CN106340482A - 基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法，其包括移动至定位位置并寻找所述定位位置；如果所述寻找失败并且所述定位位置所在的定位集为最后一组定位集，则实施基于晶圆边角和缺口定位的校正定标步骤；降低图案识别阈值并且寻找第一定位位置；以及存储所述第一定位位置识别图像。本发明实现了系统在定位晶圆时，具有良好定位精度并且通过添加相应的第一定位位置识别图像提高了在定位晶圆时的自动化程度，从而提升了系统的定位的效率。

Description

基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法

技术领域

本发明半导体制造设备领域，尤其是一种基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法。

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，成为晶圆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。对于无图案晶圆，它的表面薄膜的厚度的不均匀性远超过量级。因此，即使测量光束在晶圆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。

目前测量无图案晶圆，通过对晶圆缺口做简单的机械定位后即上片开始测量。而过程中产生的晶圆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。

此外，在进行晶圆定位的过程中，通常通过图案识别技术来加以定位，在这样的方法中通常会设定一个图案识别阈值，当低于该图案识别阈值时，则定位失败，这将需要人工干预来识别该晶圆是否可用以及如何进行人工定位，这样的定位过程一方面不能充分利用现有的晶圆资源，另一方面也大大地降低了定位过程的效率。

发明内容

基于以上考虑，如果提出一种基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法，将是非常有利的。

本发明提出了一种基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法，其包括以下步骤：

C)移动至定位位置并寻找所述定位位置；

D)如果所述寻找失败并且所述定位位置所在的定位集为最后一组定位集，则实施基于晶圆边角和缺口定位的校正定标步骤；

E)降低图案识别阈值并且寻找第一定位位置；以及

G)存储所述第一定位位置识别图像。

本发明实现了系统在定位晶圆时，具有良好定位精度并且通过添加相应的第一定位位置提高了在定位晶圆时的自动化程度，从而提升了系统的定位的效率。

在依据本发明的一个实施例中，所述方法在步骤C)之前还包括：

B)载入测量流程配方和待进行自动校正定标的晶圆，其中，所述测量流程配方中包含至少一组定位集，并且所述定位集分别具有至少一个定位位置。

在依据本发明的一个实施例中，所述定位集分别具有两个或者三个定位位置。

在依据本发明的一个实施例中，基于晶圆边角和缺口定位的校正定标步骤进一步包括：

D1)确定所述晶圆的至少三个参考点，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晶圆的圆心的坐标与半径的长度；

D2)根据所述晶圆的定位结构与所述晶圆的圆心与半径，确定所述晶圆的转动角度；以及

D3)基于所确定的圆心的坐标和所确定的晶圆的转动角度来计算第一晶圆坐标系。

如此，通过确定的参考点便可以拟合出晶圆的圆心的坐标与半径的长度。

在依据本发明的一个实施例中，所述参考点为三个，并且分别位于所述晶圆半径方向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。

在依据本发明的一个实施例中，所述定位结构为所述硅片边缘处的缺口。

在依据本发明的一个实施例中，选取所述缺口两侧中曲率较大的弧线段作为待识别图形。

如此，通过缺口两侧图案的坐标(x_L，y_L)、(x_R，y_R)、晶圆的半径以及圆心的坐标(x₀，y₀)便可以确定晶圆的转动角度。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。

在依据本发明的一个实施例中，所述方法在步骤E)和步骤G)之间还包括以下方法步骤：

F)移动至所述晶圆的测量点并且测量所述晶圆的膜厚，将所述膜厚与预先确定的第一膜厚范围作比较。

在依据本发明的一个实施例中，如果所述膜厚不在预先确定的第一膜厚范围内，则所述方法报告错误。

在依据本发明的一个实施例中，所述方法步骤G)进一步包括：

设置所述第一定位位置与之前的定位位置之间的定位集次序。

本发明实现了系统在定位晶圆时，具有良好定位精度并且通过添加相应的第一定位位置识别图像提高了在定位晶圆时的自动化程度，从而提升了系统的定位的效率。

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晶圆平移示意图；

图2为依据本发明实施例的晶圆平移和转动示意图；以及

图3示出了依据本发明的基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法的流程图300。

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。

当对晶圆进行测量时，晶圆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、晶圆上片的平移，即本次上片晶圆圆心在系统坐标系中的坐标数值；

2、晶圆上片的转动，即本次上片晶圆转过的微小角度θ。

本发明主要对晶圆上片的位置这两个方面的微小变化做出精确测量。

首先，对如何确定晶圆上片的平移进行阐述，图1为依据本发明实施例的晶圆平移的示意图，由图1可知，晶圆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，若不考虑晶圆的平移，晶圆测量的重复性很差。

本发明提出两种方案对晶圆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晶圆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，当晶圆在聚焦系统的焦点附近，聚焦系统记录的从晶圆表面的反射光很强，除此以外，聚焦系统记录的反射光很弱，以此可以确定晶圆的边缘。

也就是说，晶圆测量设备中都需要将测量位置聚焦到测量光束下，保证测量光束在晶圆上的光斑面积最小。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：晶圆处于聚焦位置附近时，当聚焦信号光遇到晶圆时，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晶圆时，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。

当承载台承载晶圆从晶圆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晶圆的一个边缘点坐标，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晶圆的一个边缘点坐标。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，即可拟合出晶圆对应的圆心坐标以及晶圆半径。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)就是晶圆边缘点的坐标，(x₀，y₀)便为待拟合的晶圆的圆心坐标，R为待拟合的晶圆半径。

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：

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

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，可以确定该晶圆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，晶圆测量设备在能测量有图案晶圆的情况下，都有图案识别功能。借助晶圆测量设备的图案识别功能，也可以用来定位晶圆的上片平移。

在晶圆已经聚焦的情况下，系统通过图案识别功能捕获的晶圆边缘是锐利的，晶圆内反射光明亮，而晶圆外反射光基本没有，因此图案识别系统可以容易的识别出晶圆的边缘，给出边缘的识别坐标。

在测量之前，需要选一片晶圆，并截取一些边缘位置的图案以及相应的坐标，其特点是：晶圆是全部明亮，晶圆外是全部黑暗。因此，明亮区域和黑暗区域的分界线可以作为识别图案。当对晶圆进行测量时，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，可以确定晶圆的圆心坐标与半径，进而确定晶圆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为晶圆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，但晶圆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晶圆的转动的角度：

首先，根据应用的情况，测量系统可以规定晶圆上片的理想角度。在本实施例中，以晶圆的缺口在晶圆圆心的正下方作为晶圆上片的理想角度。

本发明采用图形识别的方法确定上片角度。在测量之前，需要选一片晶圆，截取晶圆缺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，识别系统将识别出晶圆缺口两侧图案的坐标(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晶圆的上片角度θ，θ的值可以由式(3)确定：

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

上式中，x_L、x_R分别是缺口两侧识别图形的X轴坐标，x₀是已经拟合出的圆心坐标，d是缺口两侧识别坐标到圆心(x₀，y₀)距离的平均值，即圆心(x₀，y₀)到晶圆缺口中央的距离。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，晶圆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的值可以用晶圆的半径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晶圆进行测量。

通过上述步骤得到的晶圆圆心坐标(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)是基于晶圆的预定位置，即晶圆的圆心在坐标轴的原点(即实线坐标轴的O点)，晶圆角度为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：

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

由式(5)便可以确定晶圆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。

晶圆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，晶圆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，晶圆上任意点在外部系统中的位置都可以确定。

图3示出了依据本发明的基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法的流程图300。从图3可以看出，依据本发明的方法包括以下步骤：首先，在方法步骤310中移动至定位位置并寻找该定位位置；然后，在方法步骤320中，如果该寻找失败并且该定位位置所在的定位集为最后一组定位集，则实施基于晶圆边角和缺口定位的校正定标步骤；接下来，在方法步骤330中，将降低图案识别阈值并且寻找第一定位位置；以及最后在方法步骤350中，存储该第一定位位置。

本发明实现了系统在定位晶圆时，具有良好定位精度并且通过添加相应的第一定位位置提高了在定位晶圆时的自动化程度，从而提升了系统的定位的效率。

在依据本发明的一个实施例中，该方法在步骤330之前还包括：载入配方和待进行自动校正定标的晶圆，其中，该配方中包含至少一组定位集，并且该定位集分别具有至少一个定位位置。

在依据本发明的一个实施例中，该定位集分别具有两个或者三个定位位置。并且基于晶圆边角和缺口定位的校正定标步骤进一步包括：

首先，确定该晶圆的至少三个参考点，并获取相应的该参考点的坐标，根据该至少三个参考点确定该晶圆的圆心的坐标与半径的长度；然后，根据该晶圆的定位结构与该晶圆的圆心与半径，确定该晶圆的转动角度；以及最后基于所确定的圆心的坐标和所确定的晶圆的转动角度来计算第一晶圆坐标系。该方法已经在参照图1和图2的实施例中加以描述，在此不再赘述。如此，通过确定的参考点便可以拟合出晶圆的圆心的坐标与半径的长度。

在依据本发明的一个实施例中，该参考点为三个，并且分别位于该晶圆半径方向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。

在依据本发明的一个实施例中，该定位结构为该硅片边缘处的缺口。并且选取该缺口两侧中曲率较大的弧线段作为待识别图形。如此，通过缺口两侧图案的坐标(x_L，y_L)、(x_R，y_R)、晶圆的半径以及圆心的坐标(x₀，y₀)便可以确定晶圆的转动角度。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。

在依据本发明的一个实施例中，该方法在步骤330和步骤350之间还包括以下方法步骤：移动至该晶圆的测量点并且测量该晶圆的膜厚，将该膜厚与预先确定的第一膜厚范围作比较。在依据本发明的一个实施例中，如果该膜厚不在预先确定的第一膜厚范围内，则该方法报告错误。

在依据本发明的一个实施例中，该方法步骤G)进一步包括：设置该第一定位位置与之前的定位位置之间的定位集次序。

本发明实现了系统在定位晶圆时，具有良好定位精度并且通过添加相应的第一定位位置提高了在定位晶圆时的自动化程度，从而提升了系统的定位的效率。

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)

1.一种基于晶圆边角和缺口定位的自动校正定标方法，其包括以下步骤：

C)移动至定位位置并寻找所述定位位置；

D)如果所述寻找失败并且所述定位位置所在的定位集为最后一组定位集，则实施基于晶圆边角和缺口定位的校正定标步骤；

E)降低图案识别阈值并且寻找第一定位位置；以及

G)存储所述第一定位位置识别图像。

2.根据权利要求1所述的自动校正定标方法，所述方法在步骤C)之前还包括：

B)载入测量流程配方和待进行自动校正定标的晶圆，其中，所述配方中包含至少一组定位集，并且所述定位集分别具有至少一个定位位置。

3.根据权利要求2所述的自动校正定标方法，其中，所述定位集分别具有两个或者三个定位位置。

4.根据权利要求1所述的自动校正定标方法，其中，基于晶圆边角和缺口定位的校正定标步骤进一步包括：

D1)确定所述晶圆的至少三个参考点，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晶圆的圆心的坐标与半径的长度；

D2)根据所述晶圆的定位结构与所述晶圆的圆心与半径，确定所述晶圆的转动角度；以及

D3)基于所确定的圆心的坐标和所确定的晶圆的转动角度来计算第一晶圆坐标系。

5.根据权利要求4所述的自动校正定标方法，其中，所述参考点为三个，并且分别位于所述晶圆半径方向0°、120°、240°的边缘上。

6.根据权利要求4所述的自动校正定标方法，其中，所述定位结构为所述硅片边缘处的缺口。

7.根据权利要求6所述的自动校正定标方法，其中，选取所述缺口两侧中曲率较大的弧线段作为待识别图形。

8.根据权利要求1所述的自动校正定标方法，其中，所述方法在步骤E)和步骤G)之间还包括以下方法步骤：

F)移动至所述晶圆的测量点并且测量所述晶圆的膜厚，将所述膜厚与预先确定的第一膜厚范围作比较。

9.根据权利要求8所述的自动校正定标方法，其中，如果所述膜厚不在预先确定的第一膜厚范围内，则所述方法报告错误。

10.根据权利要求1所述的自动校正定标方法，其中，所述方法步骤G)进一步包括：

设置所述第一定位位置与之前的定位位置之间的定位集次序。