CN103681426A - 大翘曲硅片预对准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大翘曲硅片预对准装置，用于测量硅片的圆心和方向，包括：旋转台，用于吸附硅片并带动硅片进行旋转；照明光源，用于照明硅片边缘；预对准成像镜头，用于采样硅片边缘图像，预对准成像镜头为物方远心或双远心镜头，且包括成像传感器，硅片边缘被照明后被预对准成像镜头成像于成像传感器上；控制器，用于控制旋转台、照明光源和预对准成像镜头，以及对采样到的硅片边缘图像进行分析拟合，从而得到硅片的圆心和方向；根据本发明的建议，预对准成像镜头还包括最佳物面补偿系统，最佳物面补偿系统用于在采样前确定最佳物面，并在采样时对物距进行实时补偿，从而使硅片的各个边缘位置均能够清晰成像。

Description

大翘曲硅片预对准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路制造领域，尤其涉及一种大翘曲硅片预对准装置及方法。

背景技术

微电子技术在信息产业革命中起着重要的作用，而光刻机是微电子器件制造业中不可或缺的工具。在半导体器件的生产过程中，硅片需要通过硅片传输机构，以较高的定心和定向精度传送到工件台上，这样就使得硅片能够以一个固定的姿态进行曝光。由于硅片放置在硅片槽中时，其位置和方向都不确定，因此在硅片传输到工件台上之前，要求对硅片进行一定精度的预对准，通过测量硅片的圆心来确定硅片的当前位置，通过测量硅片缺口的方向来确定硅片的方向。

专利CN201010110212.7公开了一种预对准装置和方法，该专利中使用机器视觉系统进行硅片预对准，使用预对准镜头把硅片的边缘成像到CCD上，硅片旋转一周，即可获得硅片所有的边缘位置，通过计算、拟合最终得到硅片的圆心和方向。一般的机器视觉系统在处理大尺寸、大翘曲硅片的能力不足，具体表现为：

1.大翘曲硅片在上片后就超出了预对准镜头的景深，导致无法进行预对准；

2.大翘曲硅片在旋转定心过程中边缘垂向振动加大，以至于硅片边缘图像模糊，预对准精度降低，甚至不能完成预对准过程。

目前，解决此类问题的方法主要集中在增加预对准镜头的景深，根据镜头景深公式：

即增大系统的波长和减小镜头的数值孔径。这种解决方案有如下缺点：

1.成像系统的波长向红光、甚至向近红外光方向偏移，CCD感光灵敏度不断下降；

2.成像镜头减小数值孔径，使得进入镜头的能量变低，光阑孔径变小，加工难度增加。

也就是说一般的机器视觉预对准系统镜头景深过小（相对于大翘曲硅片），增大景深方案实施代价较大；在进行硅片预对准过程中无实时补偿系统无法根据硅片的翘曲量进行调整。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足和需要，提出了一种能提高预对准精度的大翘曲硅片预对准装置及方法。

为了实现上述目的，本发明提出一种大翘曲硅片预对准装置，用于测量硅片的圆心和方向，包括：旋转台，用于吸附硅片并带动硅片进行旋转；照明光源，用于照明硅片边缘；预对准成像镜头，用于采样硅片边缘图像，所述预对准成像镜头为物方远心或双远心镜头，且包括成像传感器，所述硅片边缘被照明后被所述预对准成像镜头成像于所述成像传感器上；控制器，用于控制旋转台、照明光源和预对准成像镜头，以及对采样到的硅片边缘图像进行分析拟合，从而得到所述硅片的圆心和方向；所述预对准成像镜头还包括最佳物面补偿系统，所述最佳物面补偿系统用于在所述采样前确定最佳物面，并在所述采样时对物距进行实时补偿，从而使所述硅片的各个边缘位置均能够清晰成像。

可选的，所述预对准成像镜头的照明方式为同轴照明、离轴照明或底部投射式照明。

可选的，所述最佳物面补偿系统为电光晶体或后焦面补偿透镜。

可选的，所述成像传感器为电荷耦合器件CCD。

可选的，所述成像传感器与所述硅片边缘呈一定的倾斜夹角，使得所述预对准成像镜头的景深增加。

可选的，所述倾斜夹角可调节，从而调节所述预对准成像镜头的景深。

为了实现上述目的，本发明还提出一种使用权利要求1所述的大翘曲硅片预对准装置的预对准方法，用于测量硅片的圆心和方向，包括以下步骤：硅片传送到旋转台上，旋转台吸附硅片；控制器打开照明光源，硅片边缘被照明后被预对准成像镜头成像于成像传感器上；预对准成像镜头对硅片边缘图像进行预采样并导入控制器进行像质分析，最佳物面补偿系统确定最佳物面；旋转台旋转，预对准成像镜头采样硅片边缘图像并导入控制器进行像质分析，最佳物面补偿系统对物距进行实时补偿；控制器对采样到的硅片边缘图像进行分析拟合，从而得到硅片的圆心和方向。

可选的，所述预对准成像镜头的照明方式为同轴照明、离轴照明或底部投射式照明。

可选的，所述最佳物面补偿系统为电光晶体或后焦面补偿透镜。

可选的，所述成像传感器为电荷耦合器件CCD。

可选的，所述成像传感器与所述硅片边缘呈一定的倾斜夹角，使得所述预对准成像镜头的景深增加。

可选的，所述倾斜夹角可调节，从而调节所述预对准成像镜头的景深。

可选的，所述倾斜夹角可在预对准装置集成时根据景深范围手动调整，也可在预对准时闭环粗调。

本发明大翘曲硅片预对准装置及方法的有益技术效果为：本发明与现有技术相比，在同等的波长、物方数值孔径条件下，预对准镜头的景深显著增大，使得预对准镜头的能量需求、加工特性、性能均达到最优；本发明的预对准成像镜头可由CCD倾斜角度来控制镜头景深的改变程度，作为一种粗调手段，增加了系统的方便性和适应性；本发明中的预对准成像镜头具有最佳物面搜寻和物距实时反馈补偿功能，对于大翘曲硅片旋转中较大的振动而引起的物距变化等情况均能够实时处理，硅片边缘图像清晰，对准精度高。

附图说明

图1为本发明大翘曲硅片预对准装置及方法的第一实施例结构示意图。

图2为本发明大翘曲硅片预对准装置及方法的镜头景深原理图。

图3为本发明大翘曲硅片预对准装置及方法的第二实施例结构示意图。

图4为本发明大翘曲硅片预对准装置及方法的流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明作进一步的详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

由于大翘曲硅片边缘变形量较大，且当硅片尺寸增大后，旋转硅片的边缘振动很大，引起硅片边缘图像质量恶化，预对准精度下降或无法完成。本发明提出了一种用于光刻机的硅片预对准的装置及方法，目的在于解决大翘曲硅片定心和定向的问题。

图1是本发明大翘曲硅片预对准装置第一实施例的组成图，本装置由旋转台2、预对准镜头14、控制器3三部分组成。

旋转台2用于吸附硅片1并带动硅片1进行旋转运动；

预对准成像镜头14为物方远心或双远心镜头，此处远心的定义为：各视场的主光线与镜头主平面垂直，同时与硅片的振动方向一致。远心镜头能够减少测量物体垂向放置偏移所引起的测量误差，还可以在硅片垂向运动时保证位置测量精度不受影响。非远心镜头但满足像面倾斜条件的预对准装置也在此约束范围内。

预对准成像镜头14需使用景深大的一方工作，且镜头安装垂向位置位于最佳物面上。预对准成像镜头14在使用之前需进行标定，去除镜头本身的畸变、放大倍率所引起的测量误差。预对准成像镜头14为同轴照明镜头，可为柯勒照明或一般同轴照明，照明面与硅片面重合。成像镜头的照明方式不限于此类照明，还可为离轴照明或底部照明。本实施例中，光源4和成像镜头前组6、成像镜头后组8位于硅片的同侧。预对准成像镜头14包括成像传感器10，硅片边缘被照明后被预对准成像镜头成像于成像传感器10上。

预对准成像镜头大景深原理图见图2，其中成像镜头景深L₁和L₂的值可由下式得出：

$L_1=\frac{\left[\mathrm{gJ}\sin (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\α})\right]/\mathrm{fA}}{1+\frac{\mathrm{gJ}\sin (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\α})\cos (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\α})}{f^2}}Z$

$L_2=\frac{\left[\mathrm{gJ}\sin (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\α})\right]/\mathrm{fA}}{1-\frac{\mathrm{gJ}\sin (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\α})\cos (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\α})}{f^2}}Z$

在硅片的垂直振动方向，成像镜头的物方清晰成像深度与L₁、L₂和α成三角函数关系：

L′₁=sinα/L₁

L′₂=sinα/L₂

由景深公式可知，对于一定景深要求的翘曲硅片，可选择适当的成像传感器10与硅片边缘呈一定的倾斜夹角来控制景深的变化。

本实施例当中的成像传感器10为CCD，CCD10呈一定的夹角α安装且可调，通过调节所述CCD10的倾斜角度α从而调节预对准成像镜头的景深。倾斜夹角α可在系统集成时根据景深范围进行手动调整，也可在预对准系统在工作中作为闭环粗调，并不限制于手动调整。

预对准成像镜头内部设置具有最佳物面搜寻和物距实时反馈补偿功能的最佳物面补偿系统9。在硅片旋转前的预采样时，最佳物面补偿系统9通过图像处理结果来判断硅片边缘是否处于预对准镜头最佳物面位置。在硅片旋转后的采样过程中，最佳物面补偿系统9还根据图像处理结果对物距进行实时补偿，改变成像镜头的最佳物面，保证大翘曲硅片1的各个边缘位置均能够清晰成像。最佳物面补偿系统9与控制器3中的图像处理系统之间形成闭环的反馈系统，本实施例中，最佳物面补偿系统9为电光晶体。

镜头成像过程为照明光源4通过照明透镜5、分束棱镜11反射面、成像镜头前组6把光导向被照明面，物面被有效照明后经成像镜头前组6、分束棱镜11、成像镜头后组8及电光晶体9成像在CCD10靶面上。

所述控制器3，为控制照明光源、控制旋转台旋转和吸附、控制进行物面扫描和实时的物距补偿、控制预对准镜头进行图像采集和处理、最终输出硅片的圆心和方向等信息的组件。

图3是本发明大翘曲硅片预对准装置第二实施例的组成图，本实施例中，光源4和成像镜头前组6、成像镜头后组8分别位于硅片的两侧，该实施例的照明方式为底部照明，最佳物面补偿系统9由电光晶体改变为由马达驱动的后焦面补偿透镜。

镜头成像过程为光源4通过照明透镜5对硅片1边缘进行照明，硅片1边缘图像由成像镜头前组6、成像镜头后组8和后焦面补偿透镜9成像在CCD10上。其余最佳物面搜寻、物距实时补偿功能以及预对准流程等内容与第一实施例类同。

图4为本发明大翘曲硅片预对准装置及方法的流程示意图，硅片传输装置把硅片1从硅片槽中取出放置在旋转台2上，控制器3控制旋转台2吸附硅片1，控制器3通过远程接口控制光源4点亮，成像镜头14对硅片边缘进行预采样并导入控制器3进行像质分析，同时电光晶体9加压对成像镜头的物面进行扫描，确定最佳物面后停止，旋转台2开始运动，成像镜头14对硅片边缘图像采集，发送到控制器3分析像质并储存，在此过程中最佳物面补偿系统9根据硅片边缘高度对物距进行实时补偿，当旋转台2带动硅片1旋转一圈或几圈（圈数依测量精度和算法要求来调整）后停止，控制器3内部软件开始图像处理流程，提取硅片边缘，利用拟合算法拟合出硅片的圆心，拟合出硅片缺口的位置，找出缺口的方向，最终把硅片1的圆心和方向数据输出给上位机进行补偿等动作，至此完成硅片预对准功能。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所述技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种大翘曲硅片预对准装置，用于测量硅片的圆心和方向，包括：

旋转台，用于吸附硅片并带动硅片进行旋转；

照明光源，用于照明硅片边缘；

预对准成像镜头，用于采样硅片边缘图像，所述预对准成像镜头为物方远心或双远心镜头，且包括成像传感器，所述硅片边缘被照明后被所述预对准成像镜头成像于所述成像传感器上；

控制器，用于控制旋转台、照明光源和预对准成像镜头，以及对采样到的硅片边缘图像进行分析拟合，从而得到所述硅片的圆心和方向；

其特征在于：

所述预对准成像镜头还包括最佳物面补偿系统，所述最佳物面补偿系统用于在所述采样前确定最佳物面，并在所述采样时对物距进行实时补偿，从而使所述硅片的各个边缘位置均能够清晰成像。

2.根据权利要求1所述的大翘曲硅片预对准装置，其特征在于：所述预对准成像镜头的照明方式为同轴照明、离轴照明或底部投射式照明。

3.根据权利要求1所述的大翘曲硅片预对准装置，其特征在于：所述最佳物面补偿系统为电光晶体或后焦面补偿透镜。

4.根据权利要求1所述的大翘曲硅片预对准装置，其特征在于：所述成像传感器为电荷耦合器件CCD。

5.根据权利要求1-4任一项所述的大翘曲硅片预对准装置，其特征在于：所述成像传感器与所述硅片边缘呈一定的倾斜夹角，使得所述预对准成像镜头的景深增加。

6.根据权利要求5所述的大翘曲硅片预对准装置，其特征在于：所述倾斜夹角可调节，从而调节所述预对准成像镜头的景深。

7.一种使用权利要求1所述的大翘曲硅片预对准装置的预对准方法，用于测量硅片的圆心和方向，包括以下步骤：

硅片传送到旋转台上，旋转台吸附硅片；

控制器打开照明光源，硅片边缘被照明后被预对准成像镜头成像于成像传感器上；

预对准成像镜头对硅片边缘图像进行预采样并导入控制器进行像质分析，最佳物面补偿系统确定最佳物面；

旋转台旋转，预对准成像镜头采样硅片边缘图像并导入控制器进行像质分析，最佳物面补偿系统对物距进行实时补偿；

控制器对采样到的硅片边缘图像进行分析拟合，从而得到硅片的圆心和方向。

8.根据权利要求7所述的预对准方法，其特征在于：所述预对准成像镜头的照明方式为同轴照明、离轴照明或底部投射式照明。

9.根据权利要求7所述的预对准方法，其特征在于：所述最佳物面补偿系统为电光晶体或后焦面补偿透镜。

10.根据权利要求7所述的预对准方法，其特征在于：所述成像传感器为电荷耦合器件CCD。

11.根据权利要求7-10任一项所述的预对准方法，其特征在于：所述成像传感器与所述硅片边缘呈一定的倾斜夹角，使得所述预对准成像镜头的景深增加。

12.根据权利要求11所述的预对准方法，其特征在于：所述倾斜夹角可调节，从而调节所述预对准成像镜头的景深。

13.根据权利要求12所述的预对准方法，其特征在于：所述倾斜夹角可在预对准装置集成时根据景深范围手动调整，也可在预对准时闭环粗调。

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