專利名稱：一種精密平行度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量技術(shù)，具體地說是一種精密平行度測量方法。
背景技術(shù)：
精密平行度測量是用于大規(guī)模集成電路(IC)制造業(yè)精密(亞微米級)檢測與姿態(tài)調(diào)整作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。典型IC加工中存在的模板(mask)與晶片(wafer)平行定位工藝，在定位完成之后，對晶片進(jìn)行曝光加工。傳統(tǒng)方法采用精密距離傳感器(如采用電容法、光學(xué)測距法、電磁法等結(jié)構(gòu))只能測量被測平面(如晶片，定義為M)距離參考平面(如模板安裝平面，定義為W)的有限幾個(gè)位置的相對距離量，當(dāng)晶片表面平整度無法高于要求測量的精度時(shí)，這些測量點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)就無法在更高技術(shù)要求水平上正確反映M與W之間的平行關(guān)系，從而限制了IC加工的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能正確反映被測物體與參考平面之間的平行關(guān)系、調(diào)節(jié)精度高的精密平行度測量的方法，即測量被測物體平整表面與參考平面的相對平行度方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是設(shè)M為被測物體，W為參考平面，Z為旋轉(zhuǎn)軸，將被測物體M安裝在具有旋轉(zhuǎn)軸Z的平臺上，可繞旋轉(zhuǎn)軸Z旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸Z與參考平面W垂直；配有一束照明光源和攝像機(jī)作為測量裝置，讓攝像機(jī)鏡頭對準(zhǔn)被測物體M的側(cè)面，憑借可以接收的、投射在被測物體M側(cè)面的反射光成像；設(shè)橫軸u與縱軸v為成像后的圖像坐標(biāo)系，原點(diǎn)在成像后的圖像中心，其中被測物體M上或下平面與其側(cè)面過縱軸v的交匯點(diǎn)為在被測物體M側(cè)面圖像的檢測點(diǎn)A；當(dāng)被測物體M繞旋轉(zhuǎn)軸Z旋轉(zhuǎn)時(shí)、通過連續(xù)圖象采集，利用檢測點(diǎn)A的圖像位置測量值描述被測物體M的平面相對參考平面W的平行狀態(tài)，從而確定被測物體M相對參考平面W的不平行度和調(diào)整位置；當(dāng)所述光源與攝像機(jī)位置不變時(shí)，當(dāng)采樣速率遠(yuǎn)大于被測物體M的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，檢測點(diǎn)A的檢測位置為近似連續(xù)變化的離散量；當(dāng)被測物體M與參考平面W不平行時(shí)，檢測點(diǎn)A點(diǎn)的位置檢測值在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)會呈現(xiàn)偏移量變化曲線，當(dāng)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)測得的這個(gè)曲線近似平行直線時(shí)，則兩個(gè)平面即被測物體M平面和參考平面W近似平行；所述偏移量變化曲線定量反映了被測物體M平面與參考平面W的不平行幅度和最大偏離幅度的角度位置，偏移量變化曲線的縱軸表示被測物體M在旋轉(zhuǎn)角為θ時(shí)的傾斜幅度，其中X表示最大傾斜幅度；橫軸表示旋轉(zhuǎn)角θ，其中Y為最大傾斜幅度X時(shí)相對旋轉(zhuǎn)起始位置所旋轉(zhuǎn)過的角度θ；所述參考平面可以位于被測物體M的上方或下方。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.基于其原理及其合理設(shè)計(jì)，本發(fā)明可從整體上檢測了被測物體(如晶片)相對于參考系的不平行度，因而與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有更明顯的技術(shù)優(yōu)勢，即能正確反映被測物體與參考平面之間的平行關(guān)系，同時(shí)易操作，也具有可實(shí)現(xiàn)性。
2.本發(fā)明為光學(xué)測量方式，不僅無電磁污染(如電磁干擾)，而且調(diào)節(jié)精度高，測量精度取決于圖象分辨率，可達(dá)0.1微米以上。
3.本發(fā)明基于光學(xué)成象位置測量方法，在亞微米級上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)平面即被測平面與參考平面之間的平行度檢測，從而可實(shí)現(xiàn)IC加工過程中的超精密定位檢測，提高IC集成電路的加工水平和集成度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有IC加工工藝的改進(jìn)。


圖1為測量原理與測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為使攝像機(jī)可以接收照明光源投射在晶片側(cè)面的反射成像。
圖3為被測平面M側(cè)面的成像檢測點(diǎn)A的位置檢測值在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的偏移量變化曲線。
具體實(shí)施例方式
設(shè)M為被測物體，W為參考平面，位于參考平面W的下方，Z為旋轉(zhuǎn)軸，將被測物體M安裝在具有旋轉(zhuǎn)軸Z的平臺上，可繞旋轉(zhuǎn)軸Z旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸Z與參考平面W垂直；配有一束照明光源和攝像機(jī)(本實(shí)施例采用CCD攝像機(jī))作為測量裝置，讓攝像機(jī)鏡頭對準(zhǔn)被測物體M的側(cè)面，憑借可以接收的、投射在被測物體M側(cè)面的光源反射成像，即在攝像機(jī)上產(chǎn)生投射在被測物體側(cè)面的反射光成像；設(shè)橫軸u與縱軸v為成像后的圖像坐標(biāo)系，原點(diǎn)在成像后的圖像中心，其中被測物體M下平面與其側(cè)面過縱軸v的交匯點(diǎn)A為在被測物體M側(cè)面圖像的檢測點(diǎn)；當(dāng)被測物體M繞旋轉(zhuǎn)軸Z旋轉(zhuǎn)時(shí)、通過連續(xù)圖象采集，利用檢測點(diǎn)A的圖像位置測量值描述被測物體M的平面相對參考平面W的平行狀態(tài)，從而確定被測物體M相對參考平面W的不平行度和調(diào)整位置；當(dāng)所述光源與攝像機(jī)位置不變時(shí)，當(dāng)采樣速率遠(yuǎn)大于被測物體M的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，檢測點(diǎn)A的檢測位置為近似連續(xù)變化的離散量；當(dāng)被測物體M與參考平面W不平行時(shí)，檢測點(diǎn)A點(diǎn)的位置檢測值在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)會呈現(xiàn)偏移量變化曲線，當(dāng)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)測得的這個(gè)曲線近似平行直線時(shí)，則兩個(gè)平面即被測物體M平面和參考平面W近似平行；所述偏移量變化曲線定量反映了被測物體M平面與參考平面W的不平行幅度和最大偏離幅度的角度位置，偏移變化曲線的縱軸表示被測物體M在旋轉(zhuǎn)角為θ時(shí)的傾斜幅度，其中X表示最大傾斜幅度；橫軸表示旋轉(zhuǎn)角θ，其中Y表示最大傾斜幅度X時(shí)相對旋轉(zhuǎn)起始位置所旋轉(zhuǎn)過的角度θ。
平行度測量方法具體操作為令被測物體M繞旋轉(zhuǎn)軸Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且采用CCD連續(xù)采集圖象，則檢測出被測物體M側(cè)面的成像檢測點(diǎn)A的圖象位置為連續(xù)圖像；當(dāng)光源與CCD位置不變時(shí)，當(dāng)采樣速率遠(yuǎn)大于被測物體M的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，檢測點(diǎn)A的檢測位置為近似連續(xù)變化的離散量；當(dāng)被測物體M與參考平面W不平行時(shí)，檢測點(diǎn)A點(diǎn)的位置檢測值在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)會呈現(xiàn)偏移量變化曲線，參見圖3(圖3反映了被測平面M相對于參考平面W的傾斜曲線；所述縱軸表示被測物體在旋轉(zhuǎn)角為θ時(shí)的傾斜幅度，代表所需調(diào)節(jié)量；其中X為被測平面M相對于參考平面W的最大傾斜幅度；橫軸為旋轉(zhuǎn)角度θ，代表被測平面M所需調(diào)節(jié)的位置；其中Y為檢測點(diǎn)A處的旋轉(zhuǎn)角度θ)，當(dāng)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)測得的這個(gè)曲線近似平行直線時(shí)，則兩個(gè)平面即被測物體M平面和參考平面W近似平行。
測量原理如圖1所示(其中1為光源，2為CCD攝像機(jī)3為攝像機(jī)鏡頭，4為反射域)，設(shè)被測物體M為圓盤形晶片(wafer)，安裝在具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸Z的平臺上，該旋轉(zhuǎn)軸Z與給定的參考平面W垂直；模板(mask)安裝在參考平面W上，假設(shè)參考平面W與模板平行，如果能夠測量被測物體M與參考平面W的之間平整度并可以按要求調(diào)整兩者之間的姿態(tài)，則通過這種測量與調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)模板與晶片的平行度測量與調(diào)整，其檢測精度取決于測量系統(tǒng)的位置分辨率。
測量成像機(jī)理設(shè)M為被測物體，W為參考平面，Z為與參考平面W垂直的旋轉(zhuǎn)軸，被測物體M可繞旋轉(zhuǎn)軸Z軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)使用CCD攝像機(jī)與一束照明光源按圖1中的配置時(shí)，使CCD可以接收照明光投射在晶片側(cè)面的反射成像如圖2所示。其中A(本實(shí)施例為被測物體M下平面與其側(cè)面過v軸的交匯點(diǎn))為定義在被測物體M側(cè)面圖像的檢測點(diǎn)，u與v為圖像坐標(biāo)系；5為被測平面M側(cè)面的反射域成像，6為背景域成像。
平行度測量機(jī)理本發(fā)明的核心思想是通過測量檢測點(diǎn)A的圖像位置測量值進(jìn)而描述被測物體M的平面相對參考平面W的平行狀態(tài)，包括傾斜幅度、最大傾斜幅度相距起始位置所在的旋轉(zhuǎn)角，從而確定了M相對W的不平行度和調(diào)整位置。
本實(shí)施例設(shè)CCD分辯率為1000，鏡頭放大倍數(shù)為50，則測量系統(tǒng)分辯率為1000×50＝5×104，設(shè)視場為5mm(即圖象包含的景物的實(shí)際高度范圍)，則測量精度為5mm/(5×104)＝1×10-4mm＝0.1μm。實(shí)驗(yàn)時(shí)取X值為調(diào)節(jié)幅度，調(diào)節(jié)其值至(趨于)0，調(diào)節(jié)位置由Y所示的旋轉(zhuǎn)角θ確定。
平行度的精度分析本發(fā)明不平行度檢測精度取決于圖象分辨率，當(dāng)圖象分辨率高到小于微米(亞微米)時(shí)，檢測點(diǎn)A的測量曲線所反映的不平行狀態(tài)就可以達(dá)到亞微米級。由于CCD的視場可以設(shè)計(jì)為僅包含檢測點(diǎn)A附近的區(qū)域，鏡頭的放大倍數(shù)也可以足夠大，因此圖像分辨率可以足夠高，理論上可以達(dá)到鏡頭與CCD分辨率組合的極限。這樣，當(dāng)CCD成像系統(tǒng)的分辨率足夠高時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)對被測物體M與參考平面W的不平行度精密測量。根據(jù)科研經(jīng)驗(yàn)，可以采用線陣高分辨率CCD攝像機(jī)，并按要求取鏡頭的放大倍數(shù)，經(jīng)圖象處理，可以滿足測量大于、等于0.1微米的測量精度。由于被測邊緣存在噪聲(由晶片表面與側(cè)面交界邊緣的不平整度引起)，會在檢測點(diǎn)A的位置測量曲線上出現(xiàn)噪聲信號，因此需要加入平滑濾波等技術(shù)處理(常規(guī)技術(shù))以正確得到檢測點(diǎn)A的準(zhǔn)確位置測量曲線，以便精確給出不平行參數(shù)，用于機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種精密平行度測量方法，其特征在于將被測物體M可繞旋轉(zhuǎn)軸Z旋轉(zhuǎn)，安裝在具有旋轉(zhuǎn)軸Z的平臺上，所述旋轉(zhuǎn)軸Z與參考平面W垂直；配有光源和攝像機(jī)作為測量裝置，讓攝像機(jī)鏡頭對準(zhǔn)被測物體M的側(cè)面，憑借可以接收的、投射在被測物體M側(cè)面的光源反射成像；設(shè)橫軸u與縱軸v為成像后的圖像坐標(biāo)系，原點(diǎn)在成像后的圖像中心，其中被測物體M上或下平面與其側(cè)面過縱軸v的交匯點(diǎn)為在被測物體M側(cè)面圖像的檢測點(diǎn)A；當(dāng)被測物體M繞旋轉(zhuǎn)軸Z旋轉(zhuǎn)時(shí)、通過連續(xù)圖象采集，利用檢測點(diǎn)A的圖像位置測量值描述被測物體M的平面相對參考平面W的平行狀態(tài)，從而確定被測物體M相對參考平面W的不平行度和調(diào)整位置。
2.按照權(quán)利要求1所述精密平行度測量方法，其特征在于當(dāng)所述光源與攝像機(jī)位置不變時(shí)，當(dāng)采樣速率遠(yuǎn)大于被測物體M的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，檢測點(diǎn)A的檢測位置為近似連續(xù)變化的離散量；當(dāng)被測物體M與參考平面W不平行時(shí)，檢測點(diǎn)A點(diǎn)的位置檢測值在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)會呈現(xiàn)偏移量變化曲線，當(dāng)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)測得的這個(gè)曲線近似平行直線時(shí)，則兩個(gè)平面即被測物體M平面和參考平面W近似平行。
3.按照權(quán)利要求2所述精密平行度測量方法，其特征在于所述偏移量變化曲線定量反映了被測物體M平面與參考平面W的不平行幅度和最大偏離幅度的角度位置，其縱軸表示被測物體M在旋轉(zhuǎn)角為θ時(shí)的傾斜幅度，其中X表示最大傾斜幅度；橫軸為旋轉(zhuǎn)角度θ，其中Y表示最大傾斜幅度X時(shí)相對旋轉(zhuǎn)起始位置所旋轉(zhuǎn)過的角度θ。
4.按照權(quán)利要求1所述精密平行度測量方法，其特征在于所述參考平面可以位于被測物體M的上方或下方。
全文摘要
本發(fā)明涉及測量技術(shù)，具體地說是一種精密平行度測量的方法，即測量被測物體平整表面與參考平面的相對平行度方法。首先將被測物體安裝在具有旋轉(zhuǎn)軸的平臺上，令該旋轉(zhuǎn)軸與參考平面垂直；配有光源和攝像機(jī)作為測量裝置，讓鏡頭對準(zhǔn)被測物體的側(cè)面，在攝像機(jī)上產(chǎn)生投射在被測物體側(cè)面的反射光成像；設(shè)橫軸u與縱軸v為成像后的圖像坐標(biāo)系，原點(diǎn)定義在成像后的圖像中心，其中被測物體上或下平面與其側(cè)面過縱軸的交匯點(diǎn)為檢測點(diǎn)；當(dāng)被測物體繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)、在連續(xù)采集情況下通過檢測點(diǎn)的圖像位置測量值來描述被測物體的平面相對參考平面的平行狀態(tài)，以確定被測物體相對參考平面的不平行度和調(diào)整位置。本發(fā)明能正確反映被測物體與參考平面之間的平行關(guān)系、調(diào)節(jié)精度高。
文檔編號G01B11/26GK1530629SQ0311115
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月12日
發(fā)明者董再勵(lì), 王俊, 郝穎明, 朱楓, 歐錦軍 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所