CN114688993B - 一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法 - Google Patents

一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法，包括采集：大范围聚焦采集形貌标定晶圆在晶圆承载台上时的三维形貌特征信息，作为形貌标定数据；使用过程包括：一、载入实测晶圆，利用当前光学系统对晶圆的参考测量点大范围聚焦得到实际焦点值；利用形貌标定数据和参考测量点的坐标信息算出标定用光学系统在该处的标定焦点，读取当前光学系统与标定用光学系统的光学焦点偏差；算出实际焦点值偏离标定焦点值的距离；二、利用形貌标定数据和测量点坐标算出标定用光学系统在测量点的标定焦点，读取光学焦点偏差，算出当前光学系统的起始聚焦位置；三、进行小范围聚焦找到满足容差的焦点位置。本发明能够缩短聚焦时间，提高聚焦效率，且能实现精准对焦。

Description

一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法
技术领域
本发明涉及半导体的加工制造领域，具体涉及一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法。
背景技术
光学量测技术以其无损、高速等特点被广泛应用于半导体生产环节中。
随着半导体技术的发展，对光学量测系统的聚焦精确性和重复性要求越来越高，聚焦精度要求以达到亚微米级。依据SEMI的标准，晶圆的厚度偏差会达到正负50微米，因此，每次聚焦时聚焦系统需要在正负50微米的范围内寻找出亚微米误差的焦点位置。
现有聚焦方法一般都是考虑了晶圆厚度变化和承载台本身形貌变化范围后的大范围聚焦方法，也有使用第一个量测点聚焦结果作为后续其它测量点聚焦基准，以此缩小后续量测点的聚焦范围的方法。但是无论哪一种都需要将晶圆承载台的三维形貌差异引起的焦点变化代入到聚焦范围中，从而导致聚焦时间的变长。
此外，在某些量测系统中存在需要晶圆多次旋转、多次测量的情况，由于运动平台旋转轴的旋转会引起晶圆承载台的三维形貌的变化，从而引起聚焦范围的变化。因此，为了能够聚焦成功，只能加大聚焦范围，从而也会导致聚焦时间的变长。
因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本发明所要研究解决的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法，包括形貌标定数据的采集以及使用；
形貌标定数据的采集包括：
利用形貌标定晶圆和标定用光学系统，运用大范围聚焦的方式采集所述形貌标定晶圆在晶圆承载台上时的三维形貌特征信息，并作为形貌标定数据；
形貌标定数据的使用过程包括：
S01、载入实际测量晶圆，利用当前光学系统，对晶圆的第一测量点进行大范围聚焦，得到实际焦点值，该第一测量点作为参考测量点；
利用所述形貌标定数据和所述参考测量点的坐标信息，计算出标定用光学系统在第一测量点位置的标定焦点，读取当前光学系统与标定用光学系统的光学焦点偏差；
计算出实际焦点值偏离标定焦点值的距离；
S02、实际测量时，利用形貌标定数据和测量点坐标计算出标定用光学系统在测量点的标定焦点，读取光学焦点偏差，计算出当前光学系统的起始聚焦位置；
S03、基于起始聚焦位置进行小范围聚焦，最终找到满足容差的焦点位置。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1．上述方案中，于所述形貌标定数据的采集中，所述形貌标定晶圆在晶圆承载台上时的三维形貌特征信息为（θ、X、Y、Z）。
2．上述方案中，于所述形貌标定数据的使用过程中，S01中，所述参考测量点的坐标信息为（θ1、X1、Y1）；
计算出实际焦点值偏离标定焦点值的距离Zmoffset的公式如下：
Zmoffset=Z1-Zsystemoffset-Z1’；
其中Z1为实际焦点值，Z1’为标定焦点值，Zsystemoffset为当前光学系统与标定用光学系统的光学焦点偏差；
S02中，所述测量点的坐标信息为（θ2、X2、Y2）；
计算出当前光学系统的起始聚焦位置Zmi’的公式如下：
Zmi’=Z2’+Zmoffset+Zsystemoffset；
其中Z2’为标定用光学系统对测量点的标定焦点；
S03中，焦点位置为Zm。
3．上述方案中，形貌标定数据的采集包括：
S11、载入一形貌标定晶圆；
S12、选定一光学系统作为标定用光学系统，用于晶圆承载台的三维形貌标定；
S13、若晶圆承载台存在θ轴，且需要旋转，则根据旋转角度范围设定N个标定角度，各标定角度间的步长相等，以此建立一标定角度集；所述旋转角度范围大于0°且小于或等于360°，所述标定角度集表达为：
{Angle1，Angle2，……AngleI，……AngleN}，1≤I≤N；
如不需要旋转，则所述标定角度集表达为{Angle1 = 0}；
S14、选择晶圆上的标定位置，该标定位置的数量为n个，以此建立一标定位置集，该标定位置集表达为：
{(X1,Y1)、(X2,Y2)、……(Xi,Yi)、……(Xn,Yn)}，1≤i≤n；
S15、绕θ轴旋转晶圆承载台，使其到达S13中的设定角度AngleI；
S16、对S14中所述标定位置集中的各所述标定位置依次使用所述标定用光学系统进行分别聚焦，获得一组标定数据，该组标定数据表达为：
Angle= AngleI；
Profiles={(X1’,Y1’,Z1’)、(X2’,Y2’,Z2’)、……(Xi’,Yi’,Zi’)、……(Xn’,Yn’,Zn’)}；
S17、重复S15和S16，直至S13中的N个标定角度均已完成对应标定位置集的标定；
S18、存储所有的标定数据到一标定文件中，至此完成所述形貌标定数据的采集。
4．上述方案中，使用所述形貌标定数据进行快速聚焦的步骤包括：
S21、载入当前需要实际测量的晶圆；
S22、读取所述标定用光学系统与当前量测使用的光学系统的光学焦点偏差Zsystemoffset；
S23、判断晶圆承载台是否要绕自身θ轴旋转；
如需要旋转，则将晶圆承载台旋转至测量所需角度θm；
如不需要旋转，则θm为0度；
S24、通过所述晶圆承载台或当前量测使用的光学系统的运动，使实际测量晶圆的一参考测量点位于当前光学系统的聚焦范围内；
使用当前光学系统对所述实际测量晶圆的所述参考测量点处进行大范围聚焦；
聚焦完成后，所述参考测量点的三维形貌特征表达为{(Xm1’,Ym1’,Zm1’)}；
依据所述形貌标定数据进行如下操作：
a）在所述标定角度集中查找和当前量测角度θm最近的角度；
b）当标定角度范围为非360°时，若θm<Angle1，则形貌数据选取Angle1对应的形貌标定数据；若θm>AngleN, 则形貌数据选取AngleN对应的形貌标定数据；若θm=AngleI，则形貌数据选取AngleI对应的形貌标定数据；
当标定角度范围为360°时，θm=AngleI，形貌数据选取AngleI对应的形貌标定数据；
若AngleI<θm <AngleJ，则AngleI和AngleJ分别对应一套形貌标定数据；
c）在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值；
d）计算出实际焦点值Zm1’偏离标定焦点值Zt1的距离Zmoffset并进行保存，计算公式如下：
Zmoffset =Zm1’- Zsystemoffset -Zt1；
S25、测量下一点，将晶圆承载台绕θ轴旋转到测量所需角度θmi，如无需旋转则θ轴默认为0度；
a）使用S24中的a)~c)计算出所述标定用光学系统在θmi，（Xmi,Ymi）位置的标定焦点Ztmi；
b）计算出所述当前光学系统的起始聚焦位置Zmi’，计算公式如下：
Zmi’=Ztmi+Zmoffset+Zsystemoffset；
S26、基于Zmi’进行小范围聚焦，最终找到满足容差的焦点位置；
S27、重复S25和S26，直至所有的测量点完成聚焦测量。
5．上述方案中，于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若（Xm1’,Ym1’）周围有四个标定位置，将这四个标定位置分别定义为P1{X1,Y1,Z1}、P2{X2,Y2,Z2}、P3{X3,Y3,Z3}和P4{X4,Y4,P4}，此时Zt1采用双线性插值计算得出，计算公式为：
Z(Xmi’,Y1) = (X2- Xmi’)* Z2/(X2-X1) + (Xmi’-X1)* Z1/(X2-X1)；
Z(Xmi’,Y3) = (X4- Xmi’)* Z4/(X4-X3) + (Xmi’-X3)* Z3/(X4-X3)；
Zt1= (Y3- Ymi’)* Z(Xmi’,Y3)/(Y3-Y1) + (Ymi’-Y1)* Z(Xmi’,Y1)/(Y3-Y1)。
6．上述方案中，于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若(Xm1’,Ym1’ )周围少于四个标定位置，以两个标定位置为例，将这两个标定位置分别定义为P1{X1,Y1,Z1}和P2{X2,Y2,Z2}，此时Zt1采用反距离权重计算得出，计算公式为：
Di1 =(Xmi’,Ymi)到P1的距离；
Di2 =(Xmi’,Ymi)到P2的距离；
Zt1= Di1*Z1/(Di1+Di2)+Di2*Z2/(Di1+Di2)。
7．上述方案中，于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若当前角度处于两个标定角度之间，此时需要进行角度插值；定义这两个标定角度分别为Angel1和Angle2；
将(Xm1’,Ym1’ )旋转到Angle1，得到新的坐标(Xangle1,Yangle1)；
将(Xm1’,Ym1’ )旋转到Angle2，得到新的坐标(Xangle2,Yangle2)；
计算公式如下：
Xangle1=Xm1’*cos(Angle1-AngleI) - Ym1’*sin(Angle1-AngleI)；
Yangle1=Xm1’*sin(Angle1-AngleI) + Ym1’*cos(Angle1-AngleI)；
Xangle2=Xm1’*cos(Angle2-AngleI) - Ym1’*sin(Angle2-AngleI)；
Yangle2=Xm1’*sin(Angle2-AngleI) + Ym1’*cos(Angle2-AngleI)；
计算出(Xangle1,Yangle1)在Angle1的标定焦点Zangle1，以及(Xangle2,Yangle2)在Angle2的标定焦点Zangle2；
最后，对角度进行线性插值，计算出Zt1，计算公式如下：
Zt1=(Angle2-AngleI)*Zangle2/(Angle2-Angle1)+(AngleI-Angle1)*Zangle1/(Angle2-Angle1)。
8．上述方案中，于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若（Xm1’,Ym1’）既位于多个标定位置之间，同时角度又处于两个标定角度之间时；首先，在θm角度下（Xm1’,Ym1’）坐标绕（0，0）坐标旋转，分别旋转到AngleI、AngleJ得到（Xm1’,Ym1’）在AngleI、AngleJ下的平面坐标（Xm1angleI’,Ym1angleI’）和（Xm1angleJ’,Ym1angleJ’）；
然后，使用AngleI和AngleJ各自对应的标定数据，分别计算出（Xm1angleI’,Ym1angleI’）、（Xm1angleJ’,Ym1angleJ’）的标定焦点Zm1angleI’、Zm1angleJ’；
最后，对角度进行线性插值，计算出Zt1，计算公式如下：
Zt1=(AngleJ-θm)*Zm1angleJ’/(AngleJ-AngleI)+(θm-AngleJ)*Zm1angleI’/(AngleJ-AngleI)。
本发明的工作原理及优点如下：
本发明使用不同旋转角度下的晶圆承载台的三维形貌标定数据，以及任一光学系统在任一位置第一次成功聚焦结果作为参考数据，可以快速计算出其它测量位置的起始聚焦位置，使用标定用光学系统进行三维形貌标定后，可将晶圆的聚焦范围缩小到正负2微米内，从而极大提升系统的聚焦效率。
相比现有技术而言，本发明在对晶圆进行聚焦检测时，不仅能够缩短聚焦时间，且能够实现精准对焦。同时，本发明可满足晶圆在多次旋转、多次测量时的快速聚焦要求。
附图说明
附图1为本发明实施例的流程框图；
附图2为本发明实施例在形貌标定晶圆上选择标定位置时的示意图；
附图3为本发明实施例（Xm1’,Ym1’）位于四个标定位置之间时的示意图；
附图4为本发明实施例（Xm1’,Ym1’）位于两个标定位置之间时的示意图；
附图5为本发明实施例（Xm1’,Ym1’）位于两个标定角度之间时的示意图；
附图6为有图案晶圆的街道交叉点处设有特征图案的原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
以下将以图式及详细叙述对本案进行清楚说明，任何本领域技术人员在了解本案的实施例后，当可由本案所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本案的精神与范围。
本文的用语只为描述特定实施例，而无意为本案的限制。关于本文中所使用的用词（terms），除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。
实施例：一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法，包括形貌标定数据的采集以及使用。
具体的，如图1所示，形貌标定数据的采集以及使用所述形貌标定数据进行快速聚焦可通过下述方法进行：
其中，所述形貌标定数据的采集包括：
S11、载入一形貌标定晶圆，该形貌标定晶圆为一标准晶圆，将其置于晶圆承载台的台面上；
S12、选定一光学系统（如聚焦精度最高的光学系统）作为标定用光学系统（BaseFouceSystem），用于晶圆承载台的三维形貌标定；
S13、若晶圆承载台存在θ轴，且需要旋转，则根据旋转角度范围设定N个相同的标定角度，各标定角度间的步长相等，以此建立一标定角度集；所述旋转角度范围大于0°且小于或等于360°，所述标定角度集表达为：
{Angle1，Angle2，……AngleI，……AngleN}，1≤I≤N；
如不需要旋转，则所述标定角度集表达为{Angle1 = 0}；
S14、选择晶圆上的标定位置，该标定位置的数量为n个，以此建立一标定位置集，该标定位置集表达为：
{(X1,Y1)、(X2,Y2)、……(Xi,Yi)、……(Xn,Yn)}，1≤i≤n；
标定位置的选择通常可使用棋盘格的方式，如图2所示，将每个交叉点定义为一个标定位置。
S15、绕θ轴旋转晶圆承载台，使其到达S13中的设定角度AngleI；
步骤S16、对S14中所述标定位置集中的各所述标定位置依次使用所述标定用光学系统进行分别聚焦，获得一组标定数据，该组标定数据表达为：
Angle= AngleI；
Profiles={(X1’,Y1’,Z1’)、(X2’,Y2’,Z2’)、……(Xi’,Yi’,Zi’)、……(Xn’,Yn’,Zn’)}；
其中Profiles意为三维形貌信息。
S17、重复S15和S16，直至S13中的N个标定角度均已完成对应标定位置集的标定；此时共有N*n个标定数据。
S18、存储所有的标定数据到一标定文件中，至此完成所述形貌标定数据的采集。
使用所述形貌标定数据进行快速聚焦的步骤包括：
S21、载入当前需要实际测量的晶圆；
S22、清除算法中已有的基准数据，读取所述标定用光学系统与当前量测使用的光学系统（如椭偏系统、反射系统、图像系统等）的光学焦点偏差Zsystemoffset。
所述光学焦点偏差Zsystemoffset可由系统直接获得，由于其具体获得方法为现有技术，故本案不作赘述。
S23、判断晶圆承载台是否要绕自身θ轴旋转；
如需要旋转，则将晶圆承载台旋转至测量所需角度θm；
如不需要旋转，则θm为0度；
S24、通过所述晶圆承载台或当前量测使用的光学系统（Systemfocus）的运动，使实际测量晶圆的一参考测量点位于当前光学系统的聚焦范围内；
使用当前光学系统对所述实际测量晶圆的所述参考测量点处进行大范围聚焦，聚焦精度为±200μm；
聚焦完成后，所述参考测量点的三维形貌特征表达为{(Xm1’,Ym1’,Zm1’)}。
然后，依据所述形貌标定数据进行如下操作：
a）在所述标定角度集中查找和当前量测角度θm最近的角度；
b）当标定角度范围为非360°时，若θm<Angle1，则形貌数据选取Angle1对应的形貌标定数据；若θm>AngleN, 则形貌数据选取AngleN对应的形貌标定数据；若θm=AngleI，则形貌数据选取AngleI对应的形貌标定数据；选取的形貌标定数据可定义为BaseProfile。
当标定角度范围为360°时，θm=AngleI，形貌数据选取AngleI对应的形貌标定数据，选取的形貌标定数据可定义为BaseProfile。
若AngleI<θm <AngleJ，则AngleI和AngleJ分别对应一套形貌标定数据，并分别定义为BaseProfilei和BaseProfilej。
c）在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
①若（Xm1’,Ym1’）周围有四个标定位置（见图3），将这四个标定位置分别定义为P1{X1,Y1,Z1}、P2{X2,Y2,Z2}、P3{X3,Y3,Z3}和P4{X4,Y4,P4}，此时Zt1采用双线性插值计算得出，计算公式为：
Z(Xmi’,Y1) = (X2- Xmi’)* Z2/(X2-X1) + (Xmi’-X1)* Z1/(X2-X1)；
Z(Xmi’,Y3) = (X4- Xmi’)* Z4/(X4-X3) + (Xmi’-X3)* Z3/(X4-X3)；
Zt1= (Y3- Ymi’)* Z(Xmi’,Y3)/(Y3-Y1) + (Ymi’-Y1)* Z(Xmi’,Y1)/(Y3-Y1)。
除采用双线性插值外，还可采用双三次插值，样条插值，反距离权重等其他二维插值算法。
②若(Xm1’,Ym1’ )周围少于四个标定位置，以两个标定位置为例（见图4），将这两个标定位置分别定义为P1{X1,Y1,Z1}和P2{X2,Y2,Z2}，此时Zt1采用反距离权重计算得出，计算公式为：
Di1 =(Xmi’,Ymi)到P1的距离；
Di2 =(Xmi’,Ymi)到P2的距离；
Zt1= Di1*Z1/(Di1+Di2)+Di2*Z2/(Di1+Di2)。
③若当前角度处于两个标定角度之间时（见图5），则判定BaseProfile有两个，此时需要进行角度插值；这是由于角度变化是线性变化，因此线角度使用一维线性插值更适合。定义这两个标定角度分别为Angel1和Angle2；
将(Xm1’,Ym1’ )旋转到Angle1，得到新的坐标(Xangle1,Yangle1)；
将(Xm1’,Ym1’ )旋转到Angle2，得到新的坐标(Xangle2,Yangle2)；
计算公式如下：
Xangle1=Xm1’*cos(Angle1-AngleI) - Ym1’*sin(Angle1-AngleI)；
Yangle1=Xm1’*sin(Angle1-AngleI) + Ym1’*cos(Angle1-AngleI)；
Xangle2=Xm1’*cos(Angle2-AngleI) - Ym1’*sin(Angle2-AngleI)；
Yangle2=Xm1’*sin(Angle2-AngleI) + Ym1’*cos(Angle2-AngleI)；
使用①和②中的方法计算出(Xangle1,Yangle1)在Angle1的标定焦点Zangle1，以及(Xangle2,Yangle2)在Angle2的标定焦点Zangle2；
最后，对角度进行线性插值，计算出Zt1，计算公式如下：
Zt1=(Angle2-AngleI)*Zangle2/(Angle2-Angle1)+(AngleI-Angle1)*Zangle1/(Angle2-Angle1)。
④若（Xm1’,Ym1’）既位于多个标定位置之间，同时角度又处于两个标定角度之间时；首先，在θm角度下（Xm1’,Ym1’）坐标绕（0，0）做坐标旋转，分别旋转到AngleI、AngleJ得到（Xm1’,Ym1’）在AngleI、AngleJ下的平面坐标（Xm1angleI’,Ym1angleI’）和（Xm1angleJ’,Ym1angleJ’）；
然后，使用AngleI和AngleJ各自对应的标定数据，分别计算出（Xm1angleI’,Ym1angleI’）、（Xm1angleJ’,Ym1angleJ’）的标定焦点Zm1angleI’、Zm1angleJ’；
最后，对角度进行线性插值，计算出Zt1，计算公式如下：
Zt1=(AngleJ-θm)*Zm1angleJ’/(AngleJ-AngleI)+(θm-AngleJ)*Zm1angleI’/(AngleJ-AngleI)。
d）计算出实际焦点值Zm1’偏离标定焦点值Zt1的距离Zmoffset并进行保存，计算公式如下：
Zmoffset =Zm1’- Zsystemoffset -Zt1；
S25、测量下一点，将晶圆承载台绕θ轴旋转到测量所需角度θmi，如无需旋转则θ轴默认为0度；然后进行如下操作：
a）使用S24中的a)~c)计算出所述标定用光学系统在θmi，（Xmi,Ymi）位置的标定焦点Ztmi；
b）计算出所述当前光学系统的起始聚焦位置Zmi’，计算公式如下：
Zmi’=Ztmi+Zmoffset+Zsystemoffset；
S26、基于Zmi’进行小范围聚焦（±2μm），最终找到满足容差的焦点位置；
S27、重复S25和S26，直至所有的测量点完成聚焦测量。
现通过三种不同的具体实施方案对本实施例进行补充说明：
方案一：
在实施例的基础上，若被测量的晶圆有图案时，需要使用图案标记进行对准，在此类实施例的过程中，晶圆承载台不会有任何旋转，故不存在角度相关的计算。
通常有图案晶圆的街道交叉点都设有用于晶圆定位的特征图案（如十字图案，田字图案，钻石图案等），一般会选择处于同一街道上的两个图案作为对准图案。创建配方时，标定出这两个图案位置的坐标，使用时通过图像匹配查找这两个图案的实际位置，以此计算晶圆的实际位置和配方中的位置的平移偏差和角度偏差。其中，“街道”意为晶圆上的芯片贴装位（die）之间的间隔（如图6所示）。
具体实施时，首先需要进行图案聚焦；
使用两个或者两个以上的对准点进行对准，在第一个对准点使用量测系统中的聚焦系统（AF System，也就是用标定用光学系统BaseFouceSystem）进行大范围聚焦，得到在第一个对准点的实际焦点值Z1。
读取聚焦系统BaseFocusSystem焦点和图像系统（PR）焦点的偏差Zsystemoffset。PR为图像系统，即采集晶圆图像的光学系统，焦点的偏差即两个光学系统的焦点在Z方向不共焦，存在偏移距离deltaZ。
将Z1’=Z1+Zsystemoffset作为图像系统的起始聚焦位置，基于该起始聚焦位置对图像系统进行精细聚焦，得到图像新系统焦点Zf1。
将图像系统、第一对准点的平面坐标以及图像聚焦系统标定焦点和实际焦点偏差DeltaZ输入进算法，作为计算形貌的基准参数。
在对后续对准点聚焦时，直接输入后续对准点的平面坐标，计算出聚焦系统在后续对准点的标定焦点Zbasei。再计算出图像系统在后续对准点的起始聚焦位置Zfi=Zbasei+Zsystemoffset+DeltaZ。由于图像系统的焦深范围通常都大于基于晶圆承载台三维形貌确定的焦点误差，故可直接使用该起始聚焦位置，无需再做进一步的精细聚焦。若精度不能达标，即图像模糊无法进行图像匹配运算，则使用该起始聚焦位置进行精细聚焦找到图像系统容差范围内焦点。具体效果见下表1：
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
通过表1可知，相比两个对比例而言，本发明实施例的方案一能够显著缩短后续测量点的聚焦时间，并大幅缩短晶圆对准两点时间。而聚焦精度为2μm，实际上已经完全满足图像系统焦深范围内对准效果的要求。即，同时还可确保聚焦精度和准确率。
方案二：
在实施例的基础上，可利用晶圆承载台的三维形貌加速无图案晶圆测量点聚焦。
在进行无图案的晶圆测量时，如第一点聚焦时，需要使用量测系统中的聚焦系统（AF System）进行大范围聚焦，得到在第一点位置的聚焦系统实际焦点值。
再依据需要使用的量测系统（如椭偏系统、反射系统、单波长系统等）焦点和聚焦系统焦点的偏差作为量测系统的起始聚焦位置，基于该起始聚焦位置对图像系统进行精细聚焦，聚焦完成后将运动平台角度、聚焦系统焦点、聚焦系统以及该处平面坐标输入进算法。
在后续点聚焦时，直接输入后续点的平面坐标，依据前叙步骤的方法可计算出后续点的量测系统起始聚焦位置，再使用该起始聚焦位置进行精细聚焦找到量测系统容差范围内的焦点。具体效果见下表2：
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE002
通过表2可知，相比两个对比例而言，本发明实施例的方案二能够在保证聚焦精度和准确率的前提下，显著缩短后续测量点的聚焦时间。
方案三：
可利用晶圆承载台三维形貌加速测量点聚焦和测量点图像存储（该方案三可理解为是方案一的进一步延伸）。
在测量晶圆时需要存储测量点位置的图像以确保测量位置的正确性以及判断测量点是否有缺陷。在进行第一点聚焦时，需要使用量测系统中的聚焦系统（AF）进行大范围聚焦，得到在该第一点位置的聚焦系统焦点。
再依据需要使用的量测系统（如椭偏系统、反射系统、单波长系统等）焦点和聚焦系统焦点的偏差作为量测系统的起始聚焦位置，基于该起始聚焦位置对量测系统进行精细聚焦，聚焦完成后将运动平台角度、聚焦系统焦点、聚焦系统以及该处平面坐标输入进算法。
为了确保测量位置的正确性，还需要保存测量点位置的图像，依据前叙步骤可计算出该量测位置的图像系统起始聚焦位置，由于图像系统的焦深范围通常都大于基于晶圆承载台三维形貌确定的焦点误差，故可直接使用该起始聚焦位置，再者测量点图像对图像清晰度要求不是非常高，故无需再做进一步的精细聚焦。
在后续点聚焦时，直接输入后续点的平面坐标，依据前叙的方法可计算出后续点的量测系统起始聚焦位置，使用该起始聚焦位置进行精细聚焦找到量测系统容差范围内焦点。保存后续测量点图像时，同理可计算出该量测位置的图像系统的起始聚焦位置，无需做精细聚焦，直接使用。具体效果见下表3：
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE003
通过表3可知，相比两个对比例而言，由于在测量系统聚焦时已经有了实际焦点和标定焦点偏差，故可以在存储图像时使用，使本发明实施例的方案三能够实现第一对准点聚焦时间为0s；而聚焦精度为2μm，实际上已经完全符合图像系统焦深范围内对准效果的要求。即，该方案能够在保证聚焦精度和准确率的前提下，大幅缩短第一对准点的聚焦时间以及后续对准点的聚焦时间，同时可大幅缩短测量点图像存储时间。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于晶圆承载台三维形貌快速聚焦的方法，其特征在于：
包括形貌标定数据的采集以及使用；
形貌标定数据的采集包括：
利用形貌标定晶圆和标定用光学系统，运用大范围聚焦的方式采集所述形貌标定晶圆在晶圆承载台上时的三维形貌特征信息，并作为形貌标定数据；
形貌标定数据的使用过程包括：
S01、载入实际测量晶圆，利用当前光学系统，对晶圆的第一测量点进行大范围聚焦，得到实际焦点值，该第一测量点作为参考测量点；
利用所述形貌标定数据和所述参考测量点的坐标信息，计算出标定用光学系统在第一测量点位置的标定焦点值，读取当前光学系统与标定用光学系统的光学焦点偏差；
计算出实际焦点值偏离标定焦点值的距离；
S02、实际测量时，利用形貌标定数据和测量点坐标计算出标定用光学系统在测量点的标定焦点值，读取光学焦点偏差，计算出当前光学系统的起始聚焦位置；
S03、基于起始聚焦位置进行小范围聚焦，最终找到满足容差的焦点位置。
2.根据权利要求1所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
于所述形貌标定数据的采集中，所述形貌标定晶圆在晶圆承载台上时的三维形貌特征信息为（θ、X、Y、Z）。
3.根据权利要求1或2所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
于所述形貌标定数据的使用过程中，S01中，所述参考测量点的坐标信息为（θ1、X1、Y1）；
计算出实际焦点值偏离标定焦点值的距离Zmoffset的公式如下：
Zmoffset=Z1-Zsystemoffset-Z1’；
其中Z1为实际焦点值，Z1’为标定焦点值，Zsystemoffset为当前光学系统与标定用光学系统的光学焦点偏差；
S02中，所述测量点的坐标信息为（θ2、X2、Y2）；
计算出当前光学系统的起始聚焦位置Zmi’的公式如下：
Zmi’=Z2’+Zmoffset+Zsystemoffset；
其中Z2’为标定用光学系统对测量点的标定焦点值；
S03中，焦点位置为Zm。
4.根据权利要求1所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
形貌标定数据的采集包括：
S11、载入一形貌标定晶圆；
S12、选定一光学系统作为标定用光学系统，用于晶圆承载台的三维形貌标定；
S13、若晶圆承载台存在θ轴，且需要旋转，则根据旋转角度范围设定N个标定角度，各标定角度间的步长相等，以此建立一标定角度集；所述旋转角度范围大于0°且小于或等于360°，所述标定角度集表达为：
{Angle1，Angle2，……AngleI，……AngleN}，1≤I≤N；
如不需要旋转，则所述标定角度集表达为{Angle1 = 0}；
S14、选择晶圆上的标定位置，该标定位置的数量为n个，以此建立一标定位置集，该标定位置集表达为：
{(X1,Y1)、(X2,Y2)、……(Xi,Yi)、……(Xn,Yn)}，1≤i≤n；
S15、绕θ轴旋转晶圆承载台，使其到达S13中的设定角度AngleI；
S16、对S14中所述标定位置集中的各所述标定位置依次使用所述标定用光学系统进行分别聚焦，获得一组标定数据，该组标定数据表达为：
Angle= AngleI；
Profiles={(X1’,Y1’,Z1’)、(X2’,Y2’,Z2’)、……(Xi’,Yi’,Zi’)、……(Xn’,Yn’,Zn’)}；
S17、重复S15和S16，直至S13中的N个标定角度均已完成对应标定位置集的标定；
S18、存储所有的标定数据到一标定文件中，至此完成所述形貌标定数据的采集。
5.根据权利要求4所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
使用所述形貌标定数据进行快速聚焦的步骤包括：
S21、载入当前需要实际测量的晶圆；
S22、读取当前光学系统与标定用光学系统的光学焦点偏差Zsystemoffset；
S23、判断晶圆承载台是否要绕自身θ轴旋转；
如需要旋转，则将晶圆承载台旋转至测量所需角度θm；
如不需要旋转，则θm为0度；
S24、通过所述晶圆承载台或当前光学系统的运动，使实际测量晶圆的一参考测量点位于当前光学系统的聚焦范围内；
使用当前光学系统对所述实际测量晶圆的所述参考测量点处进行大范围聚焦；
聚焦完成后，所述参考测量点的三维形貌特征表达为{(Xm1’,Ym1’,Zm1’)}；
依据所述形貌标定数据进行如下操作：
a）在所述标定角度集中查找和测量所需角度θm最近的角度；
b）当标定角度范围为非360°时，若θm<Angle1，则形貌数据选取Angle1对应的形貌标定数据；若θm>AngleN, 则形貌数据选取AngleN对应的形貌标定数据；若θm=AngleI，则形貌数据选取AngleI对应的形貌标定数据；
当标定角度范围为360°时，θm=AngleI，形貌数据选取AngleI对应的形貌标定数据；
若AngleI<θm <AngleJ，则AngleI和AngleJ分别对应一套形貌标定数据；
c）在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值；
d）计算出实际焦点值Zm1’偏离标定焦点值Zt1的距离Zmoffset并进行保存，计算公式如下：
Zmoffset =Zm1’- Zsystemoffset -Zt1；
S25、测量下一点，将晶圆承载台绕θ轴旋转到测量所需角度θmi，如无需旋转则θ轴默认为0度；
a）使用S24中的a)~c)计算出所述标定用光学系统在θmi，（Xmi,Ymi）位置的标定焦点值Ztmi；
b）计算出所述当前光学系统的起始聚焦位置Zmi’，计算公式如下：
Zmi’=Ztmi+Zmoffset+Zsystemoffset；
S26、基于Zmi’进行小范围聚焦，最终找到满足容差的焦点位置；
S27、重复S25和S26，直至所有的测量点完成聚焦测量。
6.根据权利要求5所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若（Xm1’,Ym1’）周围有四个标定位置，将这四个标定位置分别定义为P1{X1,Y1,Z1}、P2{X2,Y2,Z2}、P3{X3,Y3,Z3}和P4{X4,Y4,P4}，此时Zt1采用双线性插值计算得出，计算公式为：
Z(Xmi’,Y1) = (X2- Xmi’)* Z2/(X2-X1) + (Xmi’-X1)* Z1/(X2-X1)；
Z(Xmi’,Y3) = (X4- Xmi’)* Z4/(X4-X3) + (Xmi’-X3)* Z3/(X4-X3)；
Zt1= (Y3- Ymi’)* Z(Xmi’,Y3)/(Y3-Y1) + (Ymi’-Y1)* Z(Xmi’,Y1)/(Y3-Y1)。
7.根据权利要求5所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若(Xm1’,Ym1’ )周围少于四个标定位置，以两个标定位置为例，将这两个标定位置分别定义为P1{X1,Y1,Z1}和P2{X2,Y2,Z2}，此时Zt1采用反距离权重计算得出，计算公式为：
Di1 =(Xmi’,Ymi)到P1的距离；
Di2 =(Xmi’,Ymi)到P2的距离；
Zt1= Di1*Z1/(Di1+Di2)+Di2*Z2/(Di1+Di2)。
8.根据权利要求6或7所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若当前角度处于两个标定角度之间，此时需要进行角度插值；定义这两个标定角度分别为Angel1和Angle2；
将(Xm1’,Ym1’ )旋转到Angle1，得到新的坐标(Xangle1,Yangle1)；
将(Xm1’,Ym1’ )旋转到Angle2，得到新的坐标(Xangle2,Yangle2)；
计算公式如下：
Xangle1=Xm1’*cos(Angle1-AngleI) - Ym1’*sin(Angle1-AngleI)；
Yangle1=Xm1’*sin(Angle1-AngleI) + Ym1’*cos(Angle1-AngleI)；
Xangle2=Xm1’*cos(Angle2-AngleI) - Ym1’*sin(Angle2-AngleI)；
Yangle2=Xm1’*sin(Angle2-AngleI) + Ym1’*cos(Angle2-AngleI)；
计算出(Xangle1,Yangle1)在Angle1的标定焦点值Zangle1，以及(Xangle2,Yangle2)在Angle2的标定焦点值Zangle2；
最后，对角度进行线性插值，计算出Zt1，计算公式如下：
Zt1=(Angle2-AngleI)*Zangle2/(Angle2-Angle1)+(AngleI-Angle1)*Zangle1/(Angle2-Angle1)。
9.根据权利要求5所述的快速聚焦的方法，其特征在于：
于S24的c）中，在选取的形貌标定数据中计算出（Xm1’,Ym1’,Zt1），Zt1为形貌标定数据中（Xm1’,Ym1’）处的标定焦点值，该Zt1的算法如下：
若（Xm1’,Ym1’）既位于多个标定位置之间，同时角度又处于两个标定角度之间时；首先，在θm角度下（Xm1’,Ym1’）坐标绕（0，0）坐标旋转，分别旋转到AngleI、AngleJ得到（Xm1’,Ym1’）在AngleI、AngleJ下的平面坐标（Xm1angleI’,Ym1angleI’）和（Xm1angleJ’,Ym1angleJ’）；
然后，使用AngleI和AngleJ各自对应的标定数据，分别计算出（Xm1angleI’,Ym1angleI’）、（Xm1angleJ’,Ym1angleJ’）的标定焦点值Zm1angleI’、Zm1angleJ’；
最后，对角度进行线性插值，计算出Zt1，计算公式如下：
Zt1=(AngleJ-θm)*Zm1angleJ’/(AngleJ-AngleI)+(θm-AngleJ)*Zm1angleI’/(AngleJ-AngleI)。
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