TW201624149A - 預對準測量裝置和方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種預對準測量裝置，其沿光線行進方向依次包括雷射器、第一柱面鏡、第一成像鏡片、照明光欄、第二成像鏡片、第二柱面鏡和CCD探測器。被測物位於第一柱面鏡和第一成像鏡片之間且由工件臺承載。雷射器、被測物和CCD探測器分別位於整個測量裝置所形成的三角形的頂點上，所述三角形所在平面與被測物所在平面垂直，且三角形所在面相切於被測物的邊緣。雷射器出射的光束經過第一柱面鏡後變成線光源；經過被測物反射的光線通過第二柱面鏡後，在CCD探測器上成像形成CCD影像；CCD影像的水平向與垂直向放大倍率不同，使得水平向與垂直向解析度與量程匹配，實現了被測物及工件臺形成的臺階位置資訊和臺階高度資訊。本發明還公開了一種預對準測量方法。

Description

預對準測量裝置和方法
本發明涉及一種積體電路裝備製造領域，尤其涉及一種光刻機矽片和基板的預對準測量裝置和方法。
光刻機是微電子元件製造業中不可或缺的工具，而由於光刻機視野很小，因此在將矽片傳送到光刻機進行曝光之前，必須將矽片進行預對準，使得傳送到曝光臺上的矽片在光刻機的視野之內，所以，矽片預對準是光刻機進行矽片曝光的重要組成部分。
通常預對準主要有機械預對準和光學預對準。光學預對準比機械預對準方式精度高，但價格成本高，它是採用光學精密儀器元件對矽片的邊緣和缺口進行檢測，藉由演算法來實現矽片定心，利用線性電荷耦合元件（CCD探測器）作為感測器對矽片進行檢測。
可以將當前常用的光學預對準裝置歸納為兩種。
首先是透射式，如圖1所示，照明裝置與成像裝置分別位於測量物件，即矽片的兩側，利用測量物件不透光的特性將測量物件邊界成像在CCD探測器上，藉由對邊界的影像進行檢測從而計算出矽片的位置（例如包括垂向位置和水平向位置）與狀態（例如傾斜度）。這種方法在實際使用中主要存在兩個問題。第一，對於由測量對象為由矽片鍵合而成的鍵合片，基底在矽片缺口或平邊處未加工，光線無法穿透，因此無法確定矽片的狀態。第二，對於玻璃材料的基板，成像品質不佳。
另一種是反射式，如圖2所示，利用基底（即載片）與矽片的反射率不同，可以將矽片缺口識別出來。反射式主要有兩個問題。第一，由於鍵合及其他製程的影響，缺口處常有微小的形貌起伏，成像品質往往較差，影響設備的可靠性。第二，反射式抗干擾能力不強，當矽片放置在吸盤1上時，如圖3所示，吸盤1本身的環狀溝槽1a、1b和1c也會成像到CCD探測器上，使得從成像影像（如圖4）中難以識別矽片邊緣。
在專利公開號為CN102402127A發明名稱為《一種矽片預對準裝置及方法》中提出了一種利用高度差的測量裝置，但是該裝置未考慮垂向與水平向倍率關係，造成解析度不足。另外該專利中的標定未能實現水平向測量。
為了克服習知技術中存在的缺陷，本發明提出一種預對準測量裝置，其沿光線行進方向依次包括一雷射器、一第一柱面鏡、一第一成像鏡片、一照明光欄、一第二成像鏡片、一第二柱面鏡和一CCD探測器。被測物位於第一柱面鏡和第一成像鏡片之間且由一工件臺承載。雷射器、被測物和CCD探測器分別位於整個測量裝置所形成的三角形的頂點上；三角形所在平面與被測物所在平面垂直，且三角形所在面相切於被測物的邊緣。雷射器出射的光束經過第一柱面鏡後變成線光源；經過被測物反射的光線通過第二柱面鏡後，在CCD探測器上成像形成一CCD影像；CCD影像的水平向與垂直向放大倍率不同，使得水平向與垂直向解析度與量程匹配，實現了被測物及工件臺形成的臺階位置資訊和臺階高度資訊。
其中，測量裝置更包括標定標記板；標定標記板嵌在工件臺內；標定標記板的上表面與工件臺表面共面。
其中，標定標記板上的標定標記由反射率不同的兩個矩形圖形組成。
本發明還公開一種工件臺標定標記板進行位置標定的方法，其使用一預對準測量裝置；預對準裝置沿光線行進方向依次包括一雷射器、一第一柱面鏡、一第一成像鏡片、一照明光欄、一第二成像鏡片、一第二柱面鏡和一CCD探測器。被測物位於第一柱面鏡和第一成像鏡片之間且由一工件臺承載。雷射器、被測物和CCD探測器分別位於整個測量裝置所形成的三角形的頂點上；三角形所在平面與被測物所在平面垂直，且三角形所在面相切於被測物的邊緣。方法包括如下步驟：
步驟一：以一定步距沿z向移動工件臺。
步驟二：在每個z向位置zi，以一定步距沿x向移動工件臺。
步驟三：在每個具體位置，藉由雷射器發出照明光束；藉由第一柱面鏡將所輸送照明光束轉化為線光源，並照射至工件臺上的被測物；檢測經過被測物反射的反射線段；反射線段通過第二柱面鏡後，在CCD探測器上成像形成一CCD影像；在CCD影像的水平向與垂直向放大倍率不同，使得水平向與垂直向解析度與量程匹配，得到反射線段在CCD影像中的複數個位置，並求出交界點的位置(ui, vi)，其中，u和x分別為CCD影像座標系中的橫座標和縱座標，i為正整數。
步驟四：記錄複數個位置(ui, vi)所對應的工件臺上的點的位置（xi, zi)，其中zi為檢測(ui, vi)時工件臺所處的垂向位置，xi為由工件臺在檢測(ui, vi)時的水平向位置與標記交界點在工件臺座標系中的位置相加確定的標記交界點在工件臺零位座標系下的位置。
步驟五：建立CCD影像中的交界點的位置(ui, vi)與工件臺座標系中的交界點的位置（xi, zi）之間的對應關係。
其中，步驟三中，得到反射線段在CCD影像中的複數個位置(ui, vi)可用直線檢測演算法檢測。
其中，步驟三中，求出交界點的位置(ui, vi)包括根據檢測出線段位置，從起點到終點，取出每個點對應的CCD探測器灰度值，得到標定標記的一維灰度分佈圖；從灰度分佈圖上，用梯度極值法檢測出標定標記交界點的位置(ui, vi)。
一種預對準測量裝置的測量方法，包括如下步驟：
步驟一：按照上述標定方法得到CCD影像中的交界點的位置(ui, vi)與工件臺座標系中的交界點的位置（xi, zi）之間的對應關係；
步驟二：計算出被測物及承載被測物的工件臺的N個階躍點在CCD影像中的位置(uj, vj)，其中u和v分別為CCD影像座標系中的橫座標和縱座標，j為1至N的正整數；
步驟三：根據步驟一中得到的CCD影像中的交界點的位置(ui, vi)與工件臺座標系中的交界點的位置（xi, zi）之間的對應關係，插值計算N個階躍點每個點對應的高度差及x向位置座標；
步驟四：根據被測物的名義厚度值，得到N個階躍點中表徵被測物邊緣的一個階躍點的位置，其中k為1至N的正整數；
步驟五：基於被測物邊緣的位置，得到被測物的中心位置，從而實現測量裝置的預對準。
與習知技術相比較，本發明藉由計算被測物與承載物的高度差，並與被測物的名義位置比較，可以消除吸盤溝槽給矽片對準帶來的干擾，可以更可靠的進行鍵合片預對準，並保證了水平向與垂直向的解析度匹配。
下面結合圖式詳細說明本發明的具體實施例。
圖5是本發明預對準測量裝置結構示意圖。如圖5所示，本裝置由雷射器2、第一柱面鏡3、第一成像鏡片4、照明光欄5、第二成像鏡片6、第二柱面鏡7和CCD探測器8組成。雷射器2發射出的光經過第一柱面鏡3變成線光源後，照射到有臺階（高度差異）的被測物9上；被測物9可以為傳統的矽片，但尤其使用用於鍵合片和玻璃基板的檢測；臺階形結構為被測物9邊緣與承載物的表面形成。光線經過被測物9反射而通過第一成像鏡片4及第二成像鏡片6後，影像被放大。成像面u、v方向分別實現了被測物9的臺階位置及臺階高度，具體地，例如可參考圖6，其展示了光線經過臺階之後成像位置的不同。入射光20經過臺階的反射後形成反射光21a和21b。其中，臺階由被測物表面9a和與承載物（例如吸盤）表面9b之間的高度差形成，反射光21a為入射光20經被測物表面9a反射後形成的反射光束，反射光21b為入射光20經承載物表面9b反射後形成的反射光束。從圖6中可以看出，成像影像的u方向資料包含被測物9與承載物之間的臺階位置的資訊，亦即被測物9的邊緣位置資訊；成像影像的v方向資料包含了被測物9與承載物之間的臺階高度的資訊，亦即被測物9的厚度訊息。在這兩個方向的精度及視場要求一般是不同的，因此在第二成像鏡片6之後，加入第二柱面鏡7使得成像面u，v方向放大倍率不同。最終光線到達CCD探測器8的探測面。
其中，成像面u，v方向放大倍率不同，使得水平向與垂直向解析度與量程匹配。
被測物9例如為矽片或玻璃基板，本實施例中以矽片為例。被測物9表面有可能是光面，也可能是毛面。為了減少毛面的衍射光的影響，在第一成像鏡片4後加入了照明光欄5。
為了進行預對準測量，首先對承載物，即工件臺位置進行標定，上文的吸盤為工件臺與被測物9直接接觸的部分。
如圖7所示，在工件臺內放置標定標記板10，標定標記板10的上表面與工件臺表面共面。如圖7及圖8所示，標定標記板10由反射率差異較大的兩個圖形10a、10b相接而成，為了便於製造和便於被CCD探測，本實施例中將兩個圖形10a、10b製作為矩形，然而並不以此為限，也可將圖形10a、10b製成其他合適的形狀。線雷射器發出的一束光經標定標記板10反射，最終在CCD探測器上成像。假設線雷射器發出的該束光與標定標記板10的接觸區域為線段11，如圖7至圖9所示，線段11恰好經過圖形10a與10b的交界線，從而形成交界點12，則該束光經標定標記板10反射後在CCD探測器上所成的像為線段81，所述交界點12與線段81上的交界點82相對應。
工件臺上的交界點12與CCD影像中的交界點82之間的對應關係為：當改變工件臺的高度，即工件臺的z向位置時，交界點82在CCD探測器中的V向位置也將隨著改變；當沿水平x向移動工件臺時，交界點82在CCD影像中將沿U方向移動。
基於上述對應關係，可以藉由一系列的標定步驟建立起工件臺上的點12（例如以座標（x, z）表示）與CCD影像中的點82（例如以座標（u, v）表示）之間的對應關係。
標定流程主要包括：
步驟一：以一定步距垂向，即沿z向移動工件臺。
步驟二：在每個垂向位置zi，以一定步距水平向，即沿x向移動工件臺。
步驟三：在每個具體位置，檢測雷射器的反射線段，得到反射線段在CCD影像中的位置，並求出交界點82的位置(ui, vi)，其中，i為正整數。
步驟四：對於每一個點(ui, vi)，記錄其對應的工件臺上的點的位置（xi, zi），其中，zi為檢測(ui, vi)時工件臺所處的垂向位置，xi為由工件臺在檢測(ui, vi)時的水平向位置與標記交界點12在工件臺座標系中的位置相加確定的標記交界點12在工件臺零位座標系下的位置。標定出的各位置如圖10所示，即藉由整個標定過程建立起CCD影像中的交界點82的位置(ui, vi)與工件臺座標系中的交界點12的位置（xi, zi）之間的對應關係。
上述標定流程的步驟三，線段位置可用直線檢測演算法（如："LSD: A Fast Line Segment Detector with a False Detection Control" by Rafael Grompone von Gioi, Jeremie Jakubowicz, Jean-Michel Morel, and Gregory Randall, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 32, no. 4, pp. 722-732, April, 2010.）檢測。
上述標定流程的步驟三，根據檢測出線段位置，從起點到終點，取出每個點對應的CCD探測器灰度值，得到標定標記的一維灰度分佈圖，如圖11所示。從灰度分佈圖上，可以用梯度極值法檢測出兩種材料的交界點82的位置(ui, vi)。
如圖12所示，當被測物（例如矽片）放置在承載物（例如工件臺的吸盤）上時，經過線鐳射照射成像得到的CCD影像如圖13所示。計算出A、B、C、D四個階躍點在CCD影像中的位置。根據標定記錄的資料，可獲得每個點在工件臺座標系中所對應的位置，藉由計算可得到每兩個點之間的高度差，其中ΔZ1=ZB-ZA、ΔZ2=ZC-ZB以及ΔZ3=ZD-ZC。
根據矽片的名義厚度值，可以找出的絕對值與矽片厚度值最接近的一個，在本例中，為ΔZ2，由此便可判斷出ΔZ2所對應的兩個點，即B、C兩點位於被測物和承載物形成的臺階處。再藉由比較B、C兩點的z值，即可識別出表徵矽片邊緣的點B及其位置資料。
基於矽片邊緣的位置，再進行圓或矩形擬合，得到矽片的中心位置。
本說明書中只是本發明的較佳具體實施例，以上實施例僅用以說明本發明的技術手段而非對本發明的限制。凡所屬技術領域具有通常知識者依本發明的構思藉由邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術手段，皆應在本發明的範圍之內。
1‧‧‧吸盤
1a、1b、1c‧‧‧環狀溝槽
2‧‧‧雷射器
3‧‧‧第一柱面鏡
4‧‧‧第一成像鏡片
5‧‧‧照明光欄
6‧‧‧第二成像鏡片
7‧‧‧第二柱面鏡
8‧‧‧CCD探測器
9‧‧‧被測物
9a‧‧‧被測物表面
9b‧‧‧承載物表面
10‧‧‧標定標記板
10a、10b‧‧‧圖形
11、81‧‧‧線段
12、82‧‧‧交界點
20‧‧‧入射光
21a、21b‧‧‧反射光
關於本發明的優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。 圖1是習知透射式預對準裝置結構示意圖。 圖2是習知反射式預對準裝置結構示意圖。 圖3是吸盤的環狀溝槽示意圖。 圖4是環狀溝槽在CCD探測器上成像示意圖。 圖5是本發明預對準測量裝置結構示意圖。 圖6是光線經過臺階後成像示意圖。 圖7是工件臺標定標記板示意圖。 圖8是標定標記板成像示意圖。 圖9是標定標記板在CCD探測器上成像。 圖10是標定位置示意圖。 圖11是標定標記的一維灰度分佈圖。 圖12是本發明矽片預對準測量示意圖。 圖13是本發明矽片預對準測量成像圖。
2‧‧‧雷射器
3‧‧‧第一柱面鏡
4‧‧‧第一成像鏡片
5‧‧‧照明光欄
6‧‧‧第二成像鏡片
7‧‧‧第二柱面鏡
8‧‧‧CCD探測器
9‧‧‧被測物

Claims (9)

  1. 一種預對準測量裝置，其沿光線行進方向依次包括一雷射器、一第一柱面鏡、一第一成像鏡片、一照明光欄、一第二成像鏡片、一第二柱面鏡和一CCD探測器；一被測物位於該第一柱面鏡和該第一成像鏡片之間且由一工件臺承載，該雷射器、該被測物和該CCD探測器分別位於整個該預對準測量裝置所形成的一三角形的頂點上，該三角形所在平面與該被測物所在平面垂直，且該三角形所在面相切於該被測物的邊緣，該雷射器出射的光束經過該第一柱面鏡後變成線光源，經過該被測物反射的光線通過該第二柱面鏡後，在該CCD探測器上成像形成一CCD影像，該CCD影像的水平向與垂直向放大倍率不同，使得水平向與垂直向解析度與量程匹配，實現了該被測物及該工件臺形成的臺階位置資訊和臺階高度資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的預對準測量裝置，其中該預對準測量裝置更包括一標定標記板，該標定標記板嵌在該工件臺內，該標定標記板的上表面與該工件臺表面共平面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的預對準測量裝置，其中該標定標記板上的標定標記由反射率不同的兩個矩形圖形組成。
  4. 一種工件臺標定標記進行位置標定的方法，使用一預對準測量裝置，該預對準測量裝置沿光線行進方向依次包括一雷射器、一第一柱面鏡、一第一成像鏡片、一照明光欄、一第二成像鏡片、一第二柱面鏡和一CCD探測器；一被測物位於該第一柱面鏡和該第一成像鏡片之間且由一工件臺承載，該雷射器、該被測物和該CCD探測器分別位於整個該預對準測量裝置所形成的一三角形的頂點上，該三角形所在平面與該被測物所在平面垂直，且該三角形所在面相切於該被測物的邊緣，該方法包括如下步驟： 步驟一：以一定步距沿z向移動該工件臺； 步驟二：在每個z向位置zi，以一定步距沿x向移動該工件臺； 步驟三：在每個具體位置，藉由該雷射器發出照明光束，藉由該第一柱面鏡將所輸送照明光束轉化為線光源，並照射至該工件臺上的該被測物，檢測經過該被測物反射的一反射線段，該反射線段通過該第二柱面鏡後，在該CCD探測器上成像形成一CCD影像，在該CCD影像的水平向與垂直向放大倍率不同，使得水平向與垂直向解析度與量程匹配，得到該反射線段在該CCD影像中的複數個位置，並求出交界點的位置(ui, vi)，其中，u和x分別為該CCD影像座標系中的橫座標和縱座標，i為正整數； 步驟四：記錄該CCD影像中的複數個位置(ui, vi)所對應的該工件臺上的點的位置（xi, zi)，其中，zi 為檢測(ui,vi)時該工件臺所處的垂向位置，xi為由該工件臺在檢測(ui,vi)時的水平向位置與標記交界點在該工件臺座標系中的位置相加確定的標記交界點在該工件臺零位座標系下的位置； 步驟五：建立該CCD影像中的交界點的位置(ui, vi)與該工件臺座標系中的交界點的位置（xi, zi）之間的對應關係。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該步驟三中，得到該反射線段在該CCD影像中的複數個位置(ui, vi)可用直線檢測演算法檢測。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該步驟三中，求出交界點的位置(ui, vi)包括根據檢測出線段位置，從起點到終點，取出每個點對應的該CCD探測器灰度值，得到標定標記的一維灰度分佈圖；從灰度分佈圖上，用梯度極值法檢測出標定標記交界點的位置(ui, vi)。
  7. 一種預對準測量裝置的測量方法，其包括如下步驟： 步驟一：按照申請專利範圍第4項所述的標定方法得到一CCD影像中的交界點的位置(ui, vi)與工件臺座標系中的交界點的位置（xi,  zi）之間的對應關係； 步驟二：計算出一被測物及承載該被測物的工件臺的N個階躍點在該CCD影像中的位置(uj, vj)，其中，u和v分別為該CCD影像座標系中的橫座標和縱座標，j為1至N的正整數； 步驟三：根據步驟一中得到的該CCD影像中的交界點的位置(ui, vi)與工件臺座標系中的交界點的位置（xi, zi）之間的對應關係，插值計算N個階躍點每個點對應的高度差及x向位置座標； 步驟四：根據該被測物的名義厚度值，得到N個階躍點中表徵該被測物邊緣的一個階躍點的位置，其中，k為1至N的正整數； 步驟五：基於該被測物邊緣的位置，得到該被測物的中心位置，從而實現測量裝置的預對準。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的預對準測量裝置的測量方法，其中步驟二中，N為4。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的預對準測量裝置的測量方法，其中步驟四中，藉由進行圓形或矩形擬合得到該被測物的中心位置座標。
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