CN104364892B - 用于确定对准误差的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定存在于衬底(5)上或已施加至该衬底(5)的结构(6)的对准误差的装置，该装置具有以下特征：衬底固持器(2)，其用于容纳具有该结构(6)的衬底(5)，及检测构件，其用于通过在第一坐标系中移动该衬底(5)或该检测构件而检测该衬底(5)上的第一标记(7)和/或结构(6)上的第二标记（11、11')的X‑Y位置，其特征在于在独立于该第一坐标系的第二坐标系中给出结构(6)的X'‑Y'结构位置，可通过该装置确定X'‑Y'结构位置与第一标记(7)和/或第二标记(11、11')的X‑Y位置的各自距离。

Description

用于确定对准误差的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于确定存在于衬底上或已施加至该衬底的结构的对准误差和/或歪曲的装置及对应方法。
背景技术
在下文中，结构理解为通过各种化学和/或物理过程直接在晶圆上产生或在外部产生且通过任何对准过程或放置过程与该晶圆连接的所有类型的组件。
直接在晶圆上产生的结构的示例为气相沉积导体路径、在晶圆上以平版印刷技术产生的IC，例如CMOS或TTL逻辑、传感器、蚀刻结构、MEMS等等。
另一方面，还可通过装配过程为晶圆装配组件，因此可扩展该晶圆。这样装配过程的最常见实例为在芯片至晶圆过程中通过拾取及放置装置施加芯片。这个组件表示该晶圆的基础结构的3D扩展。该术语也涵盖这些组件。
所有上文提及的结构可具有与理想状态的偏差。例如，导体路径可具有归因于屏蔽的缺陷的轻微歪曲。此外，可设想出，导电路径已确实正确地在晶圆上产生，但在后续接合过程中，将如此高的压力施加至该晶圆使得其表面且因此该导电路径也被歪曲。此外，由于其它技术-物理和/或化学影响(例如，通过热应力、热冲击、固有应力等等），可出现该表面的歪曲。类似考虑适用于已直接施加至晶圆的所有结构。
在通过装配过程施加至晶圆表面的结构中，该结构的定位和/或对准可为有缺陷的。在此情形中，歪曲被理解为主要由扭转及剪切引起的所施加的结构本身的歪曲。
由于结合不断进步的微型化而变得越来越重要的3D技术，接合过程(尤其是芯片至晶圆方法）中的对准变得日益重要。此主要在对于定位在晶圆上的所有位置而言需要小于2微米的对准精度的应用中具有重要性。对于小于1微米，尤其小于0.5微米或小于0.25微米的所要精度而言，对准技术的精度的重要性及要求仍在大幅增加。
归因于结构变得越来越小但同时晶圆变得越来越大的事实，彼此对准良好的结构可在对准标记的附近存在，而在该晶圆的其它位置处，该结构未被正确或至少未被最佳地放置。
由于此原因，附加地使用计量学工具检查对准精度。EP 2299472展示一种方法，借助于该方法可测量晶圆的整个表面以获取关于各晶圆的表面上的结构的位置的信息。
此处提及的结构可通过高压、热应力、固有应力、热冲击等等完全相同地变形。
发明内容
本发明的目的为开发这种装置或这种方法，使得以实现对于对准精度和/或歪曲的更有效且更准确的检查。
以下文所述的方案达成此目的。在下文中也给出本发明的有利扩展方案。在本申请中给出的至少两个特征的所有组合也落在本发明的范畴内。在给定值的范围内，在所指示的限制内的值也将作为边界值公开且将以任何组合要求保护。根据本发明的用于确定存在于衬底上或施加至所述衬底的结构的对准误差，以便检查所述结构的对准精度和/或歪曲的方法，所述方法包括以下步骤：将所述衬底固定在衬底固持器上；将所述衬底固持器容纳在接纳设备中；以平移形式和/或以旋转形式移动所述接纳设备，并由此相对于在第一X-Y坐标系中的至少一个固定安装的光学器件来定位所述衬底；借助于所述至少一个光学器件检测所述结构上的第二标记的X-Y位置，其中在独立于所述第一X-Y坐标系的第二X-Y坐标系中，给出所述结构的理想X'-Y'结构位置，以及确定从所述理想X'-Y'结构位置到所检测的所述结构上的第二标记的X-Y位置的各自距离，并由此确定在所述第二标记的所检测的X-Y位置与所述结构的所述理想X'-Y'结构位置之间的偏移矢量。
根据本发明，存在两个坐标系，即，X-Y坐标系(也称为第一坐标系)及X'-Y'坐标系(也称为第二坐标系）。
该第一坐标系容许接纳单元及因此衬底固持器(其具有加载至其的晶圆）的平移和/或旋转运动及相对于已以固定方式安装的至少一个(优选地若干个)光学器件的定位。该光学器件优选地也可以平移及旋转形式移动，然而优选地仅用于针对相对于第一坐标系校准光轴或光学器件。相对地，在确定对准误差期间也可固定具有衬底固持器的接纳单元且该光学器件可移动。在此情形中，在开始，将把该衬底固持器或衬底的位置固定为该第一坐标系的原点。
该第一坐标系的该原点优选地落在检测构件(尤其是光学器件之一)的光轴中。
该第二坐标系为在计算机中定义且参考其来定义结构位置场的坐标系。
在此本发明基于将存在于衬底上的结构的实际X-Y位置(在第一坐标系中检测到)(尤其还有其等在X-Y平面中的实际对准)与已在计算机中产生的结构位置场的理想X'-Y'结构位置进行比较的概念，该理想X'-Y'结构位置存储在第二坐标系中。该结构位置场优选地相对于第二坐标系定义，该第二坐标系以固定方式与对准单元及样本固持器连接。
根据本发明，相对于第二坐标系通过对准标记(衬底上的标记)定位衬底(晶圆），优选地通过平移和/或旋转运动进行。接着，在理想情形中，该结构位置场与存在于晶圆上的结构的X-Y位置一致。备选地，发生与该第二坐标系的软件相关使得该两个坐标系之一变换是可能的。
归因于借助衬底的对准标记(若干标记)将该衬底与该第二坐标系对准，不仅由检测构件进行的移动/分配/检测及其相对于衬底固持器或该衬底的移动的误差被最小化(若不是甚至被排除）而且实现明显更有效且更快速的检测。
衬底尤其是晶圆且如根据本发明的结构尤其为施加至晶圆的芯片（尤其以若干层的形式(所谓的3DIC芯片））或通过未详细提及的不同过程直接在晶圆上产生的结构。由于分配给第二坐标系的X-Y结构位置的独立性，本发明尤其适于施加若干层芯片（或通过未详细提及的不同过程直接施加在晶圆上的多层结构），这是因为已通过根据本发明的措施避免误差传播或误差倍增。
基于外部坐标系(第二坐标系)(分配给机器/装置）中的检测，根据本发明的方法也适于确定(例如）由例如在晶圆接合中引致的应力（压力）引起的衬底上的X-Y结构的歪曲。尤其当仅一个待接合的衬底已结构化时，则也尤其可使用该方法。例如，此为在产生后侧曝光的图像传感器时的情形。
该两个坐标系尤其为笛卡尔坐标系，其各自通过在该坐标系的原点处交叉的X矢量(X方向)及Y矢量(Y方向）而确定。
根据本发明的装置具有检测构件，尤其是光学器件，优选地多个光学器件，优选地至少一个显微镜和/或激光器和/或相机。该检测构件可旋转移动三个自由度且平移移动三个自由度以容许校准（当然，优选地可在根据本发明的方法步骤期间固定和/或可固定该检测构件）。根据本发明，该晶圆与该光学器件的相对运动通过接纳单元相对于第一坐标系的主动移动而发生。
根据本发明，可优选地通过分配至各结构的X-Y结构位置与第二标记的X-Y位置的数字化叠加(尤其优选地通过结构的数字图像检测），来确定第一和/或第二标记在第二坐标系中的X方向和/或Y方向上的X-Y位置与给定X-Y结构位置的距离。
第一标记(尤其所谓的对准标记)尤其用于已固定在衬底固持器上的衬底的粗略和/或精细对准，和/或用于该衬底在第一坐标系中的位置与第二坐标系在X及Y方向(优选地此外在旋转方向上)上的相关。根据优选的实施，仅更精细解析的第二标记用于确定第二坐标系的原点使得其可更精确地得到确定。
根据本发明的有利实施方式，规定检测构件包含至少一个光学器件，该光学器件可在第一坐标系中固定且可尤其至少在第一坐标系中的X及Y方向上移动(优选地由控制设备控制)以尤其用于设定该第一坐标系的原点。该检测构件可尤其包含单一显微镜或优选地可彼此独立触发控制的多个显微镜。
此外，尤其有利的是，若根据另一有利实施方式，规定该光学器件尤其通过在垂直于X及Y方向的Z方向上聚焦和/或移动而具有检测区域，使用该检测区域每次可同时检测至少一个结构，优选地同时检测少于17个结构，甚至更优选地同时检测小于5个结构，理想地同时检测正好一个结构。
在本发明的改进方案中，规定对准构件(尤其以容纳衬底固持器且可至少在第一坐标系的X及Y方向上移动的接纳设备的形式)希望用于尤其通过以检测构件检测衬底上的第一标记而相对于第二坐标系对准固定在衬底固持器上的衬底。
只要X-Y位置和/或X-Y结构位置可尤其共同地存储在位置地图(其可尤其分配给第二坐标系或与该第二坐标系相关)，特别迅速且有效的结构评估系可能的，使得在任何时刻(尤其当多个结构堆叠在彼此上时），可确定有缺陷的结构对准且可开始对应对策(诸如例如再次对准或标记为碎片）。
此外，本发明的重要方面为，在优选实施方式中，根据本发明的装置(或测量装置)作为独立模块而与对准装置分开设置。
根据该装置公开的特征以及方法特征应被视为公开为独立或组合发明且反之亦然。
只要根据本发明的方法或根据本发明的装置用于BSI CIS(背侧照明接触图像传感器)，在用于平版印刷的曝光场(尤其具有26x32 mm的最大尺寸）中确定歪曲是重要的。偏移的数量级尤其小于250纳米，优选地小于100纳米，又更优选地小于70纳米，甚至更优选地小于50纳米。
此处，根据本发明的替代方案或改进方案，可设想出通过内插法或其他合适变换方法考虑邻近于歪曲的检测区域(其参考分别检测的检测区域（视场）)的检测精度。
附图说明
根据优选示例性实施例的以下描述且使用附图，本发明的其它优点、特征及细节将变得明显。
图1a展示根据本发明的装置的示意性横截面图。
图1b展示根据图la的装置的示意性平面图，
图2a展示具有尚未被粗略调整的加载晶圆的根据本发明的装置的示意性横截面图，
图2b展示根据图2a的装置的示意性平面图，
图3a展示具有已粗略调整的加载晶圆的根据本发明的装置的示意性横截面图，
图3b展示根据如3a的装置的示意性平面图，
图4a展示具有第一对准标记上的光学器件位置的根据本发明的装置的示意性横截面图，
图4b展示根据图4a的装置的示意性平面图，
图5a展示具有第二对准标记上的光学器件位置的根据本发明的装置的示意性横截面图，
图5b展示根据图5a的装置的示意性平面图，
图6展示具有结构的衬底的平面图，
图7展示根据本发明的X-Y结构位置的示意图，
图8展示具有完美对准且接触的结构的衬底的放大，以及
图9展示具有不完美对准且接触的结构的衬底的放大。
在附图中相同附图标记识别相同组件及/特征及具有相同作用的组件/特征。
具体实施方式
所示出的本发明的实施例的图la及图lb中展示可在X及Y方向（第一坐标系)上尤其以平移形式移动的接纳设备1，优选地此外在Z方向上(垂直于X及Y方向）(尤其以平移形式）进行。此外，有利的是，若可旋转接纳设备1，尤其围绕衬底固持器2的接纳区域的面距心或中心处的旋转轴R旋转。衬底固持器2可固定在接纳设备1上。
在所绘示的本发明的实施例的图2a及图2b中，衬底5定位在衬底固持器2上。固定类型优选地通过真空发生，尤其通过尤其由软件支持的装置的控制设备(该设备未展示)来控制。备选地，该固定也可静电地或机械地或通过上文提及的固定技术的组合来实现。在此过程步骤中尚未粗略地调整衬底5；此可通过衬底5在图2b中的错误定位来容易地识别。
该装置进一步包含光学器件3(检测构件），该光学构件3固定在未展示的光学器件接纳器上。
光学器件3用于检测第一标记7(其已施加在衬底5的表面5o上)且用于检测结构6上的第二标记11、11'(其已施加在衬底5上）。可针对可见光、红外光、紫外光或电磁光谱的任何其它波长范围而设计光学器件3。根据本发明，重要的是光学器件3容许第一及第二标记7、11、11'的图案识别，尤其以可数字化的形式。为提高检测的速度和/或效率，根据本发明，可设想出提供若干光学器件3。在此情形中，第一坐标系的坐标原点优选地落在任何光学器件的光轴上。
在第一步骤中，将衬底5定位(图2a、图2b)在接纳设备1的衬底接纳器2上且将该衬底5粗略对准(图3a、图3b)。衬底5的粗略对准尤其经由提供在衬底5的周边5u上的轮廓8(尤其是，凹口（通常称为“notch”）或平坦部（通常称为“flat”）)实现。该粗略对准具有小于1000微米，优选地小于500微米，又更优选地小于100微米，甚至更优选地小于50微米的精度，仍更优选地小于15微米。此处衬底5在围绕旋转轴R的旋转方向上以小于1度，优选地小于0.5度、又更优选地小于0.1度，甚至更优选地小于0.01度的旋转精度对准。粗略对准在此处理解为衬底5的定位，其中光学器件3已在检测区域（视场）中聚焦分布在表面上的第一对准标记7。根据优选实施，仅更精细解析的第二标记11、11'用于确定第二X-Y坐标系的原点及对准，使得其可更精确地得到确定。尤其通过比较且视需要定位X-Y结构或标记与对应的给定(存储)X-Y结构位置来固定第二X-Y坐标系。
若晶圆的表面及因此标记11、11'和/或对准标记7、7'已被歪曲，则根据本发明，可能检测所有可能的标记11、11'和/或对准标记7、7'且通过算法推断出第二坐标系的原点。此等算法为本领域技术人员所知晓的算法。
该粗略对准也可包含楔形缺陷补偿，尤其相对于光学器件3。根据本发明，一方面，这可通过光学器件3的光轴的正交对准或通过获取焦点地图来实现。通过在多个位置处确定光学器件3的焦点设定且接着针对所有其它X-Y位置通过内插法计算出所期望的焦点设定来获得该焦点地图。此导致根据本发明的方法的效率的进一步提高。
根据衬底5上的第一标记7的X-Y位置而知晓第一坐标系的位置，且通过将衬底5固定在衬底固持器2上且固定在接纳设备1上而固定第一坐标系。根据本发明，此处决定不一定针对特别精确的定位精度布设接纳设备1。根据本发明，大于1微米，尤其大于5微米，优选地大于10微米的定位精度系足够的。
在本发明的优选实施例中，可优选地以小于1000纳米(优选地小于100纳米，还更优选地小于10纳米，甚至更优选地小于1纳米）的精确度尤其通过精确测量系统准确地检测接纳设备1的位置。备选地，可移动光学器件3而不是移动且检测接纳设备1，其中在此情形中，优选地设置光学器件3或光学器件接纳器相对于该装置的对应检测。
参考第二坐标系，给出分布在表面5o上的结构6的理想X-Y结构位置(尤其以位置交叉9的形式）该结构位置作为具有边界10(其对应于衬底5的外轮廓)的结构位置地图12(见图3)存储在控制设备中。位置交叉9优选地由线9x(其在X方向上延伸）及线9y(其在Y方向上延伸)构成，该线在理想位置(结构6的中央，见图8)交叉。
可尤其通过控制设备的软件固定且视需要可改变X-Y结构位置，使得使用者可影响结构6在表面5o上的定位。
根据本发明的装置用于确定结构6在衬底5上的对准误差和/或歪曲。通过根据本发明的该装置确定与此理想位置的偏移以能够在过大偏移的情形中采取对应措施(计量学工具）。
为进一步最佳化对准误差的确定，尤其通过两个X-Y坐标系的X轴及Y轴的平行对准而尽可能地使第一坐标系与第二坐标系彼此对准，优选地完全对准(精细对准）。
根据本发明的替代方案，也可设想出准备尤其由软件支持的坐标变换矩阵，而不是精细调整。由于确定两个坐标系相对于彼此的位置的可能性，当然存在该两个坐标系的间的明确的数学关系。此时，可以变换矩阵的形式检测一个坐标系相对于另一个坐标系的平移和/或旋转位置，且自动地容许自每个坐标系的观点的每个位置的控制。这个坐标变换是本领域技术人员所知晓的。
衬底5的粗略对准容许光学器件3迅速找到第一标记7。根据本发明第一标记7的数目为至少两个，优选地至少三个，甚至更优选地至少为四个，又更优选地至少六个，甚至更优选地至少十个。用于对准的标记越多，坐标系彼此之间的对准就变得越精确。
在此根据本发明，平移的自由度的精度(尤其在精细调整中）小于1000纳米，优选地小于100纳米，又更优选地小于10纳米，甚至更优选地小于1纳米。此处，旋转自由度的精度小于0.01度，优选地小于0.001度，又更优选地小于0.0001度。备选地，根据本发明，可测量接纳设备1的位置使得在此情形中可根据本发明而省略此平移移动精度。
因为给出结构6的X-Y结构位置，故可通过X-Y结构位置的精确靠近将结构5o上的各结构6移动至光学器件3的检测区域13中。在检测区域13中，可通过结构6上的第二标记11、11'的X-Y位置来确定X-Y结构位置的偏移，尤其单独地在X方向(dx)及Y方向(dy)上。
图8展示由光学器件3的物镜记录（因此相应地放大）的结构6的放大。可识别尤其芯片的记录结构6的表面6o及边缘6r。第二标记11、11'也作为结构6本身(例如其表面结构或边缘6r的结构）的特征讨论。优选地在各结构6上，至少两个，优选地四个第二标记11、11'尤其分别附接在结构6的相对角上。相对于结构6的位置交叉9的表示为尤其通过软件基于所属结构6的所存储的X-Y位置控制地实现。因此，位置交叉9不物理地施加至该结构且在此不为第二标记11、11'。
因此，所记录的结构6的图像在一定程度上与位置交叉9迭加(尤其与活动目标图像叠加），使得位置交叉9在结构6的数字图像的存储的情况下不强制存在以用于记录及确定第二标记11、11'的位置。类似地，可与数字图像叠加在一起而存储位置交叉9。
图8中展示的结构6理想地定位和/或未歪曲，这是因为位置交叉9正好位于在结构6的中央，其中位置交叉9与布置在相对角中的两个第二标记11、11'的距离是相等的。
在图5中展示的结构6中，可识别两个标记11、11'与位置交叉9的距离以及其在旋转方向上的对准两者与理想位置不同。基于可尤其于软件中固定的边界值，可直接确定结构6是否适于进一步处理或必须被视作废件。
可尤其针对各偏移矢量（矢量V1、V2)或针对其矢量和和/或旋转位置建立此样边界值。
根据本发明，也可在光学器件3移动时固定接纳设备1。本专利说明中提及的所有根据发明的概念类似地适用，这是因为该方法仅取决于接纳设备1与光学器件3之间的相对移动。光学器件3而不是接纳设备1的移动具有以下优点：仅须移动具有相对小的质量的相对小的光学器件。此外，得出根据本发明的设备的更紧凑的实施方式，这是因为不必在仍较大的区域上移动大面积的接纳设备1。此实施方式的缺点为归因于其小质量的对光学器件的振动的高敏感性，此对根据本发明的对准误差和/或歪曲误差的确定产生不利影响。
因此，在过程流程的任何时刻(尤其在衬底的处理之后）可通过本发明检查X-Y位置是否已相对于给定X-Y结构位置和/或在处理步骤之前确定的X-Y位置而显著变化。
因此，根据本发明的方法在所绘示的实施方式中具有以下步骤(尤其以下流程），其中个别步骤可由上文所提及的替代方案代替：
1. 将具有结构6的衬底5加载至该装置中，
2. 粗略定位衬底5，
3. 相对于接纳设备1固定衬底5，
4. 通过接纳设备1的平移和/或旋转移动，根据第一对准标记7和/或标记11、11'精细对准衬底5，
5. 通过移动接纳设备1扫描/追踪所有X-Y结构位置，
6. 通过光学器件3记录每个X-Y结构位置上的尤其数字图像，
7. 确定每个结构6的X-Y位置(尤其每个结构6的第二标记11、11')自X-Y结构位置的偏移，及
8. 输出和/或存储移动数据(尤其以位置地图的形式），该移动数据尤其包括每个结构6的X-Y位置及X-Y结构位置。
附图标记列表
1 接纳设备
2 衬底固持器
3 光学器件
5 衬底
5u 周边
5o 表面
6 结构
6o 表面
6r 边缘
7 第一标记
8 轮廓
9 位置交叉
9x 线
9y 线
10 边界
11、11' 第二标记
12 结构位置地图
13 检测区域
V1、V2 偏移矢量
R 旋转轴
X X方向
Y Y方向
Z Z方向

Claims (11)

1.一种用于确定存在于衬底(5)上或施加至所述衬底(5)的结构(6)的对准误差，以便检查所述结构（6）的对准精度和/或歪曲的方法，所述方法包括以下步骤：
- 将所述衬底（5）固定在衬底固持器（2）上，
- 将所述衬底固持器（2）容纳在接纳设备（1）中，
- 以平移形式和/或以旋转形式移动所述接纳设备（1），并由此相对于在第一X-Y坐标系中的至少一个固定安装的光学器件（3）来定位所述衬底（5），
-借助于所述至少一个光学器件（3）检测所述结构(6)上的第二标记（11、11')的X-Y位置，
其中
在独立于所述第一X-Y坐标系的第二X-Y坐标系中，给出所述结构(6)的理想X'-Y'结构位置（9），以及
确定从所述理想X'-Y'结构位置（9）到所检测的所述结构(6)上的第二标记（11、11')的X-Y位置的各自距离，并由此确定在所述第二标记（11,11'）的所检测的X-Y位置与所述结构（6）的所述理想X'-Y'结构位置（9）之间的偏移矢量（v1，v2）。
2.如权利要求1所述的方法，其中每次同时检测至少一个结构(6)。
3.如权利要求2所述的方法，其中同时检测少于17个结构。
4.如权利要求3所述的方法，其中同时检测少于五个结构。
5.如权利要求4所述的方法，其中同时检测正好一个结构。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述至少一个光学器件（3）借助光学器件接纳器至少在所述第一X-Y坐标系的X及Y方向上移动且接着固定在所述第一X-Y坐标系中以用于检测，所述光学器件接纳器分配给所述第一X-Y坐标系以用于设定所述第一X-Y坐标系的原点。
7.如权利要求1所述的方法，其中固定在所述衬底固持器(2)上的所述衬底(5)相对于所述第二X-Y坐标系的对准通过对准构件进行。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述对准构件是接纳设备，所述接纳设备容纳所述衬底固持器（2）且可至少在所述第一X-Y坐标系的X及Y方向上移动。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中通过使用所述至少一个光学器件（3）检测所述衬底(5)上的第一标记(7)而进行所述衬底(5)相对于所述第二X-Y坐标系的对准。
10.如权利要求1至5和7至8中任一项所述的方法，其中所述X-Y位置和/或所述理想X'-Y'结构位置共同地存储在位置地图中。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述位置地图被分配给所述第二X-Y坐标系或与所述第二X-Y坐标系相关。
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