DE102012101301A1

DE102012101301A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Kantenprofilbestimmung an einem dünnen scheibenförmigen Objekt

Info

Publication number: DE102012101301A1
Application number: DE102012101301A
Authority: DE
Inventors: Axel Gaglin; Thomas Becker; Frank Richter; Bernd Gey
Original assignee: Kocos Automation GmbH
Current assignee: Kocos Optical Measurement De GmbH
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2032-02-18
Also published as: KR20130095211A; JP2013171042A; US9106807B2; NL2010298A; US20130215258A1; DE102012101301B4; NL2010298C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Kantenprofilbestimmung an einem dünnen scheibenförmigen Objekt. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Bestimmung des Kantenprofils an Halbleiterwafern zu finden, bei der die exakte Bildaufnahme nicht durch spiegelnde Reflexe des Kantenprofils beeinträchtigt ist, wird erfindungsgemäß gelöst, indem mehrere Lichtquellen in Form von Laserstrahlquellen (31, 32), die jeweils ein linienförmiges Lichtbündel (33) aussenden, koplanar in einer gemeinsamen Ebene, die eine orthogonal zur Basisebene (41) des Objekts (2) orientierte Messebene (43) darstellt, angeordnet sind, um aus unterschiedlichen Richtungen auf einen gemeinsamen Schnittpunkt der Laserstrahlquellen im Randbereich des Objekts (2) gerichtet zu werden, wobei in der Messebene (43) eine Lichtschicht (4) ausgebildet ist, die mit mindestens einer Basiskamera (35), die in der Basisebene (41) lateral auf die Messebene (43) gerichtet ist, erfasst wird, um von einer durch die Lichtschicht (4) erzeugten Lichtlinie (44) ausgehendes Streulicht aufzunehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Kantenprofilbestimmung an einem dünnen scheibenförmigen Objekt, enthaltend einen Drehtisch zum Rotieren des scheibenförmigen Objekts um eine Drehachse und eine Messanordnung zum radialen Positionieren von mindestens einer Lichtquelle zum Beleuchten eines Randbereichs des scheibenförmigen Objekts in nahezu radialer Richtung zu dessen Drehachse und mindestens einer Kamera zum Aufnehmen des beleuchteten Randbereichs. Die Erfindung ist insbesondere zur zuverlässigen und hochgenauen Charakterisierung des Kantenprofils eines Wafers geeignet.
In der Halbleiterfertigung werden Wafer während des Fertigungsprozesses in eine Vielzahl von Prozessschritten sequentiell bearbeitet, dabei steigen mit zunehmender Integrationsdichte der Halbleiterstrukturen auch die Anforderungen an die Qualität der Wafer. Das Ende der Wertschöpfungskette bei der Herstellung von Wafern kann zum Teil mit enormen Aufwänden an Material und Technologie verbunden sein. Es ist deshalb sinnvoll und gerechtfertigt, Wafer vor der Prozessierung, d.h. am Beginn der Wertschöpfungskette, umfangreichen Tests zu unterziehen, sodass die Wafer nach höchster Ausfallsicherheit und der bestmöglichen Ausnutzung der Materialoberflächen selektiert werden können. Zu diesen Tests zählt auch die Untersuchung der äußeren Umfangskante eines Wafers, bei dem die Eignung der Form und die Unversehrtheit der Umfangskante überprüft wird. Es wurden bereits eine Reihe von Prüfvorrichtungen vorgeschlagen, die diese Untersuchungen durchführen können.
Die DE 10 2007 024 525 B4 beschreibt eine Vorrichtung, in der drei Kameras verwendet werden, um eine visuelle Bewertung von Defekten im Randbereich eines Wafers durchzuführen. Zur Aufnahme von Defekten liegt jeweils eine Kamera dem Randbereich auf der Oberseite und eine Kamera dem Randbereich auf der Unterseite des Wafers gegenüber. Eine dritte Kamera ist derart angeordnet, dass sie dem Randbereich des Wafers in radialer Richtung gegenüber steht. Mit einer homogenen, diffus abstrahlenden Beleuchtung wird der von den Kameras erfasste Randbereich des Wafers beleuchtet und von den Kameras Bilder aufgenommen, die einem Anwender der Vorrichtung zur visuellen Bewertung auf einem Monitor dargestellt werden. So ist es möglich, dass unter Erfassung und Verwendung der genauen Lage eines Defekts auf dem Wafer auch subjektive Aussagen über den Defekt getroffen werden können. Eine objektive und qualitative Bewertung von Defekten ist bei dieser Vorrichtung nicht möglich.
Bei einer in der DE 11 2008 000 723 T5 offenbarten Kantenprüfvorrichtung werden Prüfergebnisse in Abhängigkeit von der gewonnenen Kanteninformation des untersuchten Wafers angezeigt. Dazu wird die Umfangsfläche eines Wafers aus drei Aufnahmerichtungen mit mindestens einer CCD-Zeilenkamera erfasst, wobei sich die Achsen der drei Bildaufnahmen in der Mittelebene des Wafers in einem Punkt nahe der Umfangsfläche des Wafers treffen, sodass eine Ansichtsrichtung auf die äußere Umfangsfläche und die anderen beiden Bildaufnahmen jeweils auf die abgeschrägten Umfangskanten des Wafers gerichtet sind. Über die Ausführung der zur Bilderfassung notwendigen Beleuchtung wurde nichts offenbart. Die erfassten Bilder werden zur manuellen Auswertung auf einer Anzeigeeinheit dargestellt und die positionsabhängige Kanteninformationen in einer Speichereinheit hinterlegt. Außerdem erfolgt anhand von Schattierungsänderungen in den erfassten Bildinhalten eine positionsabhängige Hinterlegung der Kanteninformationen in einer Speichereinheit. Die erfassten Daten werden vorzugsweise in Form einer Profilkurve visuell dargestellt, anhand der eine statistische Auswertung der Kanteninformation möglich ist, sodass daraus ein Trend in der Gesamtform ermittelt werden kann. Nachteilig ist dabei, dass bei einer fotografischen Aufnahme eines kleinen Abschnitts des Kantenbereichs eines Wafers mittels CCD-Zeilenkamera, beispielsweise durch Licht-Reflexionen an Störstellen oder fehlerhaft angewinkelten Kantenbereichen, Bildstörungen zu Fehlinterpretationen des tatsächlichen Kantenverlaufs führen können, Messergebnisse verfälschen oder die Messungen sogar unmöglich machen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Bestimmung eines Kantenprofils an dünnen scheibenförmigen Messobjekten (wie z.B. Halbleiterwafern) zu finden, die es gestattet, bei der Bildaufnahme des Kantenprofils spiegelnde Reflexe, die die Bestimmung des Kantenprofils behindern bzw. verfälschen, weitgehend zu unterdrücken.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Kantenprofilbestimmung an einem dünnen scheibenförmigen Objekt, enthaltend einen Drehtisch zum Rotieren des scheibenförmigen Objekts um eine Drehachse und eine Messanordnung zum radialen Positionieren von mindestens einer Lichtquelle zum Beleuchten eines Randbereichs des scheibenförmigen Objekts in nahezu radialer Richtung zu dessen Drehachse und mindestens einer Kamera zum Aufnehmen des beleuchteten Randbereichs, wobei die Kamera in einer parallel und mittig zwischen den Planflächen des scheibenförmigen Objekts verlaufenden Basisebene angeordnet ist, dadurch gelöst, dass mehrere Lichtquellen in Form von Laserstrahlquellen mit linienförmigem Strahlprofil vorhanden sind, die jeweils ein linienförmiges Lichtbündel aussenden, dass die linienförmigen Lichtbündel der Laserstrahlquellen koplanar in einer gemeinsamen Ebene, die eine orthogonal zur Basisebene orientierte Messebene darstellt, angeordnet und aus unterschiedlichen Richtungen auf einen gemeinsamen Schnittpunkt der Laserstrahlquellen im Randbereich des Objekts gerichtet sind, wobei in der Messebene eine von den linienförmigen Lichtbündeln der Laserstrahlquellen zusammengesetzte Lichtschicht ausgebildet ist, und dass die mindestens eine Kamera als Basiskamera in der Basisebene lateral auf die Messebene gerichtet ist, sodass sie von einer durch die Lichtschicht im Randbereich des Objekts beleuchteten Lichtlinie ausgehendes Streulicht aufnimmt.
Vorteilhaft sind die Laserstrahlquellen so angeordnet, dass deren linienförmigen Lichtbündel den Randbereich des scheibenförmigen Objekts U-förmig umgebend beleuchten. Dabei erweist es sich als zweckmäßig, dass drei Laserstrahlquellen so angeordnet sind, dass eine Basis-Laserstrahlquelle in der Basisebene und zwei weitere Laserstrahlquellen) symmetrisch zu beiden Seiten der Basis-Laserstrahlquelle) in der Messebene unter einem Einstrahlungswinkel gleicher Größe, aber unterschiedlichen Vorzeichens angeordnet und in den gemeinsamen Schnittpunkt gerichtet sind.
Für die Ausrichtung der Basiskamera ist es vorteilhaft, dass ein der Basisebene liegender Beobachtungswinkel zwischen der Basiskamera und der Basis-Laserstrahlquelle im Bereich zwischen 30° und ≤ 90° einstellbar ist.
Zusätzlich zur Basiskamera werden zweckmäßig zwei weitere Kameras vorzugsweise jeweils unter dem gleichen, senkrecht auf oder unter der Basisebene stehenden Anstellwinkel lateral auf die Messebene sowie den Schnittpunkt der optischen Achsen der Laserstrahlquellen gerichtet, um die Auflösung der Bildaufnahme zu verbessern.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass zusätzlich zur Basiskamera eine Notch-Kamera, deren optische Achse in der Basisebene unter einem Seitenwinkel zur Basis-Laserlichtquelle angeordnet ist, der wesentlich kleiner als der Beobachtungswinkel der Basiskamera zur Basis-Laserlichtquelle ist.
Zur Anpassung der Messanordnung an unterschiedliche Durchmesser der scheibenförmigen Objekte und zum Ausgleich von Exzentrizität eines rotierenden Kantenprofils ist zweckmäßig eine Linearführung zur Bewegung der Messanordnung orthogonal zu der Rotationsachse des Drehtisches vorhanden.
Vorteilhaft ist eine senkrecht zur Basisebene orientierte Zentrierkamera zur Erfassung einer exzentrischen Lage des Randbereiches des scheibenförmigen Objekts zur Rotationsachse des Drehtischs vorhanden und außerhalb der durch die Laserstrahlquellen definierten Messebene angeordnet, wobei die radiale Position der Zentrierkamera auf einen vorbekannten Durchmesser des Objekts anpassbar ist und der Zentrierkamera gegenüberliegend eine diffuse Beleuchtungseinheit angeordnet ist. Dazu ist es zweckmäßig, dass die in der Basisebene eingestellte Winkelposition der Zentrierkamera zur Messebene für die Berechnung einer die Exzentrizität ausgleichenden Nachführbewegung der Messanordnung vorgesehen ist.
Zur Schwingungsentkopplung der Messungen ist vorteilhaft eine massive Grundplatte vorhanden, die als Komponententräger für ein Tischsystem mit dem Drehtisch, für eine Linearführung und ein Trägersystem der Messanordnung und für weitere Elemente der Vorrichtung eingesetzt ist.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass eine rein optische Bildaufnahme und -betrachtung des Kantenprofils infolge von Störreflexen zu einer mindestens abschnittsweise fehlerhaften Aufnahme des Kantenprofils von Wafern führt. Die Erfindung löst dieses Problem, indem eine Kameraanordnung gewählt wird, die ausschließlich Streulicht von den Objektkanten aufnimmt, wobei das Streulicht lateral zu einer durch linienförmige Beleuchtung erzeugten Beleuchtungsebene aufgenommen wird. Die Beleuchtung erfolgt dabei vorzugsweise mittels Linienlasern, die, aus unterschiedlichen Richtungen einfallend, eine dünne ebene Lichtschicht (Lichtvorhang) erzeugen, in die das zu vermessende Profil des Messobjekts eintaucht und orthogonal durch diese hindurch bewegt wird. Die Linienlaser erzeugen auf dem Messobjekt eine homogene Laserlinie, die von orthogonal auf das zu vermessende Kantenprofil koplanar einfallenden Linienlasern belichtet wird. Durch diesen „allseitig“ einfallenden Lichtvorhang wird nahezu jeder Punkt des Kantenbereichs des Messobjekts orthogonal beleuchtet und erzeugt bei einer seitlichen Bildaufnahme der Kameraanordnung einen intensiven, räumlich eng begrenzten Lichtsaum, der das Kantenprofil umsäumt und dieses, aufgrund der orthogonalen Bewegung des Kantenprofils durch den Lichtvorhang hindurch, ebenenweise fortschreitend abbildet.
Die mittels der Kameraanordnung sukzessive aufgenommenen Bilder, die trotz einer Mehrzahl von Lichtquellen keine Überlagerungsfehler und Verzerrungen aufweisen, gestatten gegenüber den bisher bekannten Lösungen ein präziseres Vermessen von Kante(n). Dies geschieht dadurch, dass beim Eintauchen des Kantenprofils in die Lichtschicht eine entlang das Kantenprofil verlaufende einheitliche intensive Laserlinie erzeugt wird, von der die Kameraanordnung lateral zur Lichtschicht einen durch Streulicht erzeugten Lichtsaum aufnimmt, der softwaretechnisch objektiv ausgewertet werden kann. Es sei angemerkt, dass zur vereinfachten Erläuterung der Bildaufnahmen vom Profil des Messobjekts im Folgenden der Lichtsaum der „allseitig“ auf dem Messobjekt auftreffenden Lichtschicht auch synonym als „Lichtlinie“ bezeichnet wird.
Mit der Vorrichtung ist es möglich, das Kantenprofil an dünnen scheibenförmigen Messobjekten schnell und zuverlässig zu bestimmen, wobei eine reflexfreie und hochgenaue Aufnahme des Kantenprofils erreicht wird, auch wenn sich im Kantenprofil Störstellen oder fehlerhaft angewinkelte Objektkanten befinden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen die Zeichnungen:
1: einen Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer perspektivischen Vollansicht (rechts) sowie einer Teilansicht der Rückseite (links),
3: einen Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführung mit vier Kameras zur Kantenaufnahme und einer zusätzlichen Einheit zur Exzentrizitätserfassung, und
4: eine schematische Darstellung zur Erzeugung der Lichtschicht im Bereich eines Wafer-Kantenprofils.
Die Vorrichtung weist gemäß 1 eine Messanordnung 3, bestehend aus einer Basis-Laserstrahlquelle 31, mindestens zwei weiteren Laserstrahlquellen 32 und mindestens einer Basiskamera 35 auf. Die optische Achse 34 der Basis-Laserstrahlquelle 31 und die optische Achse 36 der Basiskamera 35 sind in einer vorzugsweise horizontal orientierten, gemeinsamen Basisebene 41 im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet und treffen sich in einem Schnittpunkt 42. Die weiteren Laserstrahlquellen 32 sind mit deren optischen Achsen 34 symmetrisch zu beiden Seiten der Basis-Laserstrahlquelle 31 in einer Messebene 43, unter einem Einstrahlungswinkel 45 gleicher Größe, aber unterschiedlichen Vorzeichens zur Basis-Laserstrahlquelle 31 angeordnet und ebenfalls in den Schnittpunkt 42 gerichtet. Die Laserstrahlquellen 31 und 32 sind vorzugsweise baugleiche Linienlaser und weisen linienförmige Strahlprofile auf, deren Lichtbündel 33 zusammen eine Lichtschicht 4 innerhalb der Messebene 43 ausbilden. Die Lichtschicht 4 weist eine orthogonale Orientierung zur Basisebene 41 auf.
Um ein zu vermessendes Profil eines Messobjekts, das – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – in diesem Fall das Kantenprofil 21 eines Wafers 2 ist, zu den exakt zueinander ausgerichteten Komponenten (den Laserstrahlquellen 31 und 32 sowie wenigstens der Basis-Kamera 35) der Messanordnung 3 auszurichten, ist in definiertem Abstand zur Messanordnung 3 ein Tischsystem 1 angeordnet. Durch das Tischsystem 1 ist der Wafer 2 beweglich gelagert und kann entlang des zu vermessenden Kantenprofils 21 durch die Lichtschicht 4 hindurch bewegt werden.
Für den in diesem Beispiel als Messobjekt vorliegenden Wafer 2 ist das Tischsystem 1 gemäß 2 mit einem Drehtisch 11 ausgestattet. Der Drehtisch 11 weist eine den Wafer 2 tragende horizontale Auflagefläche auf. Die Rotationsachse 12 des Drehtischs 11 ist orthogonal zur Basisebene 41 ausgerichtet.
Zur Aufnahme der Messanordnung 3, ist gemäß 2 auf einer Grundplatte 5 eine Linearführung 51 vorgesehen. Die Linearführung 51 ist so ausgerichtet, dass die Messanordnung 3 mit ihrem Schnittpunkt 42 der optischen Achsen 34 und 36 der Laserstrahlquellen 31, 32 bzw. der Basiskamera 35 in einer orthogonalen Richtung gegenüber der Rotationsachse 12 des Drehtischs 11 in der Basisebene 41 verschiebbar angeordnet ist. Die optische Achse 34 der Basis-Laserstrahlquelle 31 ist dabei parallel zur Bewegungsrichtung der Linearführung 51 angeordnet, sodass das linienförmige Lichtbündel 33 der Basis-Laserstrahlquelle 31 im Wesentlichen in einer Radialebene zur Rotationsachse 12 des Drehtischs 11 ausgerichtet ist.
Um mit der Vorrichtung eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen, wird als Grundplatte 5 ein massiver Granitblock mit einem den maximalen Beschleunigungskräften des Drehtischs 11, der Linearführung 51 und des Tischsystems 1 entsprechenden Trägheitsmoment verwendet. Die Grundplatte 5 ist gegenüber dem Untergrund am Aufstellort schwingungsentkoppelt gelagert.
Der Wafer 2 mit einem zu inspizierenden Kantenprofil 21 wird, wie in 2 dargestellt, mit einer seiner Planflächen möglichst zentrisch auf der Auflagefläche des Drehtischs 11 abgelegt, wobei die Auflagefläche einen kleineren Durchmesser als der zu vermessende Wafer 2 aufweist, sodass dessen kompletter Wafer-Randbereich 22 frei stehend über den Rand des Drehtischs 11 hinausragt. Zur optimalen Aufnahme verschiedener Wafer-Größen ist die Auflagefläche des Drehtischs 11 entsprechend den handelsüblichen Wafer-Größen anpassbar.
Mit dem Drehtisch 11 kann der Wafer 2 in Rotation versetzt werden. Ungenauigkeiten beim Auflegen des Wafers 2, die eine Exzentrizität zwischen Wafer-Achse und Rotationsachse 12 des Drehtischs 11 verursachen, werden mit einer Zentrierkamera 13 erfasst. Dazu ist, wie in 3 dargestellt, die Zentrierkamera 13 oberhalb der Auflagefläche des Drehtischs 11 über dem Wafer-Randbereich 21 positioniert. Eine unterhalb der Auflagefläche des Drehtischs 11 angeordnete, telezentrisch abstrahlende Beleuchtungseinheit 14 strahlt ein diffuses Licht in Richtung der Zentrierkamera 13 aus. Mit dem dazwischen angeordneten Wafer-Randbereich 22 wird gegenüber der Zentrierkamera 13 ein Schattenriss der Wafer-Außenkante 23 erzeugt. Anhand des Schattenrisses können die bei der Rotation eines exzentrisch aufliegenden Wafers 2 entstehenden zyklischen Bewegungen der Wafer-Außenkante 23 rotationswinkelabhängig mit der Zentrierkamera 13 erfasst und gespeichert werden. Die so erfassten Werte werden bei der Kantenprofilbestimmung zur Ansteuerung der Linearführung 51 verwendet, um die exzentrische Lage des Wafers 2 gegenüber dem Schnittpunkt 42 der optischen Achsen 34 und 36 der Messanordnung 3 auszugleichen, sodass eine Korrektur der exzentrischen Lage des Wafers 2 auf dem Drehtisch 11 nicht erforderlich ist. Für eine Zuordnung der rotationswinkelabhängigen Lageschwankungen der Wafer-Außenkante 23 gegenüber dem Schnittpunkt 42 der Messanordnung 3, muss lediglich der um die Rotationsachse 12 aufgespannte Winkel zwischen Schnittpunkt 42 und optischer Achse 36 der Zentrierkamera 13 bekannt sein.
Zur Befestigung der auf der optischen Achse 34 der Beleuchtungseinheit 14 liegenden Zentrierkamera 13 ist eine in 2 gezeigte Halterung 15 vorgesehen. Die Anpassung der Position der Zentrierkamera 13 an die verschieden Durchmesser von handelsüblichen Wafer-Größen ist dadurch sichergestellt, dass die Halterung 15 gegenüber dem Drehtisch 11 in einer radialen Richtung gegenüber der Rotationsachse 12 verschiebbar ist.
Nach der Erfassung der Exzentrizität des Wafers 2 und damit der rotationswinkelabhängigen Lage des Kantenprofils 21 kann die Messanordnung 3 mittels der Linearführung 51 aus einer am weitesten vom Drehtisch 11 entfernten Ruheposition in eine anhand der Wafer-Größe ermittelten Vorposition in Richtung Drehtisch 11 bewegt werden. Diese Vorposition wird, entsprechend der zuvor gemessenen Exzentrizität des aufgelegten Wafers 2 mit einem rotationswinkelabhängigen und vorzeichenbehafteten Offset beaufschlagt. Mit der Summe aus Vorposition und Offset erreicht die Messanordnung 3 eine Inspektionsposition, in welcher der Schnittpunkt 42 der optischen Achsen 34 und 36 der Messanordnung 3 immer in einer konstanten Position zur Wafer-Außenkante 23 gehalten wird.
Aufgrund des linienförmigen Strahlprofils der von den Laserstrahlquellen 31 und 32 ausgehenden Lichtbündel 33 bildet sich, wie in 4 dargestellt, in orthogonaler Ausrichtung zur Basisebene 41 die Lichtschicht 4 als Messebene 43 aus. Der Einstrahlungswinkel 45 der weiteren Laserstrahlquellen 32 kann je nach Erfordernissen einen Wert im Bereich zwischen 10° und 90° zur Basis-Laserstrahlquelle 31 aufweisen. Die Lichtbündel 33 der weiteren Laserstrahlquellen 32 treffen somit immer aus einer unterhalb und oberhalb der Planflächen des Wafers 2 angeordneten Position auf den Wafer-Randbereich 22, sodass bei dem die Lichtschicht 4 penetrierenden Wafer 2 eine das Kantenprofil 21 U-förmig einschließende Lichtlinie 44 auf den Wafer-Randbereich 22 belichtet wird. Ist der Einstrahlungswinkel 45 der Laserstrahlquellen 32 im Bereich von 45° oder kleiner, kann auf die Basis-Laserstrahlquelle 31 verzichtet werden.
Von der in der Basisebene 41 angeordneten und telezentrisch arbeitenden Basiskamera 35 kann das von der Lichtlinie 44 ausgehende Streulicht in Form eines Lichtsaums erfasst werden. Dieser Lichtsaum, den die Basiskamera 35 „sieht“, ist in 4 in einem vergrößerten Ausschnitt (rechts oben) als stilisierte Bildaufnahme 49 der Basiskamera 35 dargestellt.
Durch die Erfassung des am Kantenprofil 21 von der Lichtlinie 44 ausgehenden Streulichts und eine bereits aus dem sog. Lichtschnittverfahren bekannte Vorgehensweise kann eine Inspektion der Oberflächen des Wafer-Randbereichs 22 und speziell der Wafer-Außenkante 23 erfolgen und jede Anomalie, z.B. abweichender Formverlauf oder mechanischer Schaden, aufgenommen werden. Um das Kantenprofil 21 mit einer hohen lokalen Auflösung erfassen zu können, weist die Lichtschicht 4 eine Dicke und somit die Lichtlinie 44 eine Breite zwischen 1 µm und maximal 25 µm auf.
Zur Erfassung des Streulichts der Lichtlinie 44 ist die Basiskamera 35 mit einem hochauflösenden Objektiv in der Messanordnung 3 befestigt. Deren optische Achse 36 ist in der Basisebene 41 unter einem Beobachtungswinkel 46 zur optischen Achse 34 der Basis-Laserstrahlquelle 31 angeordnet. Der Arbeitsabstand der Basiskamera 35 ist dabei so gewählt, dass sich die Lichtschicht 4 genau im Schärfentiefebereich des Objektivs der Basiskamera 35 befindet. Da im Regelfall in der Basisebene 41 keine weiteren das Streulicht abschattenden Elemente im Wafer-Randbereich 22 vorhanden sind, kann der Beobachtungswinkel 46 zwischen Basiskamera 35 und Basis-Laserstrahlquelle 31 sehr unterschiedlich gewählt im Bereich zwischen 30° und ≤ 90° eingestellt werden.
Um einen kompakteren Aufbau der Messanordnung 3 zu erreichen, kann die Basiskamera 35, wie in 2 gezeigt, auch senkrecht angeordnet werden, wobei dazu dem Objektiv der Basiskamera 35 ein Umlenkprisma 39 vorgeordnet ist. Zur Aufnahme des Streulichts der Lichtlinie 44 ist in diesem Fall ausschließlich das Umlenkprisma 39 in der Basisebene 41 angeordnet, um die abgewinkelte optische Achse 36 der Basiskamera 35 im Schnittpunkt 42 tangential auf die Wafer-Außenkante 23 zu richten.
Das Kantenprofil 21 des mittels Drehtisch 11 rotierenden Wafers 2 durchläuft kontinuierlich die Lichtschicht 4. Die Reflexionen der auf dem Kantenprofil 21 abgebildeten Lichtlinie 44 werden von der Basiskamera 35 lediglich in Form einer Streulichtverteilung erfasst. Gleichzeitig erfolgt anhand der Stellung des Drehtischs 11 die Aufnahme des entsprechenden Rotationswinkels des Wafers 2. Dadurch kann die aufgenommene Streulichtverteilung auch einer eindeutigen Position auf dem Wafer-Randbereich 22 zugeordnet und das örtliche Kantenprofil 21 durch die Bewertung der charakteristischen Merkmale der Streulichtverteilung aufgenommen und jede Störstelle des Kantenprofil 21 des Wafers 2 erfasst und gespeichert werden.
Wird an einem fehlerfreien Wafer-Randbereich 22 das Streulicht der Lichtlinie 44 betrachtet, entspricht die größte aufgenommene Intensität des Streulichts einem perspektivischen Kantenprofil 21 innerhalb der Radialebene des Wafers 2 durch den Schnittpunkt 42, der die Messebene 43 definiert. Jede Profilabweichung oder Beschädigung des Wafer-Randbereichs 22 verändert die Ausdehnung, Gestalt und Intensität des Streulichts und lässt damit Rückschlüsse auf charakteristische von einer erwarteten Normalform abweichende Oberflächenveränderungen zu.
Mit Hilfe des bekannten Beobachtungswinkels 46 zwischen Basiskamera 35 und Basis-Laserstrahlquelle 31 und des bekannten Rotationswinkels des Wafers 2 auf dem Drehtisch 11, können Lage und Größe von Veränderungen des vorgeschriebenen Kantenprofils 21 sehr genau erfasst werden. Die so ermittelten Positionsdaten werden in ein digitales Rohprofil umgewandelt und unter Anwendung entsprechender Algorithmen zur Bestimmung des Kantenprofils 21 verwendet. Die Daten des Kantenprofils 21 können im Rahmen der Qualitätssicherung ausgewertet werden oder an entsprechende Maschinen zur Durchführung einer nachfolgenden Kantenbearbeitung übergeben werden.
Bei stark spiegelnden Oberflächen, wie sie bei polierten Metallen oder Halbleitersubstraten zu finden sind, können bei der Inspektion eines Kantenprofils 21 Reflexionen auftreten, die eine zuverlässige Erfassung des Streulichts mit einer einzigen Basiskamera 35 stören. Um auch unter solchen spiegelnden Oberflächenverhältnissen eine sichere Erfassung des Kantenprofils 21 eines Wafers 2 im Wafer-Randbereich 22 zu erreichen, können zusätzlich zur Basiskamera 35 weiterer Kameras 37 eingesetzt werden.
Dazu werden, wie in 3 gezeigt, zwei weitere Kameras 37 in einer durch die optische Achse 36 der Basiskamera 35 verlaufenden und orthogonal zur Basisebene 41 orientierten Tangentialebene oberhalb und unterhalb der Basisebene 41 angeordnet und auf den Schnittpunkt 42 gerichtet. Beide weiteren Kameras 37 weisen denselben Betrag des Anstellwinkels 47 und damit eine symmetrische Anordnung zur Basisebene 41 auf. Der Anstellwinkel 45 beträgt vorzugsweise 45°, kann aber grundsätzlich auch im Bereich zwischen 10° bis 90° eingerichtet werden.
Zur Kennzeichnung der Kristallorientierung von Silizium-Wafern ist der Wafer-Randbereich 22 meist mit mindestens einer Einkerbung 24 (Notch) versehen. Die normgerecht ausgeformte Einkerbung 24 führt beim Durchlaufen der Lichtschicht 4 dazu, dass an den tieferen Stellen der Einkerbung 24 Abschnitte des Lichtlinie 44 weder mit der Basiskamera 35 noch mit den weiteren Kameras 37 erfasst werden können, da diese teilweise vom regulären Kantenprofil 21 des Wafer-Randbereichs 22 verdeckt werden. Um das Kantenprofil 21 der Wafer-Außenkante 23 auch diesen Bereich vollständig erfassen zu können, ist der Einsatz einer zusätzlichen Notch-Kamera 38 sinnvoll.
Dazu wird die Notch-Kamera 38 mit ihrer optischen Achse 36 in der Basisebene 41 und in einem Seitenwinkel 48 von vorzugsweise 45° zur optischen Achse 34 der Basis-Laserstrahlquelle 31 angeordnet. Der Seitenwinkel 48 kann auch abweichend von 45° eingestellt werden, solange das Streulicht der Lichtlinie 44 noch im gesamten Bereich der Einkerbung 24 lückenlos mit der Notch-Kamera 38 erfasst werden kann. Die genau erfasste Lage der Einkerbung 24 kann in Verbindung mit dem Rotationswinkel des Drehtischs 11 auch als Bezugspunkt für die Zuordnung des Rotationswinkels zu den sukzessiv erfassten Bildaufnahmen der Lichtlinie 44 vom Kantenprofil 21 des Wafers 2 verwendet werden.
Die Objektive der Basiskamera 35 sowie aller weiteren Kameras 37 und der Notch-Kamera 38 sind konfokal angeordnet, d.h. deren Fokuspunkte liegen genau in der Lichtschicht 4 am Schnittpunkt 42 der optischen Achsen 34 und 36 der Basis-Laserstrahlquelle 31 bzw. der Basiskamera 35 und entspricht damit dem gewünschten Auftreffpunkt der Basis-Laserstrahlquelle 31 auf der Wafer-Außenkante 23. Sowohl die Ausrichtung der Kameras 35, 37 und 38 als auch der Laserstrahlquellen 31 und 32 erfolgt, wie in 2 dargestellt, über feinjustierbare Befestigungselemente 52, die an einem mittels der Linearführung 51 bewegten Trägersystem 53 für die Messanordnung 3 angebracht sind und mit deren Hilfe die Kameras 35, 37 und 38 sowie die Laserstrahlquellen 31 und 32 der Messanordnung 3 definiert zueinander einstellbar und fixierbar sind. Durch diese Anordnung und die bekannten Winkel zwischen Lichtschicht 4, Basisebene 41 und Kamerapositionen zur Definition der Messebene 43 können die entlang des Kantenprofils 21 des Wafers 2 von den einzelnen Kameras 35, 37 und 38 erzeugten Aufnahmen des Streulichts der Lichtlinie 44 verzeichnungsfrei überlagert und daraus ein sehr genaues Kantenprofil 21 des Wafer-Randbereichs 22 berechnet werden. Damit ist eine zuverlässige und genaue Charakterisierung des Kantenprofils 21 eines Wafers 2 möglich.
Bezugszeichenliste

1: Tischsystem
11: Drehtisch
12: Rotationsachse
13: Zentrierkamera
14: Beleuchtungseinheit
15: Halterung
2: Wafer
21: Kantenprofil
22: Wafer-Randbereich
23: Wafer-Außenkante
24: Einkerbung (Notch)
3: Messanordnung
31: Basis-Laserstrahlquelle
32: weitere Laserstrahlquelle
33: Lichtbündel
34: optische Achse (der Lichtquelle)
35: Basiskamera
36: optische Achse (der Basiskamera)
37: weitere Kamera
38: Notch-Kamera
39: Umlenkprisma
4: Lichtschicht
41: Basisebene
42: Schnittpunkt
43: Messebene
44: Lichtlinie
45: Einstrahlungswinkel
46: Beobachtungswinkel
47: Anstellwinkel
48: Seitenwinkel
49: Bildaufnahme (der Basiskamera)
5: Grundplatte
51: Linearführung
52: Befestigungselement
53: Trägersystem (der Messanordnung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007024525 B4 [0003]
DE 112008000723 T5 [0004]

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Kantenprofilbestimmung an einem dünnen scheibenförmigen Objekt, enthaltend einen Drehtisch zum Rotieren des scheibenförmigen Objekts um eine Drehachse und eine Messanordnung zum radialen Positionieren von mindestens einer Lichtquelle zum Beleuchten eines Randbereichs des scheibenförmigen Objekts in nahezu radialer Richtung zu dessen Drehachse und mindestens einer Kamera zum Aufnehmen des beleuchteten Randbereichs, wobei die Kamera in einer parallel und mittig zwischen den Planflächen des scheibenförmigen Objekts verlaufenden Basisebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mehrere Lichtquellen in Form von Laserstrahlquellen (31, 32) mit linienförmigem Strahlprofil vorhanden sind, die jeweils ein linienförmiges Lichtbündel (33) aussenden, – die linienförmigen Lichtbündel (33) der Laserstrahlquellen (31, 32) koplanar in einer gemeinsamen Ebene, die eine orthogonal zur Basisebene (41) orientierte Messebene (43) darstellt, angeordnet und aus unterschiedlichen Richtungen auf einen gemeinsamen Schnittpunkt (42) der Laserstrahlquellen (31, 32) im Randbereich (22) des Objekts (2) gerichtet sind, wobei in der Messebene (43) eine von den linienförmigen Lichtbündeln (33) der Laserstrahlquellen (31, 32) zusammengesetzte Lichtschicht (4) ausgebildet ist, und – die mindestens eine Kamera als Basiskamera (35) in der Basisebene (41) lateral auf die Messebene (43) gerichtet ist, sodass sie von einer durch die Lichtschicht (4) im Randbereich (22) des Objekts (2) beleuchteten Lichtlinie (44) ausgehendes Streulicht aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquellen (31, 32) so angeordnet sind, dass deren linienförmigen Lichtbündel (33) den Randbereich (22) des scheibenförmigen Objekts (2) U-förmig umgebend beleuchten.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass drei Laserstrahlquellen (31, 32) so angeordnet sind, dass eine Basis-Laserstrahlquelle (31) in der Basisebene (41) und zwei weitere Laserstrahlquellen (32) symmetrisch zu beiden Seiten der Basis-Laserstrahlquelle (31) in der Messebene (43) unter einem Einstrahlungswinkel (45) gleicher Größe, aber unterschiedlichen Vorzeichens angeordnet und in den gemeinsamen Schnittpunkt (42) gerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Basisebene (41) liegender Beobachtungswinkel (46) zwischen der Basiskamera (35) und der Basis-Laserstrahlquelle (31) im Bereich zwischen 30° und ≤ 90° einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Basiskamera (35) zwei weitere Kameras (37) jeweils unter einem gleichen, senkrecht auf oder unter der Basisebene (41) stehenden Anstellwinkel (47) lateral auf die Messebene (43) sowie den Schnittpunkt (42) der optischen Achsen (34) der Laserstrahlquellen (31; 32) gerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Basiskamera (35) eine Notch-Kamera (38), deren optische Achse (36) in der Basisebene (41) unter einem Seitenwinkel (48) zur Basis-Laserlichtquelle (31) angeordnet ist, der wesentlich kleiner als der Beobachtungswinkel (46) der Basiskamera (35) zur Basis-Laserlichtquelle (31) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linearführung (51) zur Bewegung der Messanordnung (3) orthogonal zu der Rotationsachse (12) des Drehtisches (11) vorhanden ist, um die Messanordnung (3) auf unterschiedliche Durchmesser der scheibenförmigen Objekte (2) einzurichten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur Basisebene (41) orientierte Zentrierkamera (13) zur Erfassung einer exzentrischen Lage des Randbereiches (22) des scheibenförmigen Objekts (2) zur Rotationsachse (12) des Drehtischs (11) vorhanden und außerhalb der durch die Laserstrahlquellen (31, 32) definierten Messebene (43) angeordnet ist, wobei die radiale Position der Zentrierkamera (13) auf einen vorbekannten Durchmesser des Objekts (2) anpassbar ist und der Zentrierkamera (13) gegenüberliegend eine diffuse Beleuchtungseinheit (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Basisebene (41) eingestellte Winkelposition der Zentrierkamera (13) zur Messebene (43) zur Berechnung einer die Exzentrizität ausgleichenden Nachführbewegung der Messanordnung (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schwingungsentkopplung der Messungen eine massive Grundplatte (5) vorgesehen ist, die als Komponententräger für ein Tischsystem (1) mit dem Drehtisch (11), für eine Linearführung (51) und ein Trägersystem (53) der Messanordnung (3) und für weitere Elemente (13–15) der Vorrichtung eingesetzt ist.