高精度機器視覺對準測量系統設計

徐 兵，周 暢

(上海微電子裝備有限公司，上海 201203)

對準測量系統是半導體先進封裝光刻設備中最關鍵的分系統之一，其主要是為對準功能的實現提供掩模對準和硅片對準時掩模對準標記和硅片對準標記當前實際坐標位置信息，以便上位機軟件根據掩模對準模型和硅片對準模型求解出掩模像和硅片上各個曝光場在工件臺坐標系中的位置信息，以滿足不同曝光層之間的套刻精度要求。

在半導體先進封裝光刻設備中實現掩模與硅片對準的方法很多，從對準信號的探測與處理方式上可以分為光強探測與機器視覺兩種。光強探測主要是利用模擬光強探測器件如光電二極管接收對準信號光強，并通過對光強峰值位置及峰值周期的判斷來實現掩模和硅片的對準；機器視覺是通過光學裝置和非接觸的傳感器CCD攝像機自動接收和處理掩模對準標記及硅片對準標記在工件臺坐標系中的位置，從而實現掩模和硅片的對準。如圖1所示，典型的機器視覺系統一般包括：光源、光學成像鏡頭、CCD攝像機、圖像采集卡、顯卡、監視器及圖像處理軟件包等。

圖1 機器視覺系統組成示意圖

1 工作原理及系統設計

1.1 工作原理

圖2給出了本文所述機器視覺對準測量系統工作原理示意圖，其采用同軸照明方式，掩模對準標記對準時從對準光源發出的光經照明光纖引入到對準照明光學系統，使光線均勻照射到掩模對準標記RM1和RM2，然后從掩模對準標記上產生的反射光進入對準成像光學系統后在CCD攝像機靶面上成像；通過確認2個掩模對準標記在左右2套CCD攝像機靶面上的實際對準位置相對名義對準位置的偏差，求出掩模臺的平移量和旋轉量。硅片對準時從對準照明系統產生的照明光束通過掩模版和投影物鏡均勻照射到硅片對準標記WM，然后硅片對準標記將照明光束反射先后通過投影物鏡、掩模版及機器視覺對準成像系統，最后成像到CCD攝像機靶面；根據硅片對準標記像相對掩模對準標記像的位置偏差建立起硅片上各個曝光場相對掩模圖案的位置關系，從而實現掩模和硅片的對準。

圖2 機器視覺對準測量系統工作原理示意圖

1.2 設計指標需求

上述機器視覺對準測量系統關鍵技術指標需求：

(1)標記面照明均勻性：≥5%；

(2)成像鏡頭畸變：<0.1%；

(3)光學成像鏡頭的物方分辨率≥10 μm；

(4)X方向重復測量精度：<50 nm；

(5)Y方向重復測量精度：<50 nm；

(6)X方向測量精度：<150 nm；

(7)Y方向測量精度：<150 nm；

1.3 系統設計

機器視覺測量系統的測量分辨率如式 (1)所示，式中d表示測量分辨率，i表示CCD攝像機單個像元尺寸，β為光學成像鏡頭放大倍率，γ為圖像處理軟件亞像素級別。由式(1)可以得出，為提高機器視覺測量系統的測量分辨率，需選擇單個像元尺寸相對比較小的CCD攝像機，同時在成像視場、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成像鏡頭；圖像處理軟件亞像素級別γ取決于待測目標圖像的清晰程度，當目標圖像對比度比較高時，γ可以取10，考慮到實際封裝工藝工況相對比較復雜，在進行系統設計時γ取7。

2 關鍵零部件設計

機器視覺對準測量系統包括光源、光學鏡頭、CCD攝像機、圖像采集卡、圖像處理軟件及機器視覺系統標定算法6大關鍵組成部分，其中每一部分設計是否合理不僅決定整個系統是否能滿足設計指標需求，而且也決定了整個系統的設計成本。在先進封裝光刻設備中機器視覺對準測量系統設計的目標是在能滿足整個系統設計指標的前提下達到設計成本最優化。

2.1 光源

為避免對準光源使硅片上的光刻膠發生光化學反應，對準測量系統的設計波長為520～590 nm。為保證掩模對準標記與硅片對準標記有充足的光照強度，在此選用了功率為150 W的鹵素燈光源；同時為了避免鹵素燈光源發熱對機器視覺對準測量系統及整機內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燈光源發出的光導入到機器視覺照明與成像光學系統內。

2.2 光學鏡頭

如圖2所示，光學鏡頭包括照明光學系統和成像光學系統兩部分，其中照明光學系統和成像光學系統共用一組透鏡組形成同軸照明光學系統；由于對準標記的照明均勻性及成像對比度將直接影響最終標記位置的測量精度，因此保證對準標記面的照明均勻性及成像對比度是該系統設計的關鍵。為保證掩模對準標記和硅片對準標記均能被均勻照明且能在CCD攝像機靶面上清晰成像，光學鏡頭設計需考慮投影物鏡在對準波段產生的色差對照明均勻性及成像對比度的影響。圖3和圖4分別給出了掩模對準標記RM面和硅片標記WM面相對照度示意圖及硅片標記成像系統的MTF及畸變曲線示意圖，從圖中可以看出所設計的照明與成像光學系統均滿足5%的照明均勻性及10 μm的成像分辨率和小于0.1%的畸變設計需求。

圖3 掩模和硅片標記面相對照度示意圖

2.3 CCD攝像機

為了滿足150 nm的對準測量精度指標需求，選用了1024 pixel×1024 pixel的高分辨率CCD攝像機，而且其像素分辨率最高可達到12位，同時單個像素尺寸為9 μm×9 μm，這將有效地增大了CCD攝像機的動態范圍，保證了掩模對準標記和硅片對準標記能同時在CCD攝像機靶面上清晰成像。

圖4 硅片標記成像系統MTF及畸變曲線示意圖

2.4 圖像采集卡

圖像采集卡采集CCD攝像機拍攝到的圖像并將其輸入計算機內存，系統設計的圖像采集卡在信號輸出接口、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攝像機相匹配。

2.5 圖像處理軟件

為了能夠處理實際生產工藝中出現對準標記旋轉、背景不均勻、缺陷、標記和背景區分度差、背景復雜、離焦和標記伸縮等不同工況，設計過程采用了灰度模板匹配和幾何模板匹配混合算法進行對準標記位置的計算處理。灰度模板匹配算法主要由粗定位算法和精定位算法組成，首先對需要匹配定位的對準標記進行模板訓練，生成一系列具有不同旋轉角度及不同縮放比例的子模板，然后通過粗定位算法，獲得模板所在像素級精度位置，再通過精定位算法獲得模板所在更高精度的 (亞像素級)精度位置。幾何模板匹配與灰度模板匹配的方法一樣，同樣需要對模板進行訓練；幾何模板匹配的作用是在目標圖像中尋找訓練過的模板，通過設定模板變化的縮放比例、旋轉范圍等自由度，在目標圖像中精確定位出設定自由度變化范圍內的模板。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準圖像處理算法的工藝適應性，以滿足圖像處理時間及圖像處理精度的需求。

2.6 對準測量系統標定

由于圖像處理軟件算法給出的是對準標記在CCD攝像機靶面的像素坐標(U，V)，而實際需要對準測量系統給出掩模對準標記或硅片對準標記在掩模臺坐標系或工件臺坐標系中的物理位置，因此對準測量系統的標定就是給出CCD攝像機圖像坐標系與掩模臺或工件臺物理坐標系之間的轉化關系。下面以工件臺坐標系與對準CCD攝像機圖像坐標系標定為例說明此過程，移動工件臺將工件臺基準版標記FM移動至對準CCD攝像機成像視場內，以預設的路徑移動工件臺，使基準版標記FM在CCD攝像機成像視場內步進移動，在每一個位置記錄標記在CCD攝像機靶面上的像素坐標(U，V)及對應的工件臺物理位置坐標(X,Y)，獲得兩組坐標位置數據；然后利用多項式數學模型建立超定方程，對超定方程進行非病態處理后求解其最小二乘解，并將解出的模型參數數值作為機器常數保存于上位機，供對準模型在求解對準參數時調用。

3 性能測試結果

3.1 重復測量精度

重復測量精度是指機器視覺對準測量系統對同一個標記位置在不同時刻位置測量數值的離散性，它反映了機器視覺對準測量系統測量結果的精密度(precision)。該性能指標的測試環境溫度控制在22℃±0.1℃；測試方法是對1 mm×1 mm視場內均勻分布的3×3點陣共9個位置的圖像先后進行采集，對于每個測量點，數據采集的間隔時間為2 s，采集的數據個數為50組，然后對該點所測50組物理位置按公式(2)取3倍標準偏差即可得到機器視覺對準測量系統在該點的重復測量精度。圖5給出了左右2套機器視覺對準測量系統在上述9個位置重復測量精度的測試結果，從圖中可以看出左右2套機器視覺對準測量系統在全視場內的重復測量精度均滿足X，Y方向小于50 nm的設計指標需求。

圖5 左右2套機器視覺對準測量系統重復測量精度測試結果

3.2 測量精度

測量精度是指機器視覺對準測量系統對其視場內任意兩點位置的測量值與其名義值之差，它反映了機器視覺對準測量系統的測量準確度(trueness)。該性能指標的測試環境同上，測試方法是利用基準版上已知位置間距的2個對準標記(該標記位置制作誤差±30 nm以內)對MVS的測量精度進行檢測，從而獲取實際測量值和理論值之間的差值；測試過程中機器視覺對準測量系統將對上述已知位置間距的2個對準標記在視場內66個不同位置進行測量。圖6給出了左右2套機器視覺對準測量系統測量精度的測試結果，從圖中可以看出所設計的機器視覺對準測量系統在其成像視場范圍內測量精度都能控制在150 nm以內，完全滿足測量精度小于150 nm的設計指標需求。

圖6 左右2套機器視覺對準測量系統測量精度測試結果

4 結束語

本文主要研究了高精度機器視覺對準測量系統的工作原理及其關鍵零部件的設計，同時也給出了高精度機器視覺對準測量系統重復測量精度及測量精度的測試方法及測試結果，結果表明該高精度機器視覺對準測量系統完全可以滿足集成電路先進封裝工藝需求。按照本文給出的設計原理及設計方法所設計的高精度機器視覺測量系統也可應用到LED光刻機、平板顯示光刻機、半導體貼片機、鍵合機及切片機等工藝設備中，通過改變及優化機器視覺對準測量系統各組成部分，可以達到100 nm甚至是更高的對準測量精度。

[1]周暢，賀榮明.投影光刻機在先進封裝中的應用[J].電子工業專用設備，2010(3)：47-50

[2]周暢，賀榮明.一種高產率的先進封裝投影光刻機[J].電子工業專用設備，2010(10)：1-5.

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