CN104979257A - 用于无图案硅片测量的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无图案硅片测量的定位方法，包括A.确定硅片的至少三个参考点，并获取相应的参考点的坐标，根据至少三个参考点确定硅片的圆心的坐标与半径的长度；B.根据硅片的定位结构与硅片的圆心与半径，确定硅片的转动角度。本发明实现了系统在测量硅片时，具有良好测量精度，从而提升了系统的测量的重复性。

Description

用于无图案硅片测量的定位方法

技术领域

本发明半导体制造设备领域，尤其是一种能够对硅片进行精确定位的方法。

背景技术

椭圆偏振技术广泛应用于半导体生产行业中，以其无损、高速等特点，成为硅片表面材料特征和光学关键尺寸的测量的主要技术。

随着半导体技术的发展，集成元件的关键尺寸从1μm进步到22nm，相应的对椭偏测量的精确性和重复性要求已经到达量级。对于无图案硅片，它的表面薄膜的厚度的不均匀性远超过量级。因此，即使测量光束在硅片表面定位位置有微小差别，实际测量结果就可能会相对有数量级的变化。最终导致测量的重复性很差。

目前测量无图案硅片，通过对硅片凹口做简单的机械定位后即上片开始测量。而过程中产生的硅片平移和转动误差不做考虑，因此必然会导致每次测量时光束的测量位置偏差过大，测量重复性无法保证的结果。

发明内容

基于以上考虑，如果提出一种具有高测量重复性的硅片测量方法与设备，将是非常有利的。

根据本发明的一方面，一种用于无图案硅片测量的定位方法，其特征在于，包括：A.确定所述硅片的至少三个参考点，并获取相应的所述参考点的坐标，根据所述至少三个参考点确定所述硅片的圆心与半径；B.根据所述硅片的定位结构与所述已经确定的圆心，确定所述硅片的转动角度。

如此，通过确定的参考点便可以拟合出硅片的圆心的坐标与半径的长度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤A中还包括：对所述硅片聚焦，将自所述硅片中心沿半径方向、光强值下降的点作为所述参考点。

根据本发明的一个实施例，所述参考点为三个，并且分别位于所述硅片半径方向0°、120°、240°的边缘上。

如此，可以仅用三个点的坐标确定圆心与半径，降低了计算的复杂度，也有益于实现。

根据本发明的一个实施例，所述步骤A中还包括：在所述硅片的边缘处选取至少三个参考图形，并获取所述参考图形的坐标，将所述参考图形的坐标作为所述参考点的坐标。

根据本发明的一个实施例，在所述硅片的边缘处对所述参考图形进行识别，以获取所述参考图形的坐标，进而确定所述硅片的圆心坐标。

根据本发明的一个实施例，所述参考图形为三个，并且分别位于所述硅片的半径方向0°、120°、240的边缘处。

根据本发明的一个实施例，所述定位结构为所述硅片边缘处的凹口。

根据本发明的一个实施例，选取所述凹口两侧中的至少一侧的弧线段作为待识别图形，并确定所述凹口两侧图案的坐标。

如此，通过凹口两侧图案的坐标(x_L，y_L)、(x_R，y_R)、硅片的半径以及圆心的坐标(x₀，y₀)便可以确定硅片的转动角度。

根据本发明的一个实施例，选取所述凹口两侧中曲率较大的弧线段作为所述待识别图形。

如此，能够保证下次识别时，位置不会偏移，即能够更加精确地确定待识别图形的的坐标。

根据本发明的一个实施例，识别所述凹口两侧与所述硅片边缘相接的点的坐标，并根据所述圆心的坐标确定所述硅片的转动角度。

本发明通过在硅片的边缘处选择相应的参考点，进而确定硅片的圆心与半径，从而得出硅片的平移、转动的程度，实现了系统在测量硅片时，具有良好测量精度，从而提升了系统的测量的重复性。

本发明的各个方面将通过下文的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为依据本发明实施例的硅片平移示意图；

图2为依据本发明实施例的硅片平移和转动示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置(模块)或步骤。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

当对硅片进行测量时，硅片在上片过程中主要有以下两个因素造成测试重复性低的问题：

1、硅片上片的平移，即本次上片硅片圆心在系统坐标系中的坐标数值；

2、硅片上片的转动，即本次上片硅片转过的微小角度θ。

本发明主要对硅片上片的位置这两个方面的微小变化做出精确测量。

首先，对如何确定硅片上片的平移进行阐述，图1为依据本发明实施例的硅片平移的示意图，由图1可知，硅片圆心坐标从参考坐标轴的O点平移到点(X₀，Y₀)，即圆心在X、Y轴上分别产生了ΔX和ΔY的变化，若不考虑硅片的平移，硅片测量的重复性很差。

本发明提出两种方案对硅片的圆心坐标进行修正。

方案一：利用测量装置中的聚焦光学信号确定圆心坐标。

一般地，测量系统中已有的聚焦系统可以为拟合硅片圆心坐标提供可测量参数。具体说，就是聚焦系统记录的反射光强数值是变化的，当硅片在聚焦系统的焦点附近，聚焦系统记录的从硅片表面的反射光很强，除此以外，聚焦系统记录的反射光很弱，以此可以确定硅片的边缘。

也就是说，硅片测量设备中都需要将测量位置聚焦到测量光束下，保证测量光束在硅片上的光斑面积最小。聚焦系统的光学信号一般取光强或者聚焦误差信号。其特点是：硅片处于聚焦位置附近时，当聚焦信号光遇到硅片时，反射光能够进入相应的光谱仪，因此能够读取到较大的光强值；聚焦信号光没有遇到硅片时，从测量底板反射的光线无法进入相应光谱仪，因此光谱仪记录的光强几乎为0。

当承载台承载硅片从硅片中心沿半径方向移动时，光谱仪将记录到光强值曲线的下降沿，该点处的坐标值就是硅片的一个边缘点坐标，譬如坐标点(X1，Y1)。可以理解的是，任何一个半径方向都可以得到硅片的一个边缘点坐标。为了提高测量速度，同时不会显著损失测量精度，本发明规定仅用三个半径方向，0°、120°、240°，获取三个边缘点坐标，即图中的坐标点(X1，Y1)、(X2，Y2)和(X3，Y3)。只要确定至少三个边缘点的坐标，即可确定该圆的圆心坐标，并且计算量小，速度快。本领域技术人员可以理解的是，上述三个半径方向仅仅是一个优选的实施例。

基于上述的边缘点可知，当获取到三个边缘点坐标后，即可拟合出硅片对应的圆心坐标以及硅片半径。一般地，可以用最小二乘法对圆心与半径进行拟合，拟合用的数学方程即为圆方程，该方程如式(1)所示：

(x-x₀)²+(y-y₀)²=R²   (1)

其中，(x，y)就是硅片边缘点的坐标，(x₀，y₀)便为待拟合的硅片的圆心坐标，R为待拟合的硅片半径。

为了在后续的过程中使用方便，该拟合方程也可以将左边的式子展开，从而得到式(2)的形式：

$x^2+y^2-2x{x}_0-2y{y}_0=R^2-x_0^2-y_0^2---\left(2\right)$

式(1)中具有三个未知数R、x₀和y₀，因此，基于已经确定好的三个边缘点的坐标，可以确定该硅片圆心的坐标与半径的值。

方案二：利用系统中的图案识别功能。

一般来说，硅片测量设备在能测量有图案硅片的情况下，都有图案识别功能。借助硅片测量设备的图案识别功能，也可以用来定位硅片的上片平移。

在硅片已经聚焦的情况下，系统通过图案识别功能捕获的硅片边缘是锐利的，硅片内反射光明亮，而硅片外反射光基本没有，因此图案识别系统可以容易的识别出硅片的边缘，给出边缘的识别坐标。

在测量之前，需要选一片硅片，并截取一些边缘位置的图案以及相应的坐标，其特点是：硅片是全部明亮，硅片外是全部黑暗。因此，明亮区域和黑暗区域的分界线可以作为识别图案。当对硅片进行测量时，首先到记录的坐标位置处，通过图案识别，确定出匹配位置。为了提高测量速度，同时不显著损失测量精度，可以采用0°、120°、240°对应的边缘位置确定圆心与半径。同样，拟合圆心、确定半径的过程与方案一相同，这里不再赘述。

通过方案一或二，可以确定硅片的圆心坐标与半径，进而确定硅片在上片时的平移的距离，即确定预定圆心与实际圆心的坐标的距离。

图2为硅片平移与转动的示意图

对于转动的情况，圆心的坐标虽然相同，但硅片除圆心外其它点的平面坐标则产生了变化，为了更贴合实际应用的情形，将平移与转动两种情形结合来阐述本发明的方法。

本发明通过以下方法确定硅片的转动的角度：

首先，根据应用的情况，测量系统可以规定硅片上片的理想角度。在本实施例中，以硅片的凹口在硅片圆心的正下方作为硅片上片的理想角度。

本发明采用图形识别的方法确定上片角度。在测量之前，需要选一片硅片，截取硅片凹口两侧曲率较大的弧线段作为待识别图案。这样选择图案的目的是在一个图案中包含的信息保证下次识别时位置不会偏移。在测量时，识别系统将识别出硅片凹口两侧图案的坐标(x_L，y_L)和(x_R，y_R)，然后根据这两点的坐标与之前已经确定的圆心坐标一起计算硅片的上片角度θ，θ的值可以由式(3)确定：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{\frac{x_l+x_r}{2}-x_0}{d}\right)---\left(\text{3}\right)$

上式中，x_L、x_R分别是凹口两侧识别图形的X轴坐标，x₀是已经拟合出的圆心坐标，d是凹口两侧识别坐标到圆心(x₀，y₀)距离的平均值，即圆心(x₀，y₀)到硅片凹口中央的距离。因此d可以表示为：

$d=\frac{\sqrt{{(x_l-x_0)}^2+{(y_l-y_0)}^2}+\sqrt{{(x_r-x_0)}^2+{(y_r-y_0)}^2}}{2}---\left(4\right)$

由于在实际的应用环境中，硅片上片因机械原因而造成的旋转的角度十分的小，仅为0.15°以内，因此在一般应用下，上述的距离d的值可以用硅片的半径R来替代，如此不仅保证了拟合的精度，也大幅降低了系统的运算量，使得系统能够快速地对硅片进行测量。

通过上述步骤得到的硅片圆心坐标(x₀，y₀)和上片角度θ，可以修正每个测量点的位置。由于测量流程中的测量点位置(x，y)是基于硅片的预定位置，即硅片的圆心在坐标轴的原点(即实线坐标轴的O点)，硅片角度为0的，因此修正的方式就是坐标的平移和转动，修正后的坐标如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right)---\left(5\right)$

由式(5)便可以确定硅片上经过平移且旋转后的实际坐标与其预定位置之间的坐标上的对应关系。

硅片作为一个圆形物理器件，每次上片时，它的圆心和上片角度一般均存在微小的差别。但是，作为一个近似刚体，硅片上任意两点之间的相对坐标是不变的，因此，确定了圆心和上片角度之后，硅片上任意点在外部系统中的位置都可以确定。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种用于无图案硅片测量的定位方法，其特征在于，包括：

A.确定所述硅片的至少三个参考点，并获取相应的所述参考点的坐标，根据所述至少三个参考点确定所述硅片的圆心的坐标与半径的长度；

B.根据所述硅片的定位结构与所述硅片的圆心与半径，确定所述硅片的转动角度。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤A中还包括：

对所述硅片聚焦，将自所述硅片中心沿半径方向、光强值下降的点作为所述参考点。

3.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述参考点为三个，并且分别位于所述硅片半径方向0°、120°、240°的边缘上。

4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤A中还包括：

在所述硅片的边缘处选取至少三个参考图形，并获取所述参考图形的坐标，将所述参考图形的坐标作为所述参考点的坐标。

5.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于，所述步骤A还包括：

在所述硅片的边缘处对所述参考图形进行识别，以获取所述参考图形的坐标，进而确定所述硅片的圆心坐标。

6.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于，所述参考图形为三个，并且分别位于所述硅片的半径方向0°、120°、240的边缘处。

7.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述定位结构为所述硅片边缘处的凹口。

8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，选取所述凹口两侧中的至少一侧的弧线段作为待识别图形，并确定所述凹口两侧图案的坐标。

9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，选取所述凹口两侧中曲率较大的弧线段作为所述待识别图形。

10.根据权利要求8或9所述的定位方法，其特征在于，识别所述凹口两侧与所述硅片边缘相接的点的坐标，并根据所述圆心的坐标确定所述硅片的转动角度。