CN113329184A - 一种基于位置探测器的实时对焦装置及对焦方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及晶圆检测技术领域，特别涉及一种基于位置探测器的实时对焦装置及对焦方法。本申请提供的实时对焦装置包括：光学头，用于对晶圆进行拍照扫描，并在所述晶圆上定义第一拍摄点；Z轴电机，与所述光学头连接，用于带动所述光学头沿着Z轴方向调整高度；红外激光器，用于向晶圆上的第一拍摄点发射激光，并在第一拍摄点上形成光斑；位置探测器，其用于检测所述光斑的位置信息；控制器，其用于根据所述位置信息计算第一拍摄点的Z轴高度，并根据所述Z轴高度调整所述光学头高度以进行对焦。本申请提供的实时对焦装置能够保证光学头实时跟随晶圆的Z向高度变化，保证晶圆的拍照视野始终处于光学头的景深范围内，提高了光学头的工作效率。

Description

一种基于位置探测器的实时对焦装置及对焦方法

技术领域

本申请涉及晶圆检测技术领域，特别涉及一种基于位置探测器的实时对焦装置及对焦方法。

背景技术

晶圆由运动平台带动在光学头下拍照扫描，运动平台的制造误差及形变会造成晶圆表面Z向有15μm的上下起伏，在光学头位置不变的情况下，若晶圆表面起伏高度超过光学头的景深范围(±3μm），则会导致拍照模糊，进而影响光学头的缺陷检出率。

现有技术中采用的对焦系统是在光学头的右侧安装通用性测距仪，在光学头不工作时，由通用性测距仪采集晶圆的Z向表面数据，在光学头工作时，根据测得的Z向表面数据对光学头进行补偿，由于光学头的拍照点和通用性测距仪的测量点不是同一个点，存在固定的偏差，只能使用预采样的方式提前收集整个晶圆的面型，然后在实际工作的时候进行位置补偿，无法实时采样和补偿离焦距离，对焦效果差，容易受环境干扰离焦。

基于以上分析，有必要提供一种能够实时采样和补偿离焦距离的装置。

发明内容

本申请实施例提供一种基于位置探测器的实时对焦装置，以解决相关技术中现有装置无法实时采样和补偿离焦距离的问题。

第一方面，本申请提供了一种基于位置探测器的实时对焦装置，包括：

光学头，用于对晶圆进行拍照扫描，并在所述晶圆上定义第一拍摄点；

Z轴电机，与所述光学头连接，用于带动所述光学头沿着Z轴方向调整高度；

红外激光器，用于向所述晶圆上的第一拍摄点发射激光，并在所述第一拍摄点上形成光斑；

位置探测器，用于检测所述光斑的位置信息；

控制器，其用于根据所述位置信息计算第一拍摄点的Z轴高度，并根据所述Z轴高度调整所述光学头高度以进行对焦。

一些实施例中，所述红外激光器安装在所述光学头的左侧， 所述位置探测器安装在所述光学头的右侧，所述红外激光器的激光投射角度与位置探测器的光斑接收角度一致。

一些实施例中，所述位置探测器的前方设置透镜，所述透镜对第一拍摄点上形成的光斑进行成像，使得所述位置探测器直接探测光斑的像，避免晶圆发生偏移后位置探测器探测不到光斑。

一些实施例中，所述第一拍摄点、所述透镜的中心与所述位置探测器的中心位于一条直线上。

一些实施例中，所述位置探测器将光斑的位置信息转换成模拟量信号后发送给控制器，所述控制器根据模拟量信号计算第一拍摄点的Z轴高度，然后根据所述Z轴高度向Z轴电机发送指令，所述Z轴电机接收到指令后移动从而调整光学头的高度。

一些实施例中，所述控制器根据模拟量信号计算第一拍摄点的Z轴高度的过程为：根据模拟量信号计算得到位置探测器的位置值，对所述位置值进行线性比例换算，即得到Z轴高度；其中，位置探测器的位置值DY的计算公式为：DY=(AIN(1)+AIN(3))-(AIN(0)+AIN(2))，式中，DY表示位置值，AIN（0）、AIN（1）、AIN（2）、AIN（3）分别是模拟量信号；Z轴高度Zmm的计算公式为：Zmm=(DY/V_SUM)*2.25，V_SUM 为模拟量信号的总和，V_SUM=AIN(0)+AIN(1)+AIN(2)+AIN(3)。

一些实施例中，所述Z轴电机连接配重机构。

第二方面，本申请提供了一种基于位置探测器的实时对焦方法，包括以下步骤：

S1，利用光学头对晶圆进行拍照扫描，所述光学头在晶圆上定义第一拍摄点；

S2，利用红外激光器向晶圆上的第一拍摄点发射激光，所述激光在第一拍摄点上聚焦形成光斑；

S3，利用位置探测器检测所述光斑的位置信息，所述位置探测器将光斑的位置信息发送给控制器；

S4，所述控制器根据所述位置信息计算第一拍摄点的Z轴高度，并根据所述Z轴高度调整光学头高度以进行对焦。

一些实施例中，所述红外激光器的激光投射角度与位置探测器的光斑接收角度一致。

一些实施例中，在进行晶圆和光学头的实时对焦之前，先对红外激光器的激光投射角度和位置探测器的光斑接收角度进行校准。

一些实施例中，所述对红外激光器的激光投射角度和位置探测器的光斑接收角度进行校准的过程为：

将吸附晶圆的载台移动到光学头的下方，调整光学头的Z轴方向高度，使光学头拍摄的相机图像清晰锐利；

调整红外激光器与晶圆的投射距离，使红外激光器发出的激光在晶圆上聚焦的光斑最小；

调整红外激光器的激光投射角度，使光斑的中心位于相机图像的中心；

调整位置探测器到晶圆的接收距离，使位置探测器接收到的光斑最小；

调整位置探测器的光斑接收角度，使位置探测器接收到的光斑中心位于位置探测器的中心。

一些实施例中，所述位置探测器将光斑的位置信息转换成模拟量信号后发送给控制器，所述控制器根据模拟量信号计算第一拍摄点的Z轴高度，然后根据所述Z轴高度向Z轴电机发送指令，所述Z轴电机接收到指令后移动带动光学头调整高度。

一些实施例中，所述控制器根据模拟量信号计算第一拍摄点的Z轴高度的过程为：根据模拟量信号计算得到位置探测器的位置值，对所述位置值进行线性比例换算，即得到Z轴高度；其中，位置探测器的位置值DY的计算公式为：DY=(AIN(1)+AIN(3))-(AIN(0)+AIN(2))，式中，DY表示位置值，AIN（0）、AIN（1）、AIN（2）、AIN（3）分别是模拟量信号；Z轴高度Zmm的计算公式为：Zmm=(DY/V_SUM)*2.25，V_SUM 为模拟量信号的总和，V_SUM=AIN(0)+AIN(1)+AIN(2)+AIN(3)。

一些实施例中，利用所述Z轴高度进行低通滤波计算，得到Z向偏差，然后对所述Z向偏差进行PID计算，得到Z轴电机的位置移动量。

一些实施例中，所述Z向偏差Zerr的计算公式为：

Zerr= (1 - aa) *Zmm + aa * latch

式中，aa= exp(-2*pi*freq*CTIME*0.001)，pi= acos(-1)，freq= 50，CTIME 为控制器的周期时间,Zerr为Z向偏差，latch 为中间锁存变量，latch=Zerr。

一些实施例中，所述对Z向偏差进行PID计算的过程为：

S401，判断Z向偏差Zerr的绝对值是否大于死区值，若是，则进行步骤S302；若否，则停止计算，即不用向Z轴电机发送指令；

S402，根据Z向偏差Zerr分别计算比例项P、积分项I和微分项D，计算公式为：P=Zerr；I=I+Zerr；D=Zerr-PreZerr；式中，PreZerr 为上一次的Z向偏差Zerr；

S403，根据所述比例项、积分项和微分项计算得到Z轴电机的位置移动量，所述Z轴电机的位置移动量Zpos的计算公式为：Zpos=Zfocus+Kp*P+Ki*I+Kd*D，式中，Kp、Ki、Kd分别为PID算法的比例系数、积分系数和微分系数，Zfocus为红外激光器的激光投射角度和位置探测器的光斑接收角度校准后记录的Z轴电机的当前位置值；

S404，更新Z轴电机的位置移动量，记录当前离焦偏差PreZerr=Zerr，重复上述步骤S401-S403。

一些实施例中，死区值的取值为2μm。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

1、本申请提供的实时对焦装置利用红外激光器向晶圆发射激光产生光斑，位置探测器能够实时检测光斑的位置变化，从而保证光学头能实时跟随晶圆的Z向高度变化，保证晶圆的拍照视野始终处于光学头的景深范围内，提高了光学头的工作效率；

2、本申请提供的实时对焦方法效率高、校准简单，不受外界环境影响，可以实现高精度的实时补偿对焦。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于位置探测器的实时对焦装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于位置探测器的实时对焦装置的光学布置原理图；

图3为本申请实施例提供的基于位置探测器的实时对焦方法的流程示意图。

图中，100、光学头；200、晶圆；300、Z轴电机；400、红外激光器；500、位置探测器；600、控制器；6001、第一电缆；6002、第二电缆；6003、第三电缆；700、载台；800、配重机构；900、透镜。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种基于位置探测器的实时对焦装置，其能解决相关技术中现有装置无法实时采样和补偿离焦距离的问题。

图1是本申请实施例提供的基于位置探测器的实时对焦装置的结构示意图，参考图1，该实时对焦装置包括：光学头100、Z轴电机300、红外激光器400、位置探测器500、控制器600和透镜900。

光学头100用于对晶圆200进行拍照扫描，并在晶圆200上定义第一拍摄点，图1中，利用字母R表示第一拍摄点，该第一拍摄点可以是光学头100的中心对焦点，Z轴电机300与光学头100连接，Z轴电机300移动后带动光学头100沿着Z轴方向调整高度；本实施例中，晶圆200放置在载台700上。

红外激光器400设置在光学头100的左侧，其可以向晶圆200上的第一拍摄点发射激光，激光在第一拍摄点上聚焦形成光斑。

位置探测器500设置在光学头100的右侧，可以检测光斑的位置信息，并将光斑的位置信息转换成模拟量信号后发送给控制器600，位置探测器500的光斑接收角度与红外激光器400的激光投射角度一致，约为42度。

控制器600的第一输入端通过第一电缆6001与位置探测器500连接，控制器600的输出端通过第二电缆6002与Z轴电机300的信号接收端连接，控制器600的第二输入端通过第三电缆6003与Z轴电机300的信号输出端连接，控制器600接收到位置探测器500输出的模拟量信号后，根据模拟量信号计算得到位置探测器500的位置值，对位置值进行线性比例换算后，得到第一拍摄点的Z轴高度，对Z轴高度进行低通滤波计算和PID计算后，得到Z轴电机300的位置移动量，之后控制器600通过第二电缆6002将Z轴电机300的位置移动量发送给Z轴电机300，Z轴电机300接收到位置移动量后移动，并通过第三电缆6003反馈Z轴电机300移动后的位置信息。

本申请实施例中，Z轴电机300还连接有配重机构800。

透镜900设置在位置探测器500的前方，用于对第一拍摄点上形成的光斑进行成像，使得位置探测器500可以直接探测光斑的像，避免晶圆200发生偏移后位置探测器500检测不到光斑；且第一拍摄点、透镜900的中心与位置探测器500的中心位于同一条直线上。

参考图2，本申请实施例提供的实时对焦装置的光学布置原理为：设定红外激光器400的激光投射角为α，晶圆200倾斜的偏角为β，晶圆200的失焦距离为h，位置探测器500到聚焦光斑的横向距离为d，位置探测器500上的光斑移动距离为S,透镜900的中心用字母O表示，为了保证晶圆200偏角产生的干扰全部消除，需要确保光斑的在焦位置F与位置探测器500的安装位置P正好处于物象关系；为了保证晶圆200失焦距离不被压缩，则应确保透镜900的中心与位置探测器500的安装位置之间的距离OP≥透镜900的中心与光斑的在焦位置之间的距离OF，以距离OP=距离OF估计，位置探测器500上的光斑移动距离S与晶圆200的失焦距离h的大致关系为：实际略离散扩大的光斑，S=h*sin(180°-2α)/cosα。

参考图3，本申请实施例还提供了一种基于位置探测器的实时对焦方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用光学头100对晶圆200进行拍照扫描，光学头100在晶圆200上定义第一拍摄点；

步骤S2,利用红外激光器400向晶圆200上的第一拍摄点发射激光，激光在第一拍摄点上聚焦形成光斑，光斑在透镜900上成像；

步骤S3，利用位置探测器500检测光斑的像的位置信息，位置探测器500将光斑的像的位置信息转换成模拟量信号后发送给控制器600；

步骤S4，控制器600接收到模拟量信号后，根据模拟量信号计算得到位置探测器500的位置值；对位置值进行线性比例换算后，得到第一拍摄点的Z轴高度；对Z轴高度进行低通滤波计算，得到Z向偏差；对Z向偏差进行PID计算，得到Z轴电机300的位置移动量；之后控制器600通过第二电缆6002将Z轴电机300的位置移动量发送给Z轴电机300，Z轴电机300接收到位置移动量后移动，并通过第三电缆6003反馈Z轴电机300移动后的位置信息，Z轴电机300移动从而带动光学头100沿着Z轴方向调整高度。

本申请实施例中，在对晶圆200和光学头100进行实时对焦之前，先对红外激光器400的激光投射角度和位置探测器500的光斑接收角度进行校准，校准过程为：将载台700移动到光学头100的下方，调整光学头100的Z轴方向高度，使光学头100拍摄到的晶圆200的相机图像清晰锐利；调整红外激光器400与晶圆200的投射距离，使红外激光器400发出的激光在晶圆200上聚焦的光斑最小；调整红外激光器400的激光投射角度，使光斑的中心位于相机图像的中心，偏差±20%；调整位置探测器500到晶圆200的接收距离，使位置探测器500接收到的光斑最小；调整位置探测器500的光斑接收角度，使位置探测器500接收到的光斑中心位于位置探测器500的中心，偏差±20%；校准完成后，将控制器600计算的位置探测器500的位置值清零，记录Z轴电机300的当前位置值Zfocus。

步骤S4中，位置探测器500的位置值DY的计算公式为：DY=(AIN(1)+AIN(3))-(AIN(0)+AIN(2))，式中，DY表示位置值，AIN（0）、AIN（1）、AIN（2）、AIN（3）分别是位置探测器500输入到控制器600的模拟量信号；Z轴高度Zmm的计算公式为：Zmm=(DY/V_SUM)*2.25，V_SUM为模拟量信号的总和，V_SUM=AIN(0)+AIN(1)+AIN(2)+AIN(3)。

步骤S4中，Z向偏差Zerr的计算公式为：

Zerr= (1 - aa) *Zmm + aa * latch

式中，aa= exp(-2*pi*freq*CTIME*0.001)，pi= acos(-1)，freq= 50，CTIME 为控制器600的周期时间,Zerr为Z向偏差，latch 为中间锁存变量，latch=Zerr。

步骤S4中，对Z向偏差进行PID计算的过程为：

步骤S401，判断Z向偏差Zerr的绝对值是否大于死区值2μm，若是，则进行步骤S302；若否，则停止计算，即不用向Z轴电机300发送指令；

步骤S402，根据Z向偏差Zerr分别计算比例项P、积分项I和微分项D，计算公式为：P=Zerr；I=I+Zerr；D=Zerr-PreZerr；式中，PreZerr 为上一次的Z向偏差Zerr；

步骤S403，根据比例项、积分项和微分项计算得到Z轴电机300的位置移动量Zpos，Z轴电机300的位置移动量Zpos的计算公式为：Zpos=Zfocus+Kp*P+Ki*I+Kd*D，式中，Kp、Ki、Kd分别为PID算法的比例系数、积分系数和微分系数，Zfocus为红外激光器400的激光投射角度和位置探测器500的光斑接收角度校准后记录的Z轴电机300的当前位置值；

步骤S404，更新Z轴电机300的位置移动量，记录当前离焦偏差PreZerr=Zerr，调整PID算法比例项和积分项参数，重复上述步骤S401-S403。

位置探测器500的位置值DY稳定在±2μm内时，即可实现实时对焦。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于位置探测器的实时对焦装置，其特征在于，包括：

光学头（100），用于对晶圆（200）进行拍照扫描，并在所述晶圆（200）上定义第一拍摄点；

Z轴电机（300），与所述光学头（100）连接，用于带动所述光学头（100）沿着Z轴方向调整高度；

红外激光器（400），用于向所述晶圆（200）上的第一拍摄点发射激光，并在所述第一拍摄点上形成光斑；

位置探测器（500），其用于检测所述光斑的位置信息；

控制器（600），其用于根据所述位置信息计算第一拍摄点的Z轴高度，并根据所述Z轴高度调整所述光学头（100）高度以进行对焦。

2.根据权利要求1所述的基于位置探测器的实时对焦装置，其特征在于，所述红外激光器（400）安装在光学头（100）的左侧， 所述位置探测器（500）安装在光学头（100）的右侧，所述红外激光器（400）的激光投射角度与位置探测器（500）的光斑接收角度一致。

3.根据权利要求1所述的基于位置探测器的实时对焦装置，其特征在于，所述位置探测器（500）的前方设置透镜（900），所述透镜（900）对第一拍摄点上形成的光斑进行成像。

4.一种基于位置探测器的实时对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用光学头（100）对晶圆（200）进行拍照扫描，并在晶圆（200）上定义第一拍摄点；

利用红外激光器（400）向所述晶圆（200）上的第一拍摄点发射激光，所述激光在第一拍摄点上聚焦形成光斑；

利用位置探测器（500）检测所述光斑的位置信息，并将光斑的位置信息发送给控制器（600）；

所述控制器（600）根据所述位置信息计算第一拍摄点的Z轴高度，并根据所述Z轴高度调整光学头（100）高度以进行对焦。

5.根据权利要求4所述的基于位置探测器的实时对焦方法，其特征在于，在进行晶圆（200）和光学头（100）的实时对焦之前，先对红外激光器（400）的激光投射角度和位置探测器（500）的光斑接收角度进行校准。

6.根据权利要求5所述的基于位置探测器的实时对焦方法，其特征在于，所述对红外激光器（400）的激光投射角度和位置探测器（500）的光斑接收角度进行校准的过程为：

将吸附晶圆（200）的载台（700）移动到光学头（100）的下方，调整光学头（100）的Z轴方向高度，使光学头（100）拍摄的相机图像清晰锐利；

调整红外激光器（400）与晶圆（200）的投射距离，使红外激光器（400）发出的激光在晶圆（200）上聚焦的光斑最小；

调整红外激光器（400）的激光投射角度，使光斑的中心位于相机图像的中心；

调整位置探测器（500）到晶圆（200）的接收距离，使位置探测器（500）接收到的光斑最小；

调整位置探测器（500）的光斑接收角度，使位置探测器（500）接收到的光斑中心位于位置探测器（500）的中心。

7.根据权利要求4所述的基于位置探测器的实时对焦方法，其特征在于，所述位置探测器（500）将光斑的位置信息转换成模拟量信号后发送给控制器（600），所述控制器（600）根据模拟量信号计算第一拍摄点的Z轴高度，然后根据所述Z轴高度向Z轴电机（300）发送指令，所述Z轴电机（300）接收到指令后移动从而带动光学头（100）调整高度。

8.根据权利要求7所述的基于位置探测器的实时对焦方法，其特征在于，所述控制器（600）根据模拟量信号计算第一拍摄点的Z轴高度的过程为：根据模拟量信号计算得到位置探测器（500）的位置值，对所述位置值进行线性比例换算，即得到Z轴高度。

9.根据权利要求8所述的基于位置探测器的实时对焦方法，其特征在于，利用所述Z轴高度进行低通滤波计算，得到Z向偏差，然后对所述Z向偏差进行PID计算，得到Z轴电机（300）的位置移动量。

10.根据权利要求9所述的基于位置探测器的实时对焦方法，其特征在于，对所述Z向偏差进行PID计算的过程为：

判断Z向偏差的绝对值是否大于死区值，若是，则进行下一步；若否，则停止计算；

根据Z向偏差分别计算得到比例项、积分项和微分项；

根据所述比例项、积分项和微分项计算得到Z轴电机（300）的位置移动量。

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