CN104677270B - 一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置，其特征在于，包括：宽带光源，用于提供宽光谱探测光束；硅片对准系统，用于根据该对准光束，建立该硅片与掩模之间的坐标系对应关系；光纤，该光纤上包括布拉格光栅，该光纤的入射端用于接收该宽光谱探测光束；光谱仪，位于该光纤的另一端，用于探测经该布拉格光栅滤波后的宽光谱探测光束；该硅片对准补偿装置根据该光谱仪的探测数据，补偿该硅片对准系统的测量位置误差。

Description

一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置及方法。

背景技术

在传统的半导体成套工艺制程中，为了使硅片与曝光光束定位精度准确，需要用到硅片对准功能测量硅片的平移量，该功能主要通过机器视觉系统来实现。现有技术中采用的技术方案是通过机器视觉系统、硅片、工件台零位、工件台的笛卡儿坐标系，建立起不同坐标系之间的关系，以最终确认硅片与工件台的位置关系。该机器视觉系统、硅片、工件台零位、工件台的笛卡儿坐标系参见图2。

现有技术中存在的技术问题为：第一、各坐标系原点与实际物理部件相关，当对准CCD及其安装框架因未知环境参数的变化或应力因素导致出现测量位置误差时，无法进行自我补偿，各坐标系关系须重新标定；第二、无法实时监测，出现位置误差后必须人为介入完成测校；第三、使用机械组件作为基准，容易受到周围温度、应力等变化的影响，而带进误差。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置及方法。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置，其特征在于，包括：宽带光源，用于提供宽光谱探测光束；硅片对准系统，用于根据该对准光束，建立该硅片与掩模之间的坐标系对应关系；光纤，该光纤上包括布拉格光栅，该光纤的入射端用于接收该宽光谱探测光束；光谱仪，位于该光纤的另一端，用于探测经该布拉格光栅滤波后的宽光谱探测光束；该硅片对准补偿装置根据该光谱仪的探测数据，补偿该硅片对准系统的测量位置误差。

更进一步地，该硅片对准系统包括：工件台及支撑该工件台的基座，用于对准的CCD，以及物镜。所述含布拉格光栅的光纤铺设于所述用于对准的CCD上。该含布拉格光栅的光纤位于平行于该CCD坐标系轴的方向。该含布拉格光栅的光纤位于该工件台的零位传感器安装位置处。该光纤每间隔一定距离刻蚀一组布拉格光栅，该一组布拉格光栅包含两个布拉格光栅。

本发明同时公开一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿方法，包括：采集布拉格光栅的反射波长；将该反射波长与系统标定值进行比较，根据该比较结果计算应变矢量和，以确定硅片对准系统的漂移方向、大小；根据该漂移方向、大小补偿该硅片对准系统的坐标系位置。

与现有技术相比较，本发明提出的测量方法可实时的对对准CCD及工件台零位传感器的实际物理安装位置的改变进行测量，并通过算法补偿，将整个过程形成闭环控制，无须人为介入，同时使用宽带光源作为一个基准，去除了机械组件作为基准时，可能受到的装配、环境、应力等问题影响而产生的误差，进一步提高硅片对准精度及可靠性。

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是本发明所涉及的硅片对准补偿装置的结构示意图;

图2是本发明所涉及的硅片对准坐标系的示意图;

图3是布拉格光栅沿笛卡儿坐标系基向量方向的示意图;

图4是布拉格光栅对各基向量方向上的应变求矢量和的示意图;

图5是本发明所涉及的布拉格光栅的结构示意图;

图6是本发明所涉及的硅片对准补偿方法的流程图。

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。

本发明所提供的方案，可实时测量对准CCD及其安装框架因未知环境参数的变化或应力因素产生的应变，通过计算得到其出现误差后对应机器视觉坐标系基于原坐标系的偏移量，并进行补偿，从而将整个硅片对准系统形成闭环，降低未知因素对硅片对准系统的影响，还可将整套坐标系基准脱离出工件台零位坐标系，提高控制精度。

本发明用于机器视觉系统的坐标系位置补偿，一般设置在对准CCD与工件台零位传感器等机械组件的安装位置上，如图1所示。图1是本发明所涉及的硅片对准补偿装置的结构示意图。

本发明所提供的硅片对准补偿装置包括：工件台基座1，工件台2，硅片3，对准CCD4（即机器视觉系统），框架5，宽带光源6，物镜7，光纤8，布拉格光栅9以及光谱仪10。

其中工件台基座1，工件台2，硅片3，对准CCD4，框架5以及物镜7组成了一个基本的光刻工艺硅片对准结构，其中对应了4个坐标系：工件台坐标系（WSCS）203、工件台零位坐标系（WZCS）204、硅片坐标系（WCS）201、机器视觉坐标系（MVCS）202，通过这4个坐标系的转换（参考图2，其具体转换模型不在本发明中讨论），便可最终得到对准CCD几何中心在工件台零位坐标系下的位置。

布拉格光栅9的特点在于，具有良好的波长选择特性，将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下，光纤的光折射率会根据其被照射的光波强度而改变。将特定中心波长的光反射。图5是本发明所涉及的布拉格光栅的结构示意图。当在光纤上施加一个轴向应变，将会引起光栅栅距的改变，从而改变其有效折射率，最终导致反射波长的变化，同样，温度引起的热膨胀也会导致反射波长改变。

利用这一特点，通过在适当的位置铺设刻蚀有布拉格光栅9的光纤8，读取光谱仪10读数前后的变化，通过计算便可以得到该点位置由于应变或温度漂移而导致的测量位置误差，将该误差补偿入原先的坐标系关系中即可得到机器视觉系统在发生漂移后的位置。

本发明在对准CCD4的安装位置上以平行于所属坐标系轴的方向铺设光纤8。利用点胶或其他固定方式，将光纤8铺设在对准CCD安装法兰处。在光纤8中每间隔一定距离即刻蚀有一组（2个）布拉格光栅9，确保每组的布拉格光栅的中心波长不相等，并且刻蚀有布拉格光栅9的光纤8与对准CCD4安装表面紧密贴合。按以上方式，在工件台2的零位传感器安装位置也铺设刻蚀有布拉格光栅9的光纤8，宽带光源6接入每根光纤8中。光纤8的出端接入光谱仪10中，用以检测经过布拉格光栅9滤波后的宽光谱，并以此计算每个布拉格光栅9所对应的位置由于温度与所受的应力而引起的应变量，以初次标定的反射波长为基准，进行硅片位置补偿。

布拉格光栅（以下简称FBG）的折射率沿光纤轴向周期性分布，具有良好的波长选择特性，其反射中心波长 与光纤光栅的折射率调制周期∧和光纤有效折射率n_eff相关，当作用于布拉格光纤光栅的应变或温度变化时，都会使其反射中心波长发生偏移。

反射中心波长由布拉格方程给出：

（1）

由于反射中心波长与作用在其上的应变和温度有关，为求得所需的应变量，需要将温度与应变进行解耦。

（1）式对温度求导：

（2）

将（2）式除以（1）式，得到：

（3）

其中是光纤光栅的热光系数，以参数表示，为光纤光栅的热膨胀系数，以参数表示，则当环境温度发生的变化时，对应的FBG反射中心波长漂移量，可以表示为：

（4）

同理，当FBG受到轴向应变为时，对应的FBG中心波长漂移量为可以表示为：

（5）

为光纤光栅的有效弹光系数，其值为；

由于共振波长漂移与温度和应变分别呈线性关系：

（6）

当为已知量时，即可通过（4）、（5）、（6）式得到其应变量。

如不便测量，可利用双波长叠加FBG法进行这一解耦过程，但对应变和温度的解耦不仅限于此方法。

在较小的范围内刻蚀两个反射中心波长分别为和的FBG传感点。由于两个FBG距离非常近所以他们所受到的温度与应力是一致的，通过分别代入（4）、（5）、（6）式便可得到两个FBG关于所受到的温度变化与应变的二元一次方程组：

（7）

其中A与B分别为常量：

由于、可通过光谱仪10得到，A、B为常量，解出（7）式即可得到FGB的温度变化与应变。

FBG沿笛卡儿坐标系基向量方向铺设，如图3中所示。对各基向量方向上的应变求矢量和，所得即为实际位移位置，参考图4：

矢量和： （8）

大小： （9）

方向： （10）

根据（8）、（9）、（10）式便可得到对准CCD的漂移位置。

假设对准CCD在初次标定时的几何中心在工件台零位坐标系下的位置为S，对准CCD位置漂移为A，工件台零位位置漂移为B，则补偿后的位置S’为：

(11)

本发明所提供的硅片对准补偿方法如图6所示。该硅片对准补偿方法包括：S601对准补偿流程开启；S602 采集FBG的反射波长；S603将FBG的反射波长与系统标定比较，根据比较的结果，如果比较无偏差或偏差在可接受的范围内，则退出，如果偏差超过可接受的范围，进入S604计算应变量；S605计算应变矢量和，确定漂移方向、大小；S606对坐标系位置进行补偿。

此方案所使用的刻蚀有布拉格光栅9的光纤8参数选用市场常见的规格即可，例如：

1)透过波长范围：500~1100nm；

2)数值孔径（NA）：0.37；

3)光纤纤芯直径（core diameter）：200um；

4)包层直径（cladding diameter）：230um；

5)带宽（bandwidth）20 MHz/km；

注：可使用但不仅限于以上参数规格。

与现有技术相比较，本发明提出的测量方法可实时的对对准CCD及工件台零位传感器的实际物理安装位置的改变进行测量，并通过算法补偿，将整个过程形成闭环控制，无须人为介入，同时使用宽带光源作为一个基准，去除了机械组件作为基准时，可能受到的装配、环境、应力等问题影响而产生的误差，进一步提高硅片对准精度及可靠性。

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 (3)

1.一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置，其特征在于，包括：

宽带光源，用于提供宽光谱探测光束；

硅片对准系统，用于根据所述对准光束，建立所述硅片与掩模之间的坐标系对应关系；

光纤，所述光纤上包括布拉格光栅，所述光纤的入射端用于接收所述宽光谱探测光束；

光谱仪，位于所述光纤的另一端，用于探测经所述布拉格光栅滤波后的宽光谱探测光束；

所述硅片对准补偿装置根据所述光谱仪的探测数据，补偿所述硅片对准系统的测量位置误差；

所述硅片对准系统包括：工件台及支撑所述工件台的基座，用于对准的CCD，以及物镜，所述含布拉格光栅的光纤以平行于所述CCD所属坐标系轴的方向铺设在所述CCD的安装位置上，所述含布拉格光栅的光纤还位于所述工件台的零位传感器安装位置处，读取所述光谱仪读数前后的变化，通过计算得到所述含布拉格光栅的光纤铺设位置由于应变或温度漂移而导致的测量位置误差，将该误差补偿入所述CCD所属坐标系的坐标系关系中即可得到所述CCD在发生漂移后的位置。

2.如权利要求1所述的基于布拉格光栅的硅片对准补偿装置，其特征在于，所述光纤每间隔一定距离刻蚀一组布拉格光栅，所述一组布拉格光栅包含两个布拉格光栅。

3.一种基于布拉格光栅的硅片对准补偿方法，其特征在于，包括：将含布拉格光栅的光纤以平行于对准系统中CCD所属坐标系轴的方向铺设在所述CCD的安装位置上，还将所述含布拉格光栅的光纤铺设在所述对准系统中工件台的零位传感器的安装位置处；分别采集布拉格光栅的反射波长；将所述反射波长与系统标定值进行比较，根据所述比较结果计算应变矢量和，所得即为所述CCD和所述工件台的零位传感器的实际位移位置，以确定硅片对准系统的漂移方向、大小；根据所述漂移方向、大小补偿所述硅片对准系统的坐标系位置。