CN104979258B - 一种晶圆对准系统和晶圆对准方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种晶圆对准系统和方法。该系统包括：可绕X、Y、Z三轴平动并绕Z轴转动的运动平台；被支撑在运动平台上的晶圆载物吸盘；至少四个相机，分别对准晶圆上限定定位缺口的两个相对的边角布置两个相机以使两个相机得到每个边角的目标特征图像，对准晶圆的其余边缘分别布置其他相机以使其他相机得到其他边缘的目标特征图像，其中所有相机的视场都足够大从而均能涵盖晶圆传输误差；多路图像采集卡，其耦接到每个相机，采集边角的目标特征图像和其余边缘的目标特征图像；以及处理器，其耦接到多路图像采集卡，将边角的目标特征图像和其他边缘的目标特征图像与预存的理想特征图像分别进行比较并计算晶圆传输误差。

Description

一种晶圆对准系统和晶圆对准方法

技术领域

本发明涉及一种晶圆对准系统以及一种晶圆对准方法。

背景技术

现有消除晶圆传输误差的晶圆对准系统和方法针对有图案晶圆和无图案晶圆有所不同。

对于有图案的晶圆，直接通过晶圆对准实现。具体过程如下：

(a)、在建立Recipe时，沿着某一个街道采集一个重复出现的高唯一性的特征图像，记录两个以上包含该特征图像的坐标位置，以后所有使用该Recipe的晶圆均以这些坐标位置为基准进行误差消除；

(b)、Recipe运行时，机械手将晶圆放置到运动平台的载物吸盘上并稳定后，将运动平台移动到记录的第一个坐标位置后采集图像，随后使用存储的特征图像与采集到的图像进行匹配，如果匹配成功，特征图像在目标图像中的像素偏差就是第一个坐标点的晶圆传输误差；

(c)、如果匹配不成功就需要以当前的坐标位置为中心螺旋移动运动平台，每移动一次运动平台就采集一次图像，并将特征图像与采集到的图像匹配，直至匹配成功或者超过限定次数；

(d)从第二个坐标点开始重复(b)和(c)步骤直至所有记录的坐标位置均得到各自的传输误差；

(e)依据所有点的传输误差计算出整个晶圆的传输误差，包括平动传输误差和旋转传输误差。

对于无图案的晶圆，由于内部没有任何特征图像可以提取，因此一般通过晶圆的边缘特征来对准。具体过程如下：

(a)、在对无图案晶圆对准定标时，需要先对无图案晶圆进行边缘特征提取，在无图案晶圆的边缘采集包括两个Notch(以下称为定位缺口)在内的4个以上的边缘特征图像并记录其采集位置；

(b)、Recipe运行时，机械手将晶圆放置到运动平台的载物吸盘上。

(c)、等待运动平台稳定后，将运动平台移动到记录的第一个坐标位置后采集图像，随后使用存储的对应特征图像与采集到的图像进行匹配，匹配成功后获取特征图像在目标图像中的像素偏差；

(d)、如果匹配不成功就需要以当前的坐标位置为中心螺旋移动运动平台，每移动一次运动平台就采集一次图像，并将特征图像与采集到的图像匹配，直至匹配成功或者超过限定次数；

(e)、从第二点开始重复(c)和(d)直至所有记录的坐标均得到各自的像素偏差；

(f)、依据所有点的像素偏差计算出个边缘特征的实际坐标位置，并依据这些坐标位置拟合圆周。圆心为晶圆的平动误差，圆心与两个定位缺口位置连线的中点可计算出旋转传输误差。

对于有图案晶圆，由于对定位精度要求特别高，因此所使用的相机一般分辨率和倍率都比较高，相应的视场也会较小。晶圆传输误差较大时，特征图像就很容易出视场，如果出现这种情况，就要以预计特征图像出现的坐标位置为中心螺旋查找目标图像，多次移动运动平台，多次进行图像匹配，非常耗时，在晶圆传输误差特别大时还有可能出现晶圆对准失败的情况。而对于无图案晶圆的对准，因为和有图案晶圆类似地使用同一高分辨率的小视场的相机，所以也会出现特征图像出视场需要螺旋查找的问题。除此之外，由于无图案晶圆的特征图像分布在晶圆的边缘圆周上，而且用于对准的点越多、越均匀分布越有利于获取更精准的传输误差数据，因此在对无图案晶圆对准时需要频繁地移动运动平台，频繁地进行图像匹配，非常耗时。

发明内容

基于现有的晶圆对准系统和方法的缺点，本发明目的在于提高晶圆对准效率。

根据本发明的一个方面，公开了一种晶圆对准系统。该晶圆对准系统包括：运动平台，其可绕X、Y、Z三轴平动并绕Z轴转动；晶圆载物吸盘，其被支撑在所述运动平台上，用于承载晶圆；至少四个相机，分别对准所述晶圆上限定定位缺口的两个相对的边角布置两个相机以使两个相机得到每个边角的目标特征图像，对准所述晶圆的其余边缘分别布置其他相机以使其他相机得到其余边缘的目标特征图像，其中所有相机的视场都足够大从而均能涵盖晶圆传输误差；多路图像采集卡，其耦接到每个相机，采集所述边角的目标特征图像和其余边缘的目标特征图像；以及处理器，其耦接到所述多路图像采集卡，将所述边角的目标特征图像和其余边缘的目标特征图像与预存的理想特征图像分别进行比较并计算晶圆传输误差。

进一步地，本发明的晶圆对准系统还包括相机支撑部件，其位于所述晶圆载物平台的上方并连接所述至少四个相机。

本发明还公开了一种晶圆对准方法，其包括：在最大晶圆传输误差的范围内传输晶圆到被支撑在运动平台上的晶圆载物吸盘上并移动所述运动平台以将晶圆定位到所有相机的共同焦点位置，其中，相机的数目为至少四个，所有相机均被耦接到多路图像采集卡，其中，每个相机的视场都足够大从而均能涵盖所述最大晶圆传输误差；所有相机中的两个分别对准所述晶圆上限定定位缺口的两个相对的边角以使这两个相机采集两边角的实际特征图像，其余相机对准所述晶圆的其余边缘采集其余边缘的实际特征图像；与预存在处理器内的理想特征图像进行比较并将匹配度符合要求的每个边角的实际特征图像以及其余边缘的实际特征图像确定为目标特征图像；计算各个目标特征图像的物理位置；根据至少三个目标特征图像的物理位置计算所述晶圆的平动传输误差；根据两个边角的目标特征图像的物理位置计算所述晶圆的旋转传输误差；根据所述平动传输误差和所述旋转传输误差调节所述晶圆的位置。

具体地，在计算各个目标特征图像的物理位置的步骤中，通过公式PresultX＝CoeX×ΔPixelX+Px0和PresultY＝CoeY×ΔPixelY+Py0来计算，其中，(PresultX，PresultY)为所述目标特征图像的物理位置的坐标，(Px0，Py0)为所述相机的坐标，(CoeX，CoeY)为所述相机的每像素对应物理距离的转换系数，(ΔPixelX，ΔPixelY)为所述目标特征图像与所述相机的视场中心之间的像素偏差。

具体地，计算所述晶圆的平动传输误差步骤通过最小二乘法拟合晶圆边缘圆周。

更具体地，所述晶圆的旋转传输误差通过公式tan(Δα)＝((PleftX+PrightX)/2-X0)/((PleftY+PrightY)/2-Y0)计算，其中，Δα为所述晶圆的旋转传输误差，(PleftX，PleftY)和(PrightX，PrightY)分别为定位缺口的两个边角的特征图像坐标，(X0，Y0)为拟合得到的晶圆边缘圆周的圆心坐标。

具体地，与预存在处理器内的理想特征图像进行比较的步骤是通过图像模式识别的方式实现的。

本发明使用的晶圆对准系统和方法相对于有图案晶圆使用的对准系统和方法具有如下优点：

(1)、本发明使用多个相机，故不需要移动运动平台就可以采集图像；

(2)、本发明使用多路图像采集卡，可以并行采集多个图像，可以并行进行多个图像识别；

(3)、本发明依据获取的误差数据修正后，可以确保有图案晶圆对准时查找的特征图像不偏离出视场；

本发明使用的晶圆对准系统和方法相对于无图案晶圆使用的对准系统和方法具有如下优点：

(1)、本发明使用多个相机，故不需要移动运动平台就可以采集图像；

(2)、本发明使用多路图像采集卡，可以并行采集多个图像，可以并行进行多个图像识别；

(3)、本发明可以直接替代无图案晶圆对准方法且具有更高效率。

附图说明

为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：

图1示意性地示出了本发明的晶圆对准系统；以及

图2示意性地示出了应用本发明的晶圆对准系统的晶圆对准方法。不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。

具体实施方式

在以下的实施方式的详细描述中，参照构成该描述的一部分的附图进行说明。附图以示例的方式展示出特定的实施方式，本发明被实现在这些实施方式中。所示出的实施方式不是为了穷尽根据本发明的所有实施方式。可以理解，其他的实施方式可以被利用，结构性或逻辑性的改变能够在不脱离本发明的范围的前提下被做出。对于附图，方向性的术语，例如“下”、“上”、“左”、“右”等，是参照所描述的附图的方位而使用的。由于本发明的实施方式的组件能够被以多种方位实施，这些方向性术语是用于说明的目的，而不是限制的目的。因此，以下的具体实施方式并不是作为限制的意义，并且本发明的范围由所附的权利要求书所限定。

本发明公开了一种用于晶圆W对准的晶圆对准系统100，其用于消除晶圆传输误差，该晶圆传输误差包括平动传输误差和旋转传输误差。该晶圆对准系统100包括：运动平台102、晶圆载物吸盘104、多个相机106和多路图像采集卡108。

具体地，该运动平台102具有X、Y、Z轴，并被配置为沿X轴可左右移动，沿Y轴可前后移动，并沿Z轴可上下移动并绕Z轴可周向转动。晶圆载物吸盘104用来水平地放置晶圆并将晶圆吸附或固定于其上以使该晶圆载物吸盘104与晶圆不会产生相对运动从而晶圆可以随运动平台102的运动而运动。该晶圆对准系统100可以包括相机支撑板110，其用于将前述多个相机106可调节地连接于其上，并可以将多个相机106固定在与晶圆大小相同的圆周上的任何位置处，从而能够灵活地调节相机106的方位。其中，固定相机106的圆周位于晶圆载物吸盘104等待机械手放置晶圆的位置的正上方，但不限于此，该位置可以是晶圆可到达的任意位置的正上方。在本发明的一种具体实施方式中，这些相机106中的两个分别布置在晶圆上的定位缺口(通常为向外开的V形定位缺口)与晶圆的外周缘形成的交点的正上方，其余相机在周向上均匀地安装在晶圆的外周缘的正上方。多路图像采集卡108电连接到前述多个相机106，使用者通过调节相机使所有相机106的焦深具有一个重叠范围并确定一个共同焦点位置从而所有相机106被调节至共同焦点位置，这样，多路图像采集卡108就能够同时从所有相机106并行地采集到清晰的晶圆边缘特征图像。通常地，前述的晶圆对准系统100包括四个或者四个以上的相机106。在本发明的一种具体实施方式中，该晶圆对准系统100包括四个相机106。另外，由于本发明的晶圆对准系统100最终需要使用图像模式识别的方法来确定晶圆的传输误差，而图像模式识别只能确定当前的目标特征图像与预存的特征图像之间的像素误差，故需要对每个相机106的像素与物理距离进行标定以便依据物理距离进行误差消除。再者，由于本发明的晶圆对准系统100的坐标系是以半导体设备的主相机视场中心建立的坐标系，与本发明的晶圆对准系统100提到的所有相机106无关，故在进行图像模式识别时可以得到特征图像在目标图像中的像素偏差，但是目标特征图像的绝对物理位置则需要通过相机的视场中心(也就是相机的坐标位置)来确定。较优地，这些相机106的视场被配置得足够大，这样，即使机械手传输晶圆达到其本身的误差最大值时晶圆的边缘特征也不会偏离出相机106的视场，从而确保无需任何调整就可以采集到晶圆边缘特征图像。

前述的本发明的晶圆对准系统100的晶圆对准方法如下：

首先，传输晶圆W到晶圆载物吸盘104上并移动运动平台102将晶圆定位到所有相机的共同焦点位置。具体地，传输晶圆W到晶圆载物吸盘104上是通过机械手进行的，晶圆载物吸盘104吸附或固定好晶圆。如果相机106的安装位置就是运动平台102等待机械手放置晶圆的位置，则无需移动运动平台102。如果相机106的安装位置不是运动平台102等待机械手放置晶圆的位置，则需要将运动平台102移动到相机安装位置。接着，再将运动平台102沿着Z轴移动到所有相机106的共同焦点位置处。

其次，多路图像采集卡108从多个相机106中采集并存储晶圆的边缘特征图像。具体地，多个相机106分别摄取晶圆边缘的实际特征图像，通过多路图像采集卡108并行地从各个相机106中采集图像，并在采集到的图像中选取并存储对应的实际特征图像。

再次，计算晶圆传输误差。以该类晶圆的预存的理想特征图像对采集到的实际特征图像进行并行模式识别，可以将与理想特征图像相比匹配度符合要求的实际特征图像确定为目标特征图像。在此，没有唯一性要求，只要能够找到匹配度符合要求的即可，例如，条件可以为匹配度(诸如匹配分数)最高。接着，获取每个目标特征图像的中心相对于预存的理想特征图像的中心的像素偏差。

具体地，晶圆传输误差的计算过程如下：先计算每个目标特征图像的物理位置，再通过这些物理位置拟合晶圆边缘圆周，接着通过定位缺口的图像偏差计算晶圆旋转误差。

更具体地，每个目标特征图像的物理位置的计算过程如下：以一个相机为例，已知相机的坐标为(Px0，Py0)、每像素对应物理距离的转换系数为(CoeX，CoeY)，目标特征图像与相机视场中心之间的像素偏差为(ΔPixelX，ΔPixelY)，则目标特征图像的物理位置的坐标(PresultX，PresultY)，其中，该横坐标通过PresultX＝CoeX×ΔPixelX+Px0计算得到，该纵坐标通过PresultY＝CoeY×ΔPixelY+Py0计算得到。拟合晶圆边缘圆周的过程如下：如果该晶圆对准系统100仅包括四个相机，拟合圆周时定位缺口的两个边角只取其中一个；如果该晶圆对准系统100包括五个以上的相机，拟合圆周时定位缺口的两个边角均不参与计算。假定参与圆周拟合的边缘的目标特征图像的坐标位置分别为(PresultX1，PresultY1)，(PresultX2，PresultY2)......(PresultXn，PresultYn)。根据上述几个坐标位置，利用最小二乘法拟合可以获得圆周曲线，最终得到该圆周曲线的圆心坐标(X0，Y0)，半径R，其中圆心坐标(X0，Y0)就是相对于半导体设备主相机视场中心(也就是坐标系的原点)的偏差，也就是需要消除的晶圆传输平动误差。晶圆旋转误差的计算过程包括：假定晶圆的旋转角度误差为Δα，定位缺口的左右边角的特征图像坐标分别为(PleftX，PleftY)和(PrightX，PrightY)，拟合得到圆心坐标(X0，Y0)。Δα的正切值可利用下面的公式计算得出：tan(Δα)＝((PleftX+PrightX)/2-X0)/((PleftY+PrightY)/2-Y0)。

前述的晶圆对准方法不仅适用于有图案的晶圆对准，也适用于无图案的晶圆对准。与已有的无图案晶圆对准方法类似地，本发明的晶圆对准系统和方法均可以获取晶圆的平动误差和旋转角度误差，并在晶圆定位时用于误差消除。由于使用多个相机和多路图像采集卡并行采集处理图像数据，因此本发明更有效率。本发明完全可以替代现有的无图案晶圆对准系统和方法。

在对有图案晶圆的对准前先使用本发明的晶圆对准方法获取晶圆的平动误差和旋转角度误差，随后在有图案晶圆对准时使用这些误差对预定坐标进行修正，这样就可确保特征图像不会偏离出视场。相对于现有的有图案晶圆的对准方法，采用本发明的方法，不需要频繁地移动运动平台，避免频繁地采集图像并因而不必频繁地进行模式识别，所以，晶圆边缘的目标特征图像不会偏离出视场而且整个对准过程非常省时。本发明的晶圆对准方法的图像采集和模式识别工作都是并行完成，而且不需要移动运动平台，这样将减少了有图案晶圆对准时需要搜寻特征图像的过程，提高了有图案晶圆的对准效率。

那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (7)

1.一种晶圆对准系统，其包括：

运动平台，其可绕X、Y、Z三轴平动并绕Z轴转动；

晶圆载物吸盘，其被支撑在所述运动平台上，用于承载晶圆；

至少四个相机，分别对准所述晶圆上限定定位缺口的两个相对的边角布置两个相机以使两个相机得到每个边角的目标特征图像，对准所述晶圆的其余边缘分别布置其他相机以使其他相机得到其余边缘的目标特征图像，其中所有相机的视场都足够大从而均能涵盖晶圆传输误差；

多路图像采集卡，其耦接到每个相机，采集所述边角的目标特征图像和其余边缘的目标特征图像；以及

处理器，其耦接到所述多路图像采集卡，将所述边角的目标特征图像和其余边缘的目标特征图像与预存的理想特征图像分别进行比较并计算晶圆传输误差。

2.根据权利要求1所述的晶圆对准系统，其中，还包括相机支撑部件，其位于所述晶圆载物平台的上方并连接所述至少四个相机。

3.一种晶圆对准方法，其包括：

在最大晶圆传输误差的范围内传输晶圆到被支撑在运动平台上的晶圆载物吸盘上并移动所述运动平台以将晶圆定位到所有相机的共同焦点位置，其中，相机的数目为至少四个，所有相机均被耦接到多路图像采集卡，其中，每个相机的视场都足够大从而均能涵盖所述最大晶圆传输误差；

所有相机中的两个分别对准所述晶圆上限定定位缺口的两个相对的边角以使这两个相机采集两边角的实际特征图像，其余相机对准所述晶圆的其余边缘采集其余边缘的实际特征图像；

与预存在处理器内的理想特征图像进行比较并将匹配度符合要求的每个边角的实际特征图像以及其余边缘的实际特征图像确定为目标特征图像；

计算各个目标特征图像的物理位置；

根据至少三个目标特征图像的物理位置计算所述晶圆的平动传输误差；

根据两个边角的目标特征图像的物理位置计算所述晶圆的旋转传输误差；

根据所述平动传输误差和所述旋转传输误差调节所述晶圆的位置。

4.根据权利要求3所述的晶圆对准方法，其中，在计算各个目标特征图像的物理位置的步骤中，通过公式PresultX＝CoeX×ΔPixelX+Px0和PresultY＝CoeY×ΔPixelY+Py0来计算，其中，(PresultX，PresultY)为所述目标特征图像的物理位置的坐标，(Px0，Py0)为所述相机的坐标，(CoeX，CoeY)为所述相机的每像素对应物理距离的转换系数，(ΔPixelX，ΔPixelY)为所述目标特征图像与所述相机的视场中心之间的像素偏差。

5.根据权利要求3所述的晶圆对准方法，其中，计算所述晶圆的平动传输误差步骤通过最小二乘法拟合晶圆边缘圆周。

6.根据权利要求5所述的晶圆对准方法，其中，所述晶圆的旋转传输误差通过公式tan(Δα)＝((PleftX+PrightX)/2-X0)/((PleftY+PrightY)/2-Y0)计算，其中，Δα为所述晶圆的旋转传输误差，(PleftX，PleftY)和(PrightX，PrightY)分别为定位缺口的两个边角的特征图像坐标，(X0，Y0)为拟合得到的晶圆边缘圆周的圆心坐标。

7.根据权利要求3所述的晶圆对准方法，其中，与预存在处理器内的理想特征图像进行比较的步骤是通过图像模式识别的方式实现的。