形成参考标记阵列、在透光基板上形成基板标记阵列、将参考板和透光基板层叠成使得参考标记和基板标记重叠、在处理透光基板之前和之后相对于参考标记的坐标测量基板标记的坐标、以及从处理透光基板之前和之后所测量的基板标记相对坐标来确定透光基板中的尺寸变化。

在另一方面，本发明涉及一种测量透光基板中尺寸变化的系统，包括参考板、向参考板提供刚性支承的平台、在透光基板与参考板层叠时捕获参考板和透光基板上的标记的图像的成像装置、以及耦合到成像装置以将成像装置定位在平台上所需位置的定位装置。

从以下描述和所附权利要求书，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1A示出根据本发明一实施方式测量透光基板中尺寸变化的方法。

图2B示出根据本发明一实施方式的定位在参考板上方的已标记透光基板。

图1C示出基板标记相对于参考标记的坐标。

图1D示出基板标记相对于参考标记的初始和最终位置。

图2A-2D示出适用于本发明的标记示例。

图3A和3B示出根据本发明一实施方式的单焦平面配置中的基板和参考标记。

图4A-4F示出根据本发明另一实施方式的双焦平面配置中的基板和参考标记。

图5A-5C示出根据本发明一实施方式的用于测量透光基板中尺寸变化的系统。

具体实施方式

现在参考几个较佳实施方式对本发明进行详细描述，如附图所示。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便于提供对本发明的透彻理解，然而，本领域技术人员应该理解，本发明可在没有这些具体细节中部分或全部的情况下进行实施。在其它情况中，并未详细描述公知特征和/或工艺步骤以免对本发明造成不必要的混淆。本发明的特征和优点可通过附图及其讨论而得到更好的理解。

图1A是示出根据本发明一实施方式测量诸如玻璃基板的透光基板中尺寸变化的方法的流程图。该方法涉及在参考板S₁上形成标记M₁的阵列(100)。标记M₁充当固定局域标尺，将针对该标尺测量透光基板中的尺寸变化。不对参考板S₁进行造成其尺寸变化的任何处理步骤。该方法还涉及在透光基板S₂上形成标记M₂的阵列(102)。就标记分布和形状而言，透光基板S₂上的标记M₂的阵列与参考板S₁上的标记M₁的阵列相同或相似。该方法还包括将透光基板S₂层叠在参考板S₁上使得透光基板S₂上的标记M₂的阵列和参考板S₁上的标记M₁的阵列重叠(104)。这种层叠可包括将透光基板S₂置于参考板S₁上方(或在其上)或者将参考板S₁置于透光基板S₂上方(或其上)。

该方法还包括使用适当成像系统获取已层叠的参考标记M₁和基板标记M₂的图像(106)。该步骤称为第一测量观察，且所获取的图像称为第一测量图像。第一测量图像可以是单个图像，或者例如如果逐节点捕获参考标记M₁和基板标记M₂，则第一测量图像还可以是图像阵列。该方法还包括处理第一测量图像以确定各个基板标记M₂相对于参考标记中对应之一M₁的初始坐标(x_i，y_i)(108)。参考标记M₁中对应之一通常是最接近参考标记M₁。图1B示出由参考和基板标记M₁、M₂组成的第一测量图像的视图。图1C示出基板标记M₂相对于参考标记M₁的坐标(x_i，y_i)。

返回到图1A，在获取第一测量图像之后，将透光基板S₂从参考板S₁分离并进行处理(110)。这种处理可包括，例如切割透光基板S₂和/或加热透光基板S₂到更高温度。在对透光基板S₂进行处理之后，层叠透光基板S₂和参考板S₁使得基板标记M₂和参考标记M₁重叠并可从透光基板S₂上方的位置观察到(112)。该方法包括使用成像系统分别获取参考板S₁和透光基板S₂上的参考标记M₁、和基板标记M₂(114)。本步骤称为第二测量观察，且所获取的图像称为第二测量图像。该方法还包括处理第二测量图像以确定各个基板标记M₂相对于参考标记中对应之一M₁的最终坐标(x_f，y_f)(116)。

该方法还包括计算透光基板S₂上各个节点(由基板标记M₂表示)的初始和最终坐标之间的差异(118)。这些差异表示透光基板S₂中与第一测量观察的局域尺寸差异变化。在第一测量观察过程中透光基板S₂相对于参考板S₁的取向和位置很可能不同于在第二测量观察过程中透光基板S₂相对于参考板S₁的取向和位置。在一实施方式中，该方法包括对因在第一和第二测量观察中相对于参考板S₁定位透光基板S₂的差异造成的透光基板S₂中尺寸变化测量的误差进行校正。

假设透光基板S₂为刚性且刚性体移动误差大于工艺尺寸变化，则可对转动和平移误差在数学上进行求解。图1D示出基板标记M₂相对于参考标记M₁的初始位置R_i和最终位置R_f的图示。对于各个基板标记：

R_f-R_i＝RT+D+E              (1)

其中R_f是所测量的最终位置，R_i是所测量的初始位置，RT是刚性体的转动/平移，D是由给定工艺导致的基板中尺寸变化，且E是测量误差。对于标记阵列：

{Rf-Ri}＝{RT}+{r}          (2)

其中{}表示矩阵且r表示留数(residual)，即尺寸变化。已知R_f和R_i。RT和r通过使用例如线性回归的求解联立方程的任何适当技术来确定。该刚性体补偿旨在将第二观察测量还原到第一测量观察的初始位置。

回到图1A，测量的质量受到参考板S₁平坦度的影响。平坦度是指参考板S₁的波度。如果参考板S₁不足够平坦，则参考板S₁和透光基板S₂不会连续接触，从而在参考板S₁与透光基板S₂之间造成潜在气隙或褶皱，这可影响测量的再现性。因此，参考板S₁较佳地由具有良好平坦度的基板制成。在一实施方式中，参考板S₁的平坦度不大于100μm并可在10至100μm之间。该平坦度要求是在特定面积上，通常是100mm²正方形面积。

较佳地，在与透光基板S₂接触时，参考板S₁不会因透光基板S₂的内应力或热应力而翘曲。为了减小测量对温度变化的敏感度，参考板S₁较佳地具有与透光基板S2相似(即相等或接近)的热膨胀系数(CTE)。当透光基板S₂是AMLCD玻璃时，硼硅酸盐材料或AMLCD玻璃可用作参考板S₁。当参考板S₁被定位在透光基板S₂上方(或其上)时，参考板S₁应该透光以允许在透光基板S₂上方的位置观察透光基板S₂上的标记M₂。

选择参考板S₁的其它标准至少部分地取决于用于进行测量的传感器类型。通常，参考板S₁较佳地随时间保持稳定。当使用光学透镜的成像系统用于进行测量时，参考板S₁较佳地具有最小宏观和微观划痕的光滑玻璃表面，因为这种划痕会影响测量图像的质量。对于大尺寸测量，参考板S₁应该足够刚性使得它不会在处理过程中碎裂。如果参考板S₁由多片制成，则应该随时间确保多片的机械和热稳定性。此外，应该达到平坦度要求，尤其在接合边缘处。

分别在参考板S₁和透光基板S₂上的标记M₁、M₂可具有各种各样的几何或非几何形状。图2A-2D示出适用于本发明的标记M的示例。在图2A中，标记M是线。在图2B中，标记M是圆。在图2C中，标记M是十字线。在图2D中，标记M是点。可将标记M均匀地置于参考板和透光基板上，即标记之间的间距均匀，或者可将其随机地置于参考板和透光基板上，即标记之间的间距不均匀。例如，图2A-2C中的标记M被均匀设置而图2D中的标记M被随机设置。可使用诸如油墨标记系统、刻图系统、刻蚀工具或激光标记系统的任何适当标记系统来在参考板和透光基板上设置标记。透光基板上的标记必须能够经受该透光基板在第一测量观察和第二测量观察之间可能受到的任何处理步骤而保留下来。

回到图1A，参考板S₁的位置可在透光基板S₂的上方或下方。可将参考板S1和透光基板S2定位成使得标记M₁、M₂处于单焦平面或出于双焦平面中。在单焦平面配置中，参考和基板标记M₁、M₂位于同一平面，且具有单焦点的成像系统适于捕获标记的图像。在双焦平面配置中，参考和基板标记M₁、M₂位于不同平面中。图3A和3B示出单焦平面配置中的参考和基板标记M₁、M₂。需要在作了标记之后翻转参考板S₁或透光基板S₂以将标记置于同一平面。翻转大的透光基板而不损坏它们是困难的。图4A-4D示出双焦平面配置中的参考和基板标记M₁、M₂。双焦平面配置允许参考板和透光基板在不操作参考板或透光基板在测量系统上的取向的情况进行标记和测量。

对于双焦平面配置，存在各种方法捕获不同平面上的标记。一种方法涉及捕获同一焦深内的平面。在该方法中，所测量基板的厚度影响焦深。随着焦深增加，由成像系统收集光的效率降低。一种增加对比度的可能方法是通过对各个测量图像实施更高的积分比率时间(integration rate time)。第二种方法涉及在两个分离时间框架下测量两个平面。实现第二种方法的示例包括在成像系统第一Z-位置捕获两个平面并在成像系统第二Z-位置捕获两个平面。实现第二种方法的另一示例包括不同时刻使用不同的聚焦透镜来捕获各个平面。第三种捕获不同平面上标记的方法涉及使用具有两个焦平面的成像系统同时捕获两个平面。

图5A示出根据本发明一实施方式的用于测量透明基板中尺寸变化的系统500。该系统500包括刚性支承工作台504的支承结构502。支撑结构502较佳地是隔振台，即装有消除谐振或非谐振振动频率的无源和/或有源隔振器。工作台504提供刚性支承参考板508和透光基板509的平台506。平台506较佳地具有良好的平坦度。例如，平台506的平坦度不大于100μm或者在10和100μm之间。将框架515附加到工作台504两侧。框架515支承定位装置510。定位装置510能够在工作台504上移动附加其上的物体，诸如成像系统512或标记系统(图5B中的517)。工作台504应该足够坚固以支承定位装置510和其它附加到定位装置510的其它设备而无过度振动。工作台504应该具有高刚度，以避免定位装置510在工作台504上移动时动态偏斜，特别是测量面积较大，例如在2m长的数量级上时。工作台504可由花岗石材料制成。

定位装置510可以是xy台或xyz台或升降台或笛卡尔自动机或能够沿至少两个正交方向移动的其它装置。较佳地，定位装置510能够微移动。较佳地，定位装置510能够在例如大于2m的大面积上微移动。较佳地，定位装置510具有刚度，使其在包括标记、测量和按需的玻璃处理的各个步骤期间合理地接近节点。为说明目的，定位装置510还包括在框架515上支承的线性台514。线性台514可提供沿y方向的线性移动。定位装置510还包括使其末端支承在线性台514上的线性台516。线性台516可提供沿x方向的线性移动。成像系统512可由耦合到线性台516的的框架520支承。在可选实施方式中，框架520可由提供沿z方向移动的线性台代替，从而允许成像系统512的z-位置可相对于工作台504调节。或者，可在线性台516和线性台514的末端之间设置提供沿z方向线性移动的线性台，以允许线性台516的z-位置可相对于台504调节。

系统500较佳地包括将参考板508夹紧到工作台504的机构或方法，至少在参考板508与工作台504接触的配置中如此。夹紧方法可涉及使用机械装置，诸如C-夹具。然而，这种夹具可干扰透光基板509在参考板508上的放置。一种可选方法是使用真空夹紧。图5C示出适于本发明的真空夹紧系统。在另一实施方式中，线性凹槽522在工作台504上形成。同样在附加到工作台504两侧的框架515中形成一个或多个出口524。出口524可与线性凹槽522连通。可通过将出口524连接到真空源并吸出线性凹槽522中的空气来将参考板508夹紧到工作台504。参考板508还可包括与框架515中另一组出口528连通的孔526。可经由出口528将孔526连接到真空源以允许将透光基板509真空夹紧到参考板508。可行成能够独立连接到真空源的分离的孔组526，使得真空夹紧可在参考板508上选择性提供。这是有用的，因为透光基板509的尺寸可以变化并且可能并不覆盖参考板508上的所有孔。分离的孔组526允许真空夹紧面积与透光基板尺寸匹配。当需要从参考板508移除透光基板509时，将空气通过出口528泵入孔526中以释放透光基板509。真空夹紧的另一选择包括，但不局限于静电夹具，其中透光基板509和/或参考板508可由不同电荷压紧。

回到图5A，成像系统512通常包括相机534。在一实施方式中，相机534使用CCD(“电荷耦合器件”)传感器作为光传感器。然而，本发明不局限于使用CCD传感器作为光传感器。也可使用CMOS传感器或其它固态传感器。在其中光传感器是CCD传感器的实施方式中，它包括称为感光单元(photosite)的光敏单元的阵列。这些感光单元通常由硅制成并在光入射其上时发射电子。各个感光单元具有关联的彩色滤光片以允许CCD传感器检测色彩。成像系统512通常还包括光学系统536。光学系统536可包括用于将来自诸如参考板508或透光基板509上标记的物体的光聚焦到相机534的光传感器上的一个或多个透镜。透镜较佳地具有低畸变和像差。成像系统512还可包括缩放特征，这可通过光学系统536光学地实现或通过相机534数字地实现。成像系统512还可包括控制其操作并将由相机534中光传感器收集的信息处理成图像文件的处理器。处理器可支持各种形式的图像文件格式，诸如TIFF和JPEG。成像系统512还可包括用于存储图像文件的存储器。

系统500可包括用于照明测量区域532的一个或多个照明器530。照明可从工作台504的上方或下方提供。两个最常用的照明技术包括黑场和明场照明。相机534基于从测量区域532反射的光制作图像。系统500还包括用于控制定位装置510的移动使得可通过使用成像系统512对参考板508和透光基板509的所需部分进行成像的计算机系统538。计算机系统538通常包括处理器540和视频监视器542以及与该系统交互所必需的其它外围设备(未示出)，诸如键盘和鼠标。这些外围设备是本领域公知的，以下不再赘述。计算机系统538可从成像系统512接收图像文件并处理该图像文件。例如，处理器540可执行计算基板标记相对于参考标记的坐标的算法。处理器540还可执行基于第一和第二测量观察计算透光基板509中尺寸变化的算法，包括补偿由于透光基板509相对于参考板508放置造成的旋转和位移。

因为测量对温度敏感，系统500较佳地包括包围测量区域532的温控腔533。作为示例，温控腔533能够使用稳态空气流保持所需温度到±0.01℃。然而，达到这种温度要求的成本使其不能用于较大基板。在这种情形中，可对温度要求放宽。例如，如果AMLCD用作透光基板，则较大的表面积使该基板能够很快使其温度适应环境温度。如果支承结构是较大的块，则需要较大并延伸的梯度温度来改变平台的尺寸。在这种情况下，温度要求被放宽。温度建模可用于确定适当温度要求。

在操作中，将参考板508定位在平台506上并且标记系统(图5B中的517)用于在参考板508上形成标记阵列。同一过程对透光基板509重复。标记系统(图5B中的517)的移动可由计算机系统538控制。标记系统517可以是油墨标记系统或激光标记系统或刻划系统或蚀刻工具或任何其它适当的标记系统。在标记之后，将透光基板509和参考板508在平台506上层叠以允许使用成像系统512对透光基板509和参考板508上的标记进行成像，即第一参考观察。之后，从平台506移走透光基板509，进行处理并返回到平台506以供第二测量观察。

本发明通常提供以下优点。相对测量技术能够以高分辨率测量较小或较大的透光基板的尺寸变化。本发明包括对因在处理透光基板之前和之后透光基板相对于参考板的放置引起的测量误差进行校正。该测量降低了对温度变化的敏感度，因为使用了具有与所测量透光基板类似CTE的参考板以及与通常在诸如基于干涉测量法的绝对坐标测量系统中使用的一个全局参考(0，0，0)不同，使用了局域标尺标记。实现在延长的测量周期上有良好的测量可重复性和再现性。标记位置的相对坐标测量允许定位装置的移动要求相比绝对坐标测量有所放宽，这造成测量系统的总成本降低。

虽然本发明是针对有限数量的实施方式描述的，但是得益于本公开的本领域技术人员应该理解，可提出不背离本文公开的本发明的范围的其它实施方式。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种测量透光基板中尺寸变化的方法，包括：

在参考板上形成参考标记阵列；

在所述透光基板上形成基板标记阵列；

将所述参考板和所述透光基板层叠成使所述参考标记和所述基板标记重叠；

在处理所述透光基板之前和之后相对于所述参考标记的坐标测量所述基板标记的坐标；以及

从在处理所述透光基板之前和之后所测量的所述基板标记的相对坐标之间的差异来确定所述透光基板中的尺寸变化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述参考板和透光基板层叠发生在处理所述透光基板之前和之后。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括补偿因在处理所述透光基板之前或之后所述透光基板相对于所述参考板的定位差异造成的所述尺寸变化的误差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述参考板和所述透光基板层叠包括将所述参考标记从所述基板标记偏移使得所述参考和基板标记都可见。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述基板标记的坐标包括获取所述参考标记和基板标记的图像。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述参考板和透光基板层叠包括将所述参考标记和基板标记置于同一平面上。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述参考板和透光基板层叠包括将所述参考标记和基板标记置于不同平面上。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考标记阵列与所述基板标记阵列基本上相同。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在测量坐标时将所述参考板和透光基板支承在刚性平台上。

10.一种测量透光基板中尺寸变化的系统，包括：

参考板；

向所述参考板提供刚性支承的平台；

成像装置，在所述透光基板与所述参考板层叠时捕获所述参考板和所述透光基板上的标记的图像；以及

定位装置，耦合到所述成像装置以将所述成像装置置于所述平台上所需位置。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述参考板具有与所述透光基板相似的热膨胀系数。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括用于将所述参考板夹紧到所述平台的机构。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述机构包括所述平台中的一个或多个通路，所述通路与所述参考板的表面连通使得在将所述通路连接到真空源时所述参考板被夹紧到所述平台。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括用于将所述透光基板夹紧到所述参考板的机构。

15.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括用于在所述参考板和所述透光基板上形成标记的标记装置。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述定位装置被耦合到所述标记装置以将所述标记装置置于所述平台上所需的位置。

17.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括包围包含所述参考板和透光基板的测量区域的温控腔。

18.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括控制所述定位装置在所述平台上移动的处理器。

19.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述定位装置提供沿至少两个正交方向上的运动。

20.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括定位成照明所述参考板和透光基板上标记的一个或多个照明器。

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