高精度機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 兵，周 暢

(上海微電子裝備有限公司，上海 201203)

對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)是半導(dǎo)體先進(jìn)封裝光刻設(shè)備中最關(guān)鍵的分系統(tǒng)之一，其主要是為對(duì)準(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)提供掩模對(duì)準(zhǔn)和硅片對(duì)準(zhǔn)時(shí)掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記當(dāng)前實(shí)際坐標(biāo)位置信息，以便上位機(jī)軟件根據(jù)掩模對(duì)準(zhǔn)模型和硅片對(duì)準(zhǔn)模型求解出掩模像和硅片上各個(gè)曝光場(chǎng)在工件臺(tái)坐標(biāo)系中的位置信息，以滿足不同曝光層之間的套刻精度要求。

在半導(dǎo)體先進(jìn)封裝光刻設(shè)備中實(shí)現(xiàn)掩模與硅片對(duì)準(zhǔn)的方法很多，從對(duì)準(zhǔn)信號(hào)的探測(cè)與處理方式上可以分為光強(qiáng)探測(cè)與機(jī)器視覺(jué)兩種。光強(qiáng)探測(cè)主要是利用模擬光強(qiáng)探測(cè)器件如光電二極管接收對(duì)準(zhǔn)信號(hào)光強(qiáng)，并通過(guò)對(duì)光強(qiáng)峰值位置及峰值周期的判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)掩模和硅片的對(duì)準(zhǔn)；機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)光學(xué)裝置和非接觸的傳感器CCD攝像機(jī)自動(dòng)接收和處理掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記及硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在工件臺(tái)坐標(biāo)系中的位置，從而實(shí)現(xiàn)掩模和硅片的對(duì)準(zhǔn)。如圖1所示，典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般包括：光源、光學(xué)成像鏡頭、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、顯卡、監(jiān)視器及圖像處理軟件包等。

圖1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成示意圖

1 工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

圖2給出了本文所述機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)工作原理示意圖，其采用同軸照明方式，掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)時(shí)從對(duì)準(zhǔn)光源發(fā)出的光經(jīng)照明光纖引入到對(duì)準(zhǔn)照明光學(xué)系統(tǒng)，使光線均勻照射到掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記RM1和RM2，然后從掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記上產(chǎn)生的反射光進(jìn)入對(duì)準(zhǔn)成像光學(xué)系統(tǒng)后在CCD攝像機(jī)靶面上成像；通過(guò)確認(rèn)2個(gè)掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在左右2套CCD攝像機(jī)靶面上的實(shí)際對(duì)準(zhǔn)位置相對(duì)名義對(duì)準(zhǔn)位置的偏差，求出掩模臺(tái)的平移量和旋轉(zhuǎn)量。硅片對(duì)準(zhǔn)時(shí)從對(duì)準(zhǔn)照明系統(tǒng)產(chǎn)生的照明光束通過(guò)掩模版和投影物鏡均勻照射到硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記WM，然后硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記將照明光束反射先后通過(guò)投影物鏡、掩模版及機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)成像系統(tǒng)，最后成像到CCD攝像機(jī)靶面；根據(jù)硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記像相對(duì)掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記像的位置偏差建立起硅片上各個(gè)曝光場(chǎng)相對(duì)掩模圖案的位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)掩模和硅片的對(duì)準(zhǔn)。

圖2 機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)需求

上述機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)需求：

(1)標(biāo)記面照明均勻性：≥5%；

(2)成像鏡頭畸變：<0.1%；

(3)光學(xué)成像鏡頭的物方分辨率≥10 μm；

(4)X方向重復(fù)測(cè)量精度：<50 nm；

(5)Y方向重復(fù)測(cè)量精度：<50 nm；

(6)X方向測(cè)量精度：<150 nm；

(7)Y方向測(cè)量精度：<150 nm；

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨率如式 (1)所示，式中d表示測(cè)量分辨率，i表示CCD攝像機(jī)單個(gè)像元尺寸，β為光學(xué)成像鏡頭放大倍率，γ為圖像處理軟件亞像素級(jí)別。由式(1)可以得出，為提高機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨率，需選擇單個(gè)像元尺寸相對(duì)比較小的CCD攝像機(jī)，同時(shí)在成像視場(chǎng)、成像分辨率及成像景深滿足需求的條件下，盡可能選擇放大倍率比較大的光學(xué)成像鏡頭；圖像處理軟件亞像素級(jí)別γ取決于待測(cè)目標(biāo)圖像的清晰程度，當(dāng)目標(biāo)圖像對(duì)比度比較高時(shí)，γ可以取10，考慮到實(shí)際封裝工藝工況相對(duì)比較復(fù)雜，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)γ取7。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)包括光源、光學(xué)鏡頭、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件及機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定算法6大關(guān)鍵組成部分，其中每一部分設(shè)計(jì)是否合理不僅決定整個(gè)系統(tǒng)是否能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需求，而且也決定了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。在先進(jìn)封裝光刻設(shè)備中機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在能滿足整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下達(dá)到設(shè)計(jì)成本最優(yōu)化。

2.1 光源

為避免對(duì)準(zhǔn)光源使硅片上的光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為520～590 nm。為保證掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記有充足的光照強(qiáng)度，在此選用了功率為150 W的鹵素?zé)艄庠?；同時(shí)為了避免鹵素?zé)艄庠窗l(fā)熱對(duì)機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)及整機(jī)內(nèi)部投影物鏡和其它高精度部件的性能造成影響，采用了光纖束將鹵素?zé)艄庠窗l(fā)出的光導(dǎo)入到機(jī)器視覺(jué)照明與成像光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)。

2.2 光學(xué)鏡頭

如圖2所示，光學(xué)鏡頭包括照明光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)兩部分，其中照明光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)共用一組透鏡組形成同軸照明光學(xué)系統(tǒng)；由于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的照明均勻性及成像對(duì)比度將直接影響最終標(biāo)記位置的測(cè)量精度，因此保證對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記面的照明均勻性及成像對(duì)比度是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為保證掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記均能被均勻照明且能在CCD攝像機(jī)靶面上清晰成像，光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)需考慮投影物鏡在對(duì)準(zhǔn)波段產(chǎn)生的色差對(duì)照明均勻性及成像對(duì)比度的影響。圖3和圖4分別給出了掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記RM面和硅片標(biāo)記WM面相對(duì)照度示意圖及硅片標(biāo)記成像系統(tǒng)的MTF及畸變曲線示意圖，從圖中可以看出所設(shè)計(jì)的照明與成像光學(xué)系統(tǒng)均滿足5%的照明均勻性及10 μm的成像分辨率和小于0.1%的畸變?cè)O(shè)計(jì)需求。

圖3 掩模和硅片標(biāo)記面相對(duì)照度示意圖

2.3 CCD攝像機(jī)

為了滿足150 nm的對(duì)準(zhǔn)測(cè)量精度指標(biāo)需求，選用了1024 pixel×1024 pixel的高分辨率CCD攝像機(jī)，而且其像素分辨率最高可達(dá)到12位，同時(shí)單個(gè)像素尺寸為9 μm×9 μm，這將有效地增大了CCD攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，保證了掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記能同時(shí)在CCD攝像機(jī)靶面上清晰成像。

圖4 硅片標(biāo)記成像系統(tǒng)MTF及畸變曲線示意圖

2.4 圖像采集卡

圖像采集卡采集CCD攝像機(jī)拍攝到的圖像并將其輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖像采集卡在信號(hào)輸出接口、所支持的圖像分辨率及模式上(黑白圖像還是彩色圖像)均要與所選的CCD攝像機(jī)相匹配。

2.5 圖像處理軟件

為了能夠處理實(shí)際生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記旋轉(zhuǎn)、背景不均勻、缺陷、標(biāo)記和背景區(qū)分度差、背景復(fù)雜、離焦和標(biāo)記伸縮等不同工況，設(shè)計(jì)過(guò)程采用了灰度模板匹配和幾何模板匹配混合算法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記位置的計(jì)算處理?；叶饶０迤ヅ渌惴ㄖ饕纱侄ㄎ凰惴ê途ㄎ凰惴ńM成，首先對(duì)需要匹配定位的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行模板訓(xùn)練，生成一系列具有不同旋轉(zhuǎn)角度及不同縮放比例的子模板，然后通過(guò)粗定位算法，獲得模板所在像素級(jí)精度位置，再通過(guò)精定位算法獲得模板所在更高精度的 (亞像素級(jí))精度位置。幾何模板匹配與灰度模板匹配的方法一樣，同樣需要對(duì)模板進(jìn)行訓(xùn)練；幾何模板匹配的作用是在目標(biāo)圖像中尋找訓(xùn)練過(guò)的模板，通過(guò)設(shè)定模板變化的縮放比例、旋轉(zhuǎn)范圍等自由度，在目標(biāo)圖像中精確定位出設(shè)定自由度變化范圍內(nèi)的模板。采用灰度模板匹配和幾何模板匹配混合算法可以解決不同工藝條件下對(duì)準(zhǔn)圖像處理算法的工藝適應(yīng)性，以滿足圖像處理時(shí)間及圖像處理精度的需求。

2.6 對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

由于圖像處理軟件算法給出的是對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在CCD攝像機(jī)靶面的像素坐標(biāo)(U，V)，而實(shí)際需要對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)給出掩模對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記或硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在掩模臺(tái)坐標(biāo)系或工件臺(tái)坐標(biāo)系中的物理位置，因此對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定就是給出CCD攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系與掩模臺(tái)或工件臺(tái)物理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。下面以工件臺(tái)坐標(biāo)系與對(duì)準(zhǔn)CCD攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系標(biāo)定為例說(shuō)明此過(guò)程，移動(dòng)工件臺(tái)將工件臺(tái)基準(zhǔn)版標(biāo)記FM移動(dòng)至對(duì)準(zhǔn)CCD攝像機(jī)成像視場(chǎng)內(nèi)，以預(yù)設(shè)的路徑移動(dòng)工件臺(tái)，使基準(zhǔn)版標(biāo)記FM在CCD攝像機(jī)成像視場(chǎng)內(nèi)步進(jìn)移動(dòng)，在每一個(gè)位置記錄標(biāo)記在CCD攝像機(jī)靶面上的像素坐標(biāo)(U，V)及對(duì)應(yīng)的工件臺(tái)物理位置坐標(biāo)(X,Y)，獲得兩組坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)；然后利用多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型建立超定方程，對(duì)超定方程進(jìn)行非病態(tài)處理后求解其最小二乘解，并將解出的模型參數(shù)數(shù)值作為機(jī)器常數(shù)保存于上位機(jī)，供對(duì)準(zhǔn)模型在求解對(duì)準(zhǔn)參數(shù)時(shí)調(diào)用。

3 性能測(cè)試結(jié)果

3.1 重復(fù)測(cè)量精度

重復(fù)測(cè)量精度是指機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)同一個(gè)標(biāo)記位置在不同時(shí)刻位置測(cè)量數(shù)值的離散性，它反映了機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的精密度(precision)。該性能指標(biāo)的測(cè)試環(huán)境溫度控制在22℃±0.1℃；測(cè)試方法是對(duì)1 mm×1 mm視場(chǎng)內(nèi)均勻分布的3×3點(diǎn)陣共9個(gè)位置的圖像先后進(jìn)行采集，對(duì)于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間為2 s，采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為50組，然后對(duì)該點(diǎn)所測(cè)50組物理位置按公式(2)取3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差即可得到機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)在該點(diǎn)的重復(fù)測(cè)量精度。圖5給出了左右2套機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)在上述9個(gè)位置重復(fù)測(cè)量精度的測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出左右2套機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)在全視場(chǎng)內(nèi)的重復(fù)測(cè)量精度均滿足X，Y方向小于50 nm的設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

圖5 左右2套機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量精度測(cè)試結(jié)果

3.2 測(cè)量精度

測(cè)量精度是指機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其視場(chǎng)內(nèi)任意兩點(diǎn)位置的測(cè)量值與其名義值之差，它反映了機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度(trueness)。該性能指標(biāo)的測(cè)試環(huán)境同上，測(cè)試方法是利用基準(zhǔn)版上已知位置間距的2個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(該標(biāo)記位置制作誤差±30 nm以內(nèi))對(duì)MVS的測(cè)量精度進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取實(shí)際測(cè)量值和理論值之間的差值；測(cè)試過(guò)程中機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)將對(duì)上述已知位置間距的2個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在視場(chǎng)內(nèi)66個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量。圖6給出了左右2套機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出所設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)在其成像視場(chǎng)范圍內(nèi)測(cè)量精度都能控制在150 nm以內(nèi)，完全滿足測(cè)量精度小于150 nm的設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

圖6 左右2套機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了高精度機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理及其關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)，同時(shí)也給出了高精度機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量精度及測(cè)量精度的測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明該高精度機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)完全可以滿足集成電路先進(jìn)封裝工藝需求。按照本文給出的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的高精度機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)也可應(yīng)用到LED光刻機(jī)、平板顯示光刻機(jī)、半導(dǎo)體貼片機(jī)、鍵合機(jī)及切片機(jī)等工藝設(shè)備中，通過(guò)改變及優(yōu)化機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)各組成部分，可以達(dá)到100 nm甚至是更高的對(duì)準(zhǔn)測(cè)量精度。

[1]周暢，賀榮明.投影光刻機(jī)在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010(3)：47-50

[2]周暢，賀榮明.一種高產(chǎn)率的先進(jìn)封裝投影光刻機(jī)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010(10)：1-5.

[3]周暢.先進(jìn)封裝投影光刻機(jī)[J].中國(guó)集成電路，2009(12)：63-66.