CN102540781A - 一种背面对准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种背面对准装置,用于确定基底与工件台的相对位置关系,包括:辐射源,用于发出红外线;工件台装置,用于支撑基底并移动基底运动;成像装置,用于探测对准标记并计算对准标记位置;基准版装置,用于建立成像装置与工件台装置的位置坐标关系;该辐射源及该成像系统能实现一套设备对不同对准标记的照明和对准;该对准标记包括基准版标记及背面对准标记。

Description

一种背面对准装置及方法
技术领域
本发明涉及一种集成电路制造装备制造领域,尤其涉及一种用于在半导体光刻设备实现背面对准的装置及方法。
背景技术
随着人们生活水平不断提高及半导体技术的日益发展,未来半导体市场对半导体封装器件的智能化和小型化的程度要求将不断提高,如相机、手机、PDA等数码产品不仅要求体积小便于携带,更要求其功能多样化且性价比低。为了实现封装器件智能化和小型化的发展要求,出现了对多硅片封装解决方案的需要。多硅片封装是一种将两个或更多平面器件堆叠并连接起来的硅片级封装方法,该封装方式也称为三维(3D)封装。3D封装实现方式目前主要有三种:引线键合(Wire Bonding)、倒装芯片键合(Flip Chip Bonding)和贯穿硅片通孔(以下简称TSV工艺:Through Silicon Via),其中TSV工艺方式相对传统的引线键合工艺方式,具有互联引线长度短、引线密度高、封装面积小和封装成本不会随着封装硅片数量增加而大幅度提高等优点,因此TSV封装工艺方式被认为是未来最有潜力、也是最有前途的3D封装方式之一。TSV封装工艺方法是在半导体硅片的正面到背面形成微型通孔,然后以电气方式将上下硅片连接起来,由于采用3D垂直互联方式,从而大大缩短了硅片之间的互联引线长度,从而使封装器件在体积、性能及信号存取传输速度上都有了大幅度提高。
TSV封装工艺方式要求能在硅片背面进行曝光,因此要求半导体光刻设备具有背面对准装置以满足硅片背面曝光的工艺需求.该背面对准装置以硅片前表面(或称为硅片正面)已有的图形为硅片背面(或称为硅片后面)对准标记,从而确定硅片背面曝光图形与硅片前表面已有图形之间的位置误差。背面对准装置的测量精度将直接决定了硅片前后表面光刻图形之间的套刻误差。
目前实现硅片背面对准的方法主要有两种:可见光测量法和红外测量法。可见光测量法主要是在硅片承片台的两侧底部安装光路转折及成像系统,利用可见光实现对硅片背面标记的照明和成像。红外测量法是利用红外光对硅片的穿透能力来实现对背面标记的照明和成像。上述两种硅片背面位置对准方法在结构实现上各有优点及不足之处。
美国专利US6525805B、US6768539B中均公开了一种典型的背面对准装置,该装置利用可见光测量法通过离轴对准装置实现硅片背面对准,但是该装置中背面对准标记照明装置多,一个背面对准标记对应一套背面对准标记照明装置,导致背面对准标记照明装置装配复杂且成本高;由于背面对准标记照明装置位于硅片承片台下方,因此硅片承片台结构设计复杂、加工成本高;同时由于该装置中要求背面对准标记位置必须位于背面对准标记照明装置的照明视场内,因此导致工艺适应性差。
美国专利US6525805B中还公开了采用红外测量法的硅片背面位置对准装置,利用近红外光测量法在硅片承片台内不同位置处安装近红外光源以实现对硅片背面标记的照明,然后通过硅片上方的近红外成像系统实现对硅片背面标记的成像。该装置中硅片背面标记照明装置安装于硅片承片台内,因此工件台结构设计和装配比较复杂,且加工成本高,且受到硅片全场对准精度及硅片承片台空间尺寸的制约;需要在硅片背面标记照明装置指定位置处制作相应的硅片背面对准标记,因此增加了工艺流程及复杂度,导致工艺适应性差。
发明内容
为了克服上述技术问题,本发明提供一种用于实现背面对准的装置及方法,该装置及方法结构简洁,并能整体降低集成电路制造装备的设计难度及加工难度。
为实现上述发明目的,本发明公开了一种背面对准装置,用于确定基底与工件台的相对位置关系,包括:辐射源,用于发出红外线;工件台装置,用于支撑基底并移动基底运动;成像装置,用于探测对准标记并计算对准标记位置;基准版装置,用于建立成像装置与工件台装置的位置坐标关系;该辐射源及该成像系统能实现一套设备对不同对准标记的照明和对准;该对准标记包括基准版标记及背面对准标记。
更进一步地,所述工件台装置包括至少三个通光孔,用于通过红外线。
更进一步地,所述背面对准装置还包括照明装置。
更进一步地,所述照明装置位于所述工件台装置的通光口的正上方,包括光纤和照明镜组;或位于所述工件台装置的通光口的正下方,包括光纤、照明镜组和照明反射镜。
更进一步地,所述工件台装置包括工件台和位于工件台之下的基座,所述工件台至少实现3个自由度的移动。所述工件台装置还包括硅片吸盘,所述硅片吸盘位于工件台之上,所述硅片吸盘由玻璃或对红外光具有较高透过率的材料构成。所述三个通光孔中包括一个基座通光孔和两个工件台通光口。
更进一步地,所述成像装置位于所述工件台装置的通光口的正上方,包括成像镜组、成像探测器和图像处理系统,或位于所述工件台装置的通光口的正下方,包括成像镜组、照明反射镜、成像探测器和图像处理系统。成像探测器是CCD探测器、CMOS探测器或InGaAs探测器。
更进一步地,所述基准版装置包括基准版、基准版对准标记及基准版支架。所述基准版对准标记位于所述基准版的下表面,所述基准版固定于所述基准版支架上,所述基准版对准标记与背面对准标记位于同一水平面上。所述基准版支架由玻璃或对红外光具有较高透过率的材料构成。所述基准版装置位于所述工件台或所述硅片吸盘之上。
更进一步地,所述工件台通光孔的位置、数量及大小由对准精度以及单个芯片尺寸大小决定。
本发明同时公开一种背面对准方法,用于确定基底与工件台的相对位置关系,包括:
步骤一:移动基准版标记至背面标记成像装置的成像视场范围内,建立背面对准标记成像装置与工件台的位置坐标关系;
步骤二:移动背面对准标记至背面标记成像装置的成像视场范围内,建立背面对准标记与背面标记成像装置的位置坐标关系;
步骤三:根据上述两个位置坐标关系获得硅片与工件台之间的位置关系。
其中,步骤一包括:
1.1:移动工件台到期望位置,使基准版标记处于背面标记成像装置的成像视场范围内;
1.2:所述背面标记成像装置包括成像探测器和图像处理系统,利用图像处理系统判断成像探测器件中是否有基准版标记;若基准版标记位于成像探测器件中,则利用图像处理系统计算基准版标记在成像探测器件靶面上的位置,同时记录运动台在水平向位置;
1.3:若基准版标记不位于成像探测器件中,则工件台按照设置的位移量步进到下一个搜索位置,若搜索超出设置的搜索范围,则终止搜索;若在搜索范围内找到基准版标记,则重复步骤1.3。
步骤二包括:
2.1:移动工件台到期望位置,使背面对准标记处于背面标记成像装置的成像视场范围内;
2.2:所述背面标记成像装置包括成像探测器和图像处理系统,利用图像处理系统判断成像探测器件中是否有背面对准标记;若背面对准标记位于成像探测器件中,则利用图像处理系统计算背面对准标记在红外探测器件靶面上的位置,同时记录运动台在水平向位置;
2.3:若背面对准标记不位于成像探测器件中,则工件台按照设置的位移量步进到下一个搜索位置,若搜索超出设置的搜索范围,则终止搜索;若在搜索范围内找到基准版标记,则重复步骤2.2;
判断是否完成所有背面对准标记在成像探测器件靶面上的位置探测,若没有完成所有背面对准标记位置探测,则重复步骤2.1,2.2,2.3。
步骤三包括:
3.1:计算背面对准标记成像装置与工件台的位置坐标关系;
3.2:计算背面对准标记与背面标记成像装置的位置坐标关系;
3.3:获得硅片与工件台之间的位置关系。
本发明所采用的技术方案与原有技术的不同之处及其有益效果在于:由于背面对准标记照明装置仅设计为一套,降低背面对准标记照明装置的设计、装配复杂度,同时降低开发成本。当该背面对准标记照明装置安装于工件台大理石内或大理石平台以下,从而减小背面对准标记照明装置与硅片承片台机械接口之间的相互耦合,降低工件台结构设计和装配的复杂度,同时降低硅片承片台的加工成本。同时,当硅片背面对准标记不在背面标记成像装置的视场范围内时,可以通过移动工件台在一定范围内搜索背面对准标记,因此提高硅片背面对准装置对硅片背面对准标记的工艺适应性。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是本发明所涉及的背面对准装置的结构示意图;
图2是本发明所涉及的背面对准装置的第一实施例的详细结构示意图;
图3是本发明所涉及的背面对准装置的照明装置布局示意图;
图4是本发明所涉及的背面对准装置的第二实施例的详细结构示意图;
图5是本发明所涉及的背面对准装置的第三实施例的详细结构示意图;
图6是本发明所涉及的背面对准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
本发明提供一种适用于集成电路制造装备中的背面对准装置及方法。该背面对准装置的结构示意图如图1所示。5是集成电路制造装备中的投影物镜,根据需要制造的设备不同,投影物镜5可以是折射式投影物镜、反射式投影物镜、折反射式投影物镜。1是本发明所述的背面对准系统的照明装置,该照明装置1用于提供红外线照明。6是基底,根据需要制造的设备不同,可以是硅片、玻璃基底或其他材质基底。基底6放置于工件台装置2,工件台装置2能够在至少3个自由度内运动。照明装置1发出的红外线经工件台2后透过位于基底6上的背面对准标记20后照射至背面对准标记成像装置3上。在本发明中,基准版(也作基准板)装置4用于建立背面对准标记成像装置3与工件2台坐标系之间的关系。
图2是本发明所涉及的背面对准装置的第一实施方式。如该图所示,该背面对准装置包括照明装置1、工件台装置2、背面对准标记成像装置3及基准版装置4,用于根据位于基底6上的背面对准标记20,确定基底6与工件台装置2的位置关系。
如图2所示,背面对准标记照明装置1依次由红外光源10、红外照明光纤11、照明镜组13和照明反射镜14等构成,实现对基准版对准标记41和硅片背面对准标记20的均匀照明;所述背面对准标记照明装置1结构方式上为柯勒照明系统。柯勒照明系统的设计可以参见现有技术。
背面对准工件台装置2至少包括一个多自由度工件台24和大理石基座26。其中多自由度工件台24可以实现至少3个自由度的运动,优选采用六自由度工件台。该六自由度工件台24主要用于支撑基底6并同时实现基底6在6个自由度方向上的位置调整。该六自由度工件台24位于大理石基座26之上。基底6在本实施例中例示性地选用硅片,其中背面对准标记20位于硅片6上。为了更好地实现硅片6的位置固定,通常硅片6通过一硅片吸盘22放置于六自由度工件台24上。该硅片吸盘22与背面对准标记20位于同一个面,并安装于六自由度工件台24上表面。该硅片吸盘22由玻璃或对红外光具有较高透过率的材料构成。
六自由工件台24上包括2个或2个以上工件台通光孔23,其中一个工件台通光孔23位于基准版装置4的正下方,另一个位于背面对准标记20的正下方,使背面对准标记照明装置1所发出的红外光能通过该孔和硅片吸盘22对背面对准标记20及基准版对准标记41实现均匀照明。其中,一个背面对准标记20对应一个通光孔25。该工件台通光孔23的位置、数量及大小主要取决于对准精度以及单个芯片尺寸大小。
同样的,大理石基座26上有一个大理石通光孔25,用于实现背面对准标记照明装置1所发出的红外光能穿过大理石基座26。大理石通光孔25的位置位于背面标记照明装置1的正上方,同时也位于背面标记成像装置3的正下方。大理石通光孔25的大小取决于背面标记照明装置1的照明视场大小以及背面对准标记20的搜索范围大小。
基准版装置4由基准版40、基准版对准标记41和基准版支架42构成,用于建立背面对准标记成像装置与工件台坐标系之间的关系。该基准版对准标记41位于基准版40下表面,并与硅片背面对准标记20位于同一水平面上。基准版40固定于基准版支架42上。基准版支架42由玻璃或对红外光具有较高透过率的材料构成,因此面对准标记照明装置1所发出的红外光能投射过该基准版支架42,实现对基准版对准标记41的照明。
基准版装置4固定于六自由工件台24或直接放置于硅片吸盘22上,可随六自由工件台24的运动调整其在6个自由度方向上的位置。背面对准标记照明装置1,位于背面对准工件台装置2下方,其位置不受六自由工件台24运动的影响。
背面对准标记成像装置3位于背面对准工件台装置下方,其位置不受六自由工件台24运动的影响。背面对准标记成像装置3包括红外成像镜组31、红外成像探测器件32以及图像处理系统33等构成,用于实现背面对准标记20和基准版对准标记41在红外成像探测器件32靶面上清晰成像,同时对上述对准标记位置进行计算。红外成像探测器件32用于接收基准版对准标记41和背面对准标记20通过红外成像镜组31所成的像,该红外成像探测器件32可以是CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件)摄像机或CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor互补型金属氧化物半导体)摄像机,还可以是InGaAs(Indium Gallium Arsenide砷化镓铟)探测器。
红外光线从红外光源10发出,经红外照明光纤11、照明镜组13、照明反射镜14、大理石通光孔25、工件台通光孔23、硅片吸盘22至基准版对准标记41或背面对准标记20,对基准版对准标记41和背面对准标记20实现均匀照明。背面对准成像过程从基准版对准标记41或背面对准标记20起,经硅片20、红外成像镜组31、红外成像探测器件32至图像处理系统33,可实现基准版对准标记41或和背面对准标记20在红外成像探测器件32上清晰成像,同时经图像处理系统33给出基准版对准标记41或和背面对准标记20在红外成像探测器件32靶面上的位置信息。
图3是本发明所涉及的背面对准装置的照明装置布局示意图。如该图所示,基准版装置4位于六自由度工件台24左上角,实际布局也可以位于六自由度工件台24任何一角。在另一种实施方式中,基准版装置4也可以直接安装于硅片吸盘22上。基准版对准标记41和背面对准标记20在图中示意性地显示为十字标记,但是本领域技术人员应知,在实际应用过程中基准版对准标记41和背面对准标记20可根据不同对准精度和要求,选用不同对准标记。在本实施例中,采用了三个背面对准标记20和对应的三个工件台通光孔23。工件台通光孔23大于基准标记41和背面对准标记20的照明视场以及搜索范围。
图4是本发明所涉及的背面对准装置的第二实施例的详细结构示意图。在该实施例中,为实现背面对准装置的结构更加简化,减小背面对准标记照明装置与硅片承片台机械接口之间的相互耦合,降低工件台结构设计和装配的复杂度,同时降低光刻机的加工成本,在本实施例中不采用照明装置1,而直接在工件台大理石内安装红外光源25,以实现对基准标记41以及背面对准标记20的均匀照明。由于省略了多个光学元件,因此相比实施例一结构更加简单、成本更低。
图5是本发明所涉及的背面对准装置的第三实施例的详细结构示意图。在该实施例中,该背面对准装置包括照明装置1、工件台装置2、背面对准标记成像装置3及基准版装置4,用于根据位于基底6上的背面对准标记20,确定基底6与工件台装置2的位置关系。其中背面对准标记照明装置1放置于硅片6上方,而背面对准标记成像装置3放置于硅片6下方。该实施例中背面对准标记照明装置1依次由红外光源10、红外照明光纤11、照明镜组13等构成,实现基准版对准标记41和硅片背面对准标记20的均匀照明;所述背面对准标记照明装置1结构方式上为柯勒照明系统。该实施例中背面对准标记成像装置3由背面对准标记20、工件台通光孔23、大理石通光孔25、红外成像镜组31、红外反射镜14、红外成像探测器件32以及图像处理系统33等构成,实现背面对准标记20和基准版对准标记41在红外成像探测器件32靶面上清晰成像,同时对上述对准标记位置进行计算。
本发明同时公开一种背面对准方法,该背面对准方法包括:移动基准版标记41至背面标记成像装置3的成像视场范围内,建立背面对准标记成像装置3与工件台装置2的位置坐标关系;移动背面对准标记20至背面标记成像装置3的成像视场范围内,建立背面对准标记20与背面标记成像装置3的位置坐标关系;根据上述两个位置坐标关系获得硅片6与工件台装置2之间的位置关系。
该方法所涉及的流程图如图6所示:
步骤一:移动六自由工件台24到期望位置,使基准版标记41处于背面标记成像装置3的成像视场范围内;
步骤二:利用图像处理系统33判断红外成像探测器件32中是否有基准版标记41;若基准版标记41位于红外成像探测器件32中,则利用图像处理系统33计算基准版标记41在红外成像探测器件靶面32上的位置,同时记录此时六自由度运动台24在水平向位置;
步骤三:若基准版标记41不位于红外成像探测器件32中,则六自由度工件台24按照设置的位移量步进到下一个搜索位置,若搜索超出设置的搜索范围,则终止搜索;若在搜索范围内找到基准版标记41,则重复步骤三;
步骤四:移动六自由工件台24到期望位置,使背面对准标记20处于背面标记成像装置3的成像视场范围内;
步骤五:利用图像处理系统33判断红外成像探测器件32中是否有背面对准标记20;若背面对准标记20位于红外成像探测器件32中,则利用图像处理系统33计算背面对准标记20在红外成像探测器件32靶面上的位置,同时记录此时六自由度运动台24在水平向位置;
步骤六:若背面对准标记20不位于红外成像探测器件32中,则六自由度工件台24按照设置的位移量步进到下一个搜索位置,若搜索超出设置的搜索范围,则终止搜索;若在搜索范围内找到基准版标记,则重复步骤五;
步骤七:判断是否完成所有背面对准标记20在红外成像探测器件32靶面上的位置探测,若没有完成所有背面对准标记位置探测,则重复步骤四、步骤五和步骤六;
步骤八:通过步骤二可以确定背面标记成像装置3与六自由工件台24的位置关系;
步骤九:通过步骤五、步骤六和步骤七可以确定背面对准标记20与背面标记成像装置3之间的位置关系;
步骤十:通过八和九的计算结果,就可以确定硅片6与六自由工件台24之间的位置关系,即硅片5相对六自由工件台24的平移与旋转。
本发明所采用的技术方案与原有技术的不同之处及其有益效果在于:由于背面对准标记照明装置仅设计为一套,降低背面对准标记照明装置的设计、装配复杂度,同时降低开发成本。当该背面对准标记照明装置安装于工件台大理石内或大理石平台以下,从而减小背面对准标记照明装置与硅片承片台机械接口之间的相互耦合,降低工件台结构设计和装配的复杂度,同时降低硅片承片台的加工成本。同时,当硅片背面对准标记不在背面标记成像装置的视场范围内时,可以通过移动工件台在一定范围内搜索背面对准标记,因此提高硅片背面对准装置对硅片背面对准标记的工艺适应性。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在本发明的范围之内。

Claims (18)

1.一种背面对准装置,用于确定基底与工件台的相对位置关系,包括:
辐射源,用于发出红外线;
工件台装置,用于支撑基底并移动基底运动;
成像装置,用于探测对准标记并计算对准标记位置;
基准版装置,用于建立成像装置与工件台装置的位置坐标关系;
其特征在于,所述辐射源及所述成像系统能实现一套设备对不同对准标记的照明和对准;
所述对准标记包括基准版标记及背面对准标记。
2.如权利要求1所述的背面对准装置,其特征在于,所述工件台装置包括至少三个通光孔,用于通过红外线。
3.如权利要求1所述的背面对准装置,其特征在于,所述背面对准装置还包括照明装置。
4.如权利要求3所述的背面对准装置,其特征在于,所述照明装置位于所述工件台装置的通光口的正上方,包括光纤和照明镜组;或位于所述工件台装置的通光口的正下方,包括光纤、照明镜组和照明反射镜。
5.如权利要求1所述的背面对准装置,其特征在于,所述工件台装置包括工件台和位于工件台之下的基座,所述工件台至少实现3个自由度的移动。
6.如权利要求5所述的背面对准装置,其特征在于,所述工件台装置还包括硅片吸盘,所述硅片吸盘位于工件台之上,所述硅片吸盘由玻璃或对红外光具有较高透过率的材料构成。
7.如权利要求2所述的背面对准装置,其特征在于,所述三个通光孔中包括一个基座通光孔和两个工件台通光口。
8.如权利要求1所述的背面对准装置,其特征在于,所述成像装置位于所述工件台装置的通光口的正上方,包括成像镜组、成像探测器和图像处理系统,或位于所述工件台装置的通光口的正下方,包括成像镜组、照明反射镜、成像探测器和图像处理系统。
9.如权利要求8所述的背面对准装置,其特征在于,所述成像探测器是CCD探测器、CMOS探测器或InGaAs探测器。
10.如权利要求1所述的背面对准装置,其特征在于,所述基准版装置包括基准版、基准版对准标记及基准版支架。
11.如权利要求10所述的背面对准装置,其特征在于,所述基准版对准标记位于所述基准版的下表面,所述基准版固定于所述基准版支架上,所述基准版对准标记与背面对准标记位于同一水平面上。
12.如权利要求10所述的背面对准装置,其特征在于,所述基准版支架由玻璃或对红外光具有较高透过率的材料构成。
13.如权利要求6所述的背面对准装置,其特征在于,所述基准版装置位于所述工件台或所述硅片吸盘之上。
14.如权利要求7所述的背面对准装置,其特征在于,所述工件台通光孔的位置、数量及大小由对准精度以及单个芯片尺寸大小决定。
15.一种背面对准方法,用于确定基底与工件台的相对位置关系,其特征在于,包括:
步骤一:移动基准版标记至背面标记成像装置的成像视场范围内,建立背面对准标记成像装置与工件台的位置坐标关系;
步骤二:移动背面对准标记至背面标记成像装置的成像视场范围内,建立背面对准标记与背面标记成像装置的位置坐标关系;
步骤三:根据上述两个位置坐标关系获得硅片与工件台之间的位置关系。
16.如权利要求15所述的背面对准方法,其特征在于,所述步骤一包括:
1.1:移动工件台到期望位置,使基准版标记处于背面标记成像装置的成像视场范围内;
1.2:所述背面标记成像装置包括成像探测器和图像处理系统,利用图像处理系统判断成像探测器件中是否有基准版标记;若基准版标记位于成像探测器件中,则利用图像处理系统计算基准版标记在成像探测器件靶面上的位置,同时记录运动台在水平向位置;
1.3:若基准版标记不位于成像探测器件中,则工件台按照设置的位移量步进到下一个搜索位置,若搜索超出设置的搜索范围,则终止搜索;若在搜索范围内找到基准版标记,则重复步骤1.3。
17.如权利要求15所述的背面对准方法,其特征在于,所述步骤二包括:
2.1:移动工件台到期望位置,使背面对准标记处于背面标记成像装置的成像视场范围内;
2.2:所述背面标记成像装置包括成像探测器和图像处理系统,利用图像处理系统判断成像探测器件中是否有背面对准标记;若背面对准标记位于成像探测器件中,则利用图像处理系统计算背面对准标记在红外探测器件靶面上的位置,同时记录运动台在水平向位置;
2.3:若背面对准标记不位于成像探测器件中,则工件台按照设置的位移量步进到下一个搜索位置,若搜索超出设置的搜索范围,则终止搜索;若在搜索范围内找到基准版标记,则重复步骤2.2;
判断是否完成所有背面对准标记在成像探测器件靶面上的位置探测,若没有完成所有背面对准标记位置探测,则重复步骤2.1,2.2,2.3。
18.如权利要求15所述的背面对准方法,其特征在于,所述步骤三包括:
3.1:计算背面对准标记成像装置与工件台的位置坐标关系;
3.2:计算背面对准标记与背面标记成像装置的位置坐标关系;
3.3:获得硅片与工件台之间的位置关系。
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