CN113470108B - 一种晶圆圆心偏移检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆圆心偏移检测方法，包括：驱动晶圆在转盘上旋转一周；获取旋转时在摄像机下形成的多个图像；根据所述多个图像计算晶圆的偏移角度；根据所述多个图像计算晶圆的偏移距离；根据所述晶圆的偏移角度和偏移距离计算圆心的偏移坐标。本发明采用旋转载台带动晶圆转动，定点拍照，结构简单,采集分辨率自由可控制；精准推导圆心偏移公式，求取圆心偏移采用分离计算方法，采用多测量数据进行拟合来提高测量准确度，对微小数据进行等效估算，在数据保真前提下降低计算难度。利用余弦三角函数的曲线特点，对数据进行校验、插补、补偿，排除缺失、异常数据，光滑噪声，提高测量准确度和精度。

Description

一种晶圆圆心偏移检测方法

技术领域

本发明属于晶圆制造检测领域，具体涉及一种晶圆圆心偏移检测方法。

背景技术

随着晶圆制作工艺不断提高，在制作过程中对晶圆检测对位精度要求也越来越高，在晶圆制造过程中由于圆心位置偏移或对位精度不够造成不能精确定位缺陷位置问题、上下料碰撞、夹持失败等及其他问题，所以在其中转过程中需要进行对位或做更精准的调整，中转装置会根据计算出来的偏移位置差进行调整，使其保持良好的对齐（Alignment）状态或达到更高精度要求。

现有技术一般有以下几种处理方式：（1）通过搭配一套视觉系统，获取边缘区域图像，采集边缘信息，采用最小二乘法拟合圆，但由于边缘信息缺失（如有缺口或不规范）或失真（如倾斜）等原因，导致计算精度不精准；（2）通过周边布局多个测量节点，每个节点固有特定角度并测量圆边缘信息，然后寻找最大最小值，拟合三角函数，从而求得圆心偏移，但由于多测量节点方法数据采集分辨率有限，并没有完整的数学模型，只能求得偏移距离，无法准确求得偏移角度，同时没能把所有测量数据都用上，导致测量精度不高。（3）通过多传感器融合方法，有的采用高、低精度图像采集系统，先采用低精度系统调整到较大精度范围内，再通过较高精度进行计算，采用双整定的方法来提高测量精度。但是流程复杂，在满足需求的图像视野前提下，低精度图像系统是多余的，同时增加了测量时间。

现有晶圆计算圆心方法的缺点是：

1、边缘信息获取结构复杂

在获取晶圆边缘信息时，现有技术采用的是多点测量，需要将多个采集器分布在晶圆周边，结构复杂，调试困难，信息采集分辨率有限；

2、现有圆心偏移计算方法精准不够

现有圆心偏移计算方法，没有严格的推导过程，只有拟合出其中某个分量；对圆心偏移的计算只采用了部分测量数据，没法将所有测量数据使用来提高测量精度；

3、不能计算偏移角度

现有圆心偏移计算方法，只能计算圆心偏移距离，没法清楚计算圆心的偏移角度。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的目的就是为了解决现有晶圆圆心偏移计算方法的缺点。

具体的，本发明公开了一种晶圆圆心偏移检测方法，包括：

驱动晶圆在转盘上旋转一周；

获取旋转时在摄像机下形成的多个图像；

根据所述多个图像计算晶圆的偏移角度；

根据所述多个图像计算晶圆的偏移距离；

根据所述晶圆的偏移角度和偏移距离计算圆心的偏移坐标。

进一步地，所述驱动晶圆在转盘上旋转一周，包括：

转盘带动晶圆从初始相位角开始平均间隔预设角度取一张图，旋转一周。

进一步地，所述获取旋转时在摄像机下形成的多个图像，包括：

获取旋转时在摄像机下形成的多个图像；

根据所述多个图像中的每个图像得到晶圆圆心的角度和距离数据。

进一步地，在根据所述多个图像中的每个图像得到晶圆圆心的角度和距离数据之后，进行数据预处理，包括：

判断数据点是否为正常点，识别离群点、识别和填充缺失值、识别和纠正异常值、光滑噪声。

进一步地，所述识别和填充缺失值，包括：

判断n个点对应的值是否都存在，若不存在，视为缺失值；

采用左右相邻两个值估算中间值方法填补缺失值。

进一步地，所述识别和纠正异常值，包括：

利用相邻点的特性和相距

相位点负对称特性，逐位比较检查，如果偏差不在 误差范围之内，则视为异常值；

按照比例插值法，取代异常值。

进一步地，所述光滑噪声，包括：

初步拟合曲线，逐点比较，在设定偏差容忍度范围内为误差，大于偏差容忍范围为异常点；

按拟合曲线矫正，光滑曲线。

进一步地，所述根据所述多个图像计算晶圆的偏移角度，包括：

在一个旋转周期内计算出两个圆心的转角值，再根据三角函数对称特性采用对称补偿方法对这两个值进行平均。

进一步地，所述根据所述多个图像计算晶圆的偏移距离，包括：

采集所述偏移距离的最大和最小各至少3个值，采用最小二乘法分别拟合，然后采用补偿方法综合得到最终晶圆的偏移距离。

进一步地，所述根据所述晶圆的偏移角度和偏移距离计算圆心的偏移坐标，包括：

偏移坐标表示：

，

，其中x为横坐标，y为纵坐标，d为 晶圆的偏移距离，

为圆心的初始相位。

本发明的优点在于：（1）采用旋转载台带动晶圆转动，定点拍照，结构简单,采集分辨率自由可控制；（2）精准推导圆心偏移公式，求取圆心偏移（包括偏移距离和偏移角度）采用分离计算方法，对主体数据采用多测量数据进行拟合来提高测量准确度，对微小数据进行等效估算，在数据保真前提下降低计算难度。（3）利用余弦三角函数的曲线特点，对数据进行校验、插补、补偿，排除缺失、异常数据，光滑噪声，提高测量准确度和精度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的晶圆圆心偏移检测方法原理示意图；

附图2示出了根据本发明实施方式的几何模型原理示意图；

附图3示出了根据本发明实施方式的拟合光滑曲线示意图；

附图4示出了根据本发明实施方式的数据预处理并绘制曲线示意图；

附图5示出了根据本发明实施方式的计算旋转角过程示意图；

附图6示出了根据本发明实施方式的计算偏移距离过程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明在做晶圆对齐（晶圆 alignment）时，让晶圆在转盘上旋转，获取旋转时在摄像机下形成的规律。如图1所示，相机的原点与θ轴的中心处于同一水平线上，θ轴带着晶圆旋转一周，从相机会看到处于该水平线上的晶圆圆弧边随着旋转角度左右偏移，偏移到最左侧时的旋转角度记为θ₁（坐标系里的180度），偏移到最右侧时的旋转角度记为θ₂（坐标系里的0度），晶圆中心离θ轴中心的距离就是最大偏移距离的一半，角度就是θ₁+180。本方法通过平均θ′间隔角旋转转盘并获取一张图像，旋转一周，取图总数大于等于6，通过多测点拟合曲线、估算来提高晶圆中心偏移计算精度。根据在相机成像下运动规律特征，建立几何模型如下：

如图2所示，根据三角形关系，

，

，所以

；

根据距离关系，

，可知

；由于

，

，

，

，所以：

；

即为offset在θ偏移角度时的值，由于转盘带动晶圆从初始相位角

开始平均 间隔θ′角度取一张图，旋转一周，即：

根据上述的推 导公式，求解圆心偏移的方法：首先求解初始相位角

，也是圆心偏移角度，然后拟合

曲线，可得圆心偏移距离d，最后采用三角函数关系求解圆心偏移。在实际 应用中，由于某种原因可能会导致数据出现缺失、异常、噪声现象，所以在进行计算偏移前 对数据进行预处理，确保数据的完整和准确性。具体的方法如下：

1. 数据预处理

根据三角函数曲线特性，分段单调，两个极点，相隔n/2个点位置负对称，对数据进行检查，判断数据点是否为正常点，数据检查和矫正：识别离群点、缺失点，填充缺失值、纠正数据、光滑噪声：1）缺失值；2）异常值；3）噪声数据。

1）缺失值，判断n个点对应的值是否都存在，若不存在，视为缺失值。处理方法，采用左右相邻两个值估算中间值方法填补缺失值。

2）异常值，利用相邻点的特性和相距

相位点负对称等特性，逐位比较检查，如 果偏差不在误差范围之内，则视为异常值。

3）噪声数据，通过上述方法填补缺失和矫正异常后，进行初步拟合曲线，逐点比较，在设定偏差容忍度范围内为误差，大于偏差容忍范围为异常点。按拟合曲线矫正，光滑曲线。

当出现异常点或缺失值时，首先按照比例插值法，填补缺失或取代异常，再进一步进行拟合，光滑曲线，纠正数据，如图3所示。

2. 计算偏移角度

载台带动晶圆旋转一周，采集n个点，数据预处理，绘制曲线并对曲线进行分离，如图4所 示，L1为实际曲线

，L2为

曲线，L3为

曲线，L3为相对偏移，由于该部分公式比较复杂，不利于后期计算，所以对该部分进行简化， 将L3曲线与θ轴构成等效成两个等腰三角形的组合，周期为

；

在L3曲线峰谷处对应

的零点，

和

相位相同， 所以通过计算峰谷的位置可得

零点，根据相位平移计算

的初始 相位角，等同计算

的初始相位角；

在晶圆旋转一个周期内，顺序采集n个数据（6个点或以上），L3曲线形成两个近似 三角形，这两个近似三角的面积之和s等于

在周期内的所有数据之和，根据三 角形的面积计算方法可求得近似三角形高h，

，在

曲线上找出值为h时对应旋角坐标的值，该值夹于

的某两个测量点A、B的值之 间，通过大小比较可以找出A、B两点，根据该两点的转角和对应值采用线性插值方法求得该 h对应转角。在一个旋转周期内可计算出两个转角值

、

，再根据三角函数对称特性采用 对称补偿方法对这两个值进行平均。在

的

处如果呈现单调递减则初始相位 角为

，如果呈现单调递增则初始相位角为

，如图5所示。

3. 计算偏移距离

由于在最值附近

和

的值基本重合，最值相等，所以分 别找出最大和最小各至少3个值，采用最小二乘法分别拟合

，分别拟合函数 后得d₁、d₂，采用补偿方法综合得到d，如图6所示。

4. 计算圆心偏移

通过上述的求解，可得初始相位

和偏移距离d，即晶圆旋转360度回到原点处的 圆心的偏移角度和距离，偏移坐标表示：

，

，其中x为横坐标， y为纵坐标，d为晶圆的偏移距离，

为圆心的初始相位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种晶圆圆心偏移检测方法，其特征在于，包括：

驱动晶圆在转盘上旋转一周；

获取旋转时在摄像机下形成的多个图像，包括：获取旋转时在摄像机下形成的多个图像；根据所述多个图像中的每个图像得到晶圆圆心的角度和距离数据；进行数据预处理，包括：判断数据点是否为正常点，识别离群点、识别和填充缺失值、识别和纠正异常值、光滑噪声；所述识别和填充缺失值，包括：判断n个点对应的值是否都存在，若不存在，视为缺失值；采用左右相邻两个值估算中间值方法填补缺失值；所述识别和纠正异常值，包括：利用相邻点的特性和相距π/2相位点负对称特性，逐位比较检查，如果偏差不在误差范围之内，则视为异常值；按照比例插值法，取代异常值；所述光滑噪声，包括：初步拟合曲线，逐点比较，在设定偏差容忍度范围内为误差，大于偏差容忍范围为异常点；按拟合曲线矫正，光滑曲线；

根据所述多个图像计算晶圆的偏移角度，包括：在一个旋转周期内计算出两个圆心的转角值，再根据三角函数对称特性采用对称补偿方法对这两个值进行平均；具体包括：

载台带动晶圆旋转一周，采集n个点，数据预处理，绘制曲线并对曲线进行分离，L1为实际曲线offset（θ+φ），L2为d•cos（θ+φ）曲线，L3为

曲线，L3为相对偏移，将L3曲线与θ轴等效成两个近似等腰三角形的组合，周期为π；

在L3曲线峰谷处对应d•cos（θ+φ）的零点，d•cos（θ+φ）和offset（θ+φ）相位相同，通过计算峰谷的位置得d•cos（θ+φ）零点，根据相位平移计算d•cos（θ+φ）的初始相位角，等同计算offset（θ+φ）的初始相位角；

在晶圆旋转一个周期内，顺序采集n个数据，这两个近似等腰三角形的面积之和s等于offset（θ+φ）在周期内的所有数据之和，根据三角形的面积计算方法求得近似三角形高h，h=2×（s/2）/（n/2）=2s/n，在offset（θ+φ）曲线上找出值为h时对应旋角坐标的值，该值夹于offset（θ+φ）的两个测量点A、B的值之间，通过大小比较找出A、B两点，根据该两点的转角和对应值采用线性插值方法求得该h对应转角；在一个旋转周期内计算出两个转角值φ₁、φ₂，再根据三角函数对称特性采用对称补偿方法对这两个值进行平均；在offset（θ+φ）的φ处如果呈现单调递减则初始相位角为φ=90-φ₁，如果呈现单调递增则初始相位角为φ=270-φ₁；

根据所述多个图像计算晶圆的偏移距离，包括：采集所述偏移距离的最大和最小各至少3个值，采用最小二乘法分别拟合，然后采用补偿方法综合得到最终晶圆的偏移距离；

根据所述晶圆的偏移角度和偏移距离计算圆心的偏移坐标，包括：

偏移坐标表示：x=d·cos（φ），y=d·sin（φ），其中x为横坐标，y为纵坐标，d为晶圆的偏移距离，φ为圆心的初始相位。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆圆心偏移检测方法，其特征在于，

所述驱动晶圆在转盘上旋转一周，包括：

转盘带动晶圆从初始相位角开始平均间隔预设角度取一张图，旋转一周。

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