CN118471878A - 一种晶圆实时对准装置及对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶圆实时对准装置及对准方法，涉及半导体制造技术领域，装置包括上晶圆和下晶圆，所述上晶圆的下表面设置上晶圆对准标记，所述下晶圆的上表面设置下晶圆对准标记；红外视觉系统，包括物镜、红外光源、第一BS分光镜、第二BS分光镜、显微镜管镜、90°反射镜、第一红外相机和第二红外相机；所述物镜设置在上晶圆上方，所述物镜的焦面与上晶圆对准标记齐平，所述第一BS分光镜设置在物镜上方，所述显微镜管镜设置在第一BS分光镜的上方，所述第二BS分光镜设置在显微镜管镜的上方，所述第一红外相机设置在第二BS分光镜的上方。本发明可消除由红外相机移动引入的误差，减小机构漂移造成的偏差，进而提高晶圆对准精度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种晶圆实时对准装置及对准方法。
背景技术
在晶圆键合工艺中，最重要也是最难的部分是实现上下两片晶圆间的高精度对准；现行的键合对准工艺主要采用的是晶圆的面对面对准，上晶圆的下表面有一组对准标记，下晶圆的上表面有一组相对应嵌套的对准标记；对于面对面对准，现有的技术方案是通过可见光成像，依次读取下晶圆上的对准标记位置和上晶圆上的对准标记位置，计算出对准补偿量并补正；该方法存在的问题是，读取上下晶圆对准标记位置的过程中上下载台需要多次移动，导致引入偏差，且补正后上下晶圆重叠，可见光视觉系统无法再次读取对准标记位置，无法确认补正是否到位，存在一定误差。
针对上述方法存在的问题，目前常用的一些解决方案主要是：1、将上下晶圆都移到各自对应的对准位置；2、移动红外相机Z轴，红外相机透过上晶圆聚焦并读取下晶圆上表面上的对准标记位置；3、移动红外相机Z轴，红外相机聚焦并读取上晶圆下表面上的对准标记位置；4、补正，补正后再次分别读取上晶圆下表面和下晶圆上表面上的对准标记位置，直到确认补正到要求的公差范围内。
但是在此方法中，也存在一些问题：1、由于焦距不同，红外相机聚焦读取上下晶圆对准标记位置时，Z轴需要上下移动，会由于移动过程中相机的xy向偏移而引入对准误差；2、红外相机读取上下晶圆对准标记位置为分步依次读取，间隔时间内机构可能会有一定漂移，从而引入误差。因此，目前的解决方案依然存在对准精度的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种晶圆实时对准装置及对准方法，以达到消除由于红外相机移动引入的误差，减小机构漂移造成的偏差，进而提高晶圆对准精度的目的。
本申请实施例提供以下技术方案：一种晶圆实时对准装置，包括：
上晶圆和下晶圆，所述上晶圆和所述下晶圆上下面对面放置，所述上晶圆的下表面设置上晶圆对准标记，所述下晶圆的上表面设置下晶圆对准标记；
红外视觉系统，所述红外视觉系统包括物镜、红外光源、第一BS分光镜、第二BS分光镜、显微镜管镜、90°反射镜、第一红外相机和第二红外相机；所述物镜设置在所述上晶圆的上方，且所述物镜的焦面与所述上晶圆对准标记齐平，所述第一BS分光镜设置在所述物镜的上方，所述显微镜管镜设置在所述第一BS分光镜的上方，所述第二BS分光镜设置在所述显微镜管镜的上方，所述第一红外相机设置在所述第二BS分光镜的上方；
所述红外光源用于向所述第一BS分光镜发射红外光线，通过所述第一BS分光镜的反射，使所述红外光线在所述上晶圆对准标记上聚焦，并通过所述物镜、所述第一BS分光镜、所述显微镜管镜、所述第二BS分光镜后，在所述第一红外相机的视野内清晰成像；
所述红外光源还用于向所述第一BS分光镜发射红外光线，通过所述第一BS分光镜的反射，使所述红外光线在所述下晶圆对准标记上聚焦；通过调整所述第二红外相机的Z向位置，使所述红外光线通过所述物镜、所述第一BS分光镜、所述显微镜管镜后，再通过所述第二BS分光镜将所述红外光线反射至所述90°反射镜上，经过所述90°反射镜的反射后，在所述第二红外相机的视野内清晰成像；
通过读取所述上晶圆对准标记在所述第一红外相机中的位置坐标，以及所述下晶圆对准标记在所述第二红外相机中的位置坐标，计算上下晶圆补偿值，根据所述上下晶圆补偿值调整所述上晶圆的位置，实现所述上晶圆和所述下晶圆的对准。
根据本申请一种实施例，所述上晶圆和所述下晶圆之间的间隙值x在30～100um之间。
根据本申请一种实施例，所述物镜为具有放大倍数y的显微物镜，所述放大倍数y在10～50倍之间。
根据本申请一种实施例，所述第一红外相机与所述第二红外相机之间的Z向位置差Δz＝x*y2；其中，x为所述上晶圆和所述下晶圆之间的间隙值，y为所述物镜的放大倍数。
根据本申请一种实施例，所述红外光源设置在所述第一BS分光镜的水平方向一侧。
根据本申请一种实施例，所述90°反射镜设置在所述第二BS分光镜的水平方向一侧，所述第二红外相机设置在所述90°反射镜的上方。
根据本申请一种实施例，所述第二红外相机上设置Z向调节装置，用于调节所述第二红外相机的Z向位置。
本申请还提供一种如上述的晶圆实时对准装置的对准方法，包括：
S1.设定上晶圆和下晶圆之间的间隙值，根据所述间隙值和物镜的放大倍数调节所述第二红外相机的Z向位置，并锁定所述第二红外相机的位置；
S2.分别将所述上晶圆和所述下晶圆移动到各自对应的对准位置，并抬升所述下晶圆，使所述上晶圆和所述下晶圆之间的间距为设定的所述间隙值；
S3.开启红外光源，使所述上晶圆对准标记在所述第一红外相机的视野内清晰成像，使所述下晶圆对准标记在所述第二红外相机的视野内清晰成像，并分别读取所述上晶圆对准标记和所述下晶圆对准标记在红外相机中的位置坐标；
S4.根据所述位置坐标，计算上下晶圆补偿值，根据所述上下晶圆补偿值调整所述上晶圆的位置，将所述上晶圆和所述下晶圆进行对准补正。
根据本申请一种实施例，还包括：对准补正后再次读取所述上晶圆对准标记和所述下晶圆对准标记在红外相机中的位置坐标，直至确认补正到要求的公差范围内。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例通过上述红外视觉系统，在对准和补正过程中，将两个红外相机位置锁定，消除了由于红外相机移动引入的误差；另一方面，通过上述红外视觉系统，将上下晶圆的对准标记能在同一时间被聚焦并读取坐标位置，减小了由于机构漂移造成的偏差，进而提高了晶圆的对准精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的晶圆实时对准装置结构示意图；
图2是本发明实施例的晶圆实时对准装置中红外视觉系统结构示意图；
其中，1-上晶圆，101-上晶圆对准标记，2-下晶圆，201-下晶圆对准标记，3-上载台，4-下载台，5-红外视觉系统，501-物镜，502-第一BS分光镜，503-显微镜管镜，504-第二BS分光镜，505-红外光源，506-90°反射镜，507-第一红外相机，508-第二红外相机。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种晶圆实时对准装置，包括：
上晶圆1和下晶圆2，所述上晶圆1和所述下晶圆2上下面对面放置，所述上晶圆1的下表面设置上晶圆对准标记101，所述下晶圆2的上表面设置下晶圆对准标记201；
红外视觉系统5，所述红外视觉系统5包括物镜501、红外光源505、第一BS分光镜502、第二BS分光镜504、显微镜管镜503、90°反射镜506、第一红外相机507和第二红外相机508；所述物镜501设置在所述上晶圆1的上方，且所述物镜501的焦面与所述上晶圆对准标记101齐平，所述第一BS分光镜502设置在所述物镜501的上方，所述显微镜管镜503设置在所述第一BS分光镜502的上方，所述第二BS分光镜504设置在所述显微镜管镜503的上方，所述第一红外相机507设置在所述第二BS分光镜504的上方；
所述红外光源505用于向所述第一BS分光镜502发射红外光线，通过所述第一BS分光镜502的反射，使所述红外光线在所述上晶圆对准标记101上聚焦，并通过所述物镜501、所述第一BS分光镜502、所述显微镜管镜503、所述第二BS分光镜504后，在所述第一红外相机507的视野内清晰成像；
所述红外光源505还用于向所述第一BS分光镜502发射红外光线，通过所述第一BS分光镜502的反射，使所述红外光线在所述下晶圆对准标记201上聚焦；通过调整所述第二红外相机508的Z向位置，使所述红外光线通过所述物镜501、所述第一BS分光镜502、所述显微镜管镜503后，再通过所述第二BS分光镜504将所述红外光线反射至所述90°反射镜506，经过所述90°反射镜506的反射后，在所述第二红外相机508的视野内清晰成像；
通过读取所述上晶圆对准标记101在所述第一红外相机507中的位置坐标，以及所述下晶圆对准标记201在所述第二红外相机508中的位置坐标，计算上下晶圆补偿值，根据所述上下晶圆补偿值调整所述上晶圆1的位置，实现所述上晶圆1和所述下晶圆2的对准。
本实施例在具体实施时，所述上晶圆1设置在上载台3，所述下晶圆2设置在下载台4，具体地，上下晶圆分别通过真空吸附的方式吸附在载台上；红外视觉系统5由物镜501，红外光源505、第一BS分光镜502、显微镜管镜503、第二BS分光镜504、90°反射镜506、第一红外相机507和第二红外相机8组成。其中，所述第一红外相机507位置固定，所述第二红外相机508上设置Z向调节装置，用于调节所述第二红外相机508的Z向位置。所述红外光源505设置在所述第一BS分光镜502的水平方向一侧。所述90°反射镜506设置在所述第二BS分光镜504的水平方向一侧，所述第二红外相机508设置在所述90°反射镜506的上方。
具体实施时，上下晶圆位于各自对应的对准位置，将物镜501的焦面与上晶圆下表面上的对准标记齐平，使得上晶圆下表面上的对准标记在第一红外相机507的视野内清晰成像；下晶圆2上表面上的对准标记与上晶圆1下表面上的对准标记之间存在一定间距，即下晶圆2上表面上的对准标记与物镜501焦面存在一定离焦量，通过调节第二红外相机508的Z向位置，使得下晶圆2上表面上的对准标记经第二BS分光镜504后在第二红外相机508的视野内清晰成像。
具体实施时，所述上晶圆1与下晶圆2之间的间隙值为x，通常x在30～100um之间；为了提升图像精度，本实施例中的物镜501选择有一定放大倍数y的显微物镜，通常y在10～50倍之间；第二红外相机508与第一红外相机507之间的Z向位置差Δz＝x*y^2；其中，x为所述上晶圆1和所述下晶圆2之间的间隙值，y为所述物镜501的放大倍数。
本申请还提供一种如上述的晶圆实时对准装置的对准方法，包括：
S1.设定上晶圆和下晶圆之间的间隙值，根据所述间隙值和物镜的放大倍数调节所述第二红外相机的Z向位置，并锁定所述第二红外相机的位置；
S2.分别将所述上晶圆和所述下晶圆移动到各自对应的对准位置，并抬升所述下晶圆，使所述上晶圆和所述下晶圆之间的间距为设定的所述间隙值；
S3.开启红外光源，使所述上晶圆对准标记在所述第一红外相机的视野内清晰成像，使所述下晶圆对准标记在所述第二红外相机的视野内清晰成像，并分别读取所述上晶圆对准标记和所述下晶圆对准标记在红外相机中的位置坐标；
S4.根据所述位置坐标，计算上下晶圆补偿值，根据所述上下晶圆补偿值调整所述上晶圆的位置，将所述上晶圆和所述下晶圆进行对准补正。
在进一步的实施例中，还包括：对准补正后再次读取所述上晶圆对准标记和所述下晶圆对准标记在红外相机中的位置坐标，直至确认补正到要求的公差范围内。
在一种实施例中，具体包括以下步骤：
(1)设定上晶圆和下晶圆之间的间隙值x为30um，物镜的放大倍数y为10倍，根据该间隙值x和放大倍数y，计算第二红外相机与第一红外相机之间的Z向位置差Δz为3mm，Δz＝x*y2；由于第一红外相机的位置固定，根据位置差Δz，确定并调节所述第二红外相机的Z向位置，并锁定；
(2)分别将所述上晶圆和所述下晶圆移动到各自对应的对准位置，并抬升所述下晶圆，使所述上晶圆和所述下晶圆之间的间距为所述间隙值x；
其中，在上晶圆和下晶圆的左右两侧分别设置对准标记，且在上晶圆的左右两侧分别设置红外视觉系统，即采用两组所述红外视觉系统完成对准；
(3)分别开启两组所述红外视觉系统的红外光源，使所述上晶圆对准标记在所述第一红外相机的视野内清晰成像，使所述下晶圆对准标记在所述第二红外相机的视野内清晰成像，分别读取所述上晶圆对准标记在左右两侧的所述第一红外相机中的位置坐标，以及所述下晶圆对准标记在左右两侧的所述第二红外相机中的位置坐标；
具体地：上晶圆左侧对准标记在左侧的第一红外相机中的坐标为(Xc1l,Yc1l)；通过这个坐标可以转换出(该转换关系需要提前进行标定)上晶圆左侧对准标记在世界坐标系里的坐标为(Xw1l，Yw1l)；同理，上晶圆右侧对准标记的世界坐标系坐标为(Xw1r，Yw1r)；下晶圆左侧对准标记和下晶圆右侧对准标记分别为(Xw2l，Yw2l)和(Xw2r，Yw2r)；
(4)根据上述获得的位置坐标，计算上下晶圆补偿值，根据所述上下晶圆补偿值调整所述上晶圆的位置，将所述上晶圆和所述下晶圆进行对准补正。
具体地：基于上述的4个坐标，计算得到上下晶圆之间角度偏差Δtheta＝arctan((Yw1r-Yw1l)/(Xw1r-Xw1l)-arctan((Yw2r-Yw2l)/(Xw2r-Xw2l)；
上下晶圆之间的平移偏差Δx＝((Xw1l-Xw2l)+(Xw1r-Xw2r))/2；Δy＝((Yw1l-Yw2l)+(Yw1r-Yw2r))/2；所述平移偏差Δx、Δy，以及角度偏差Δtheta即为所述上下晶圆补偿值。
(5)对准补正后再次读取所述上晶圆对准标记和所述下晶圆对准标记在红外相机中的位置坐标，直至确认补正到要求的公差范围内。
其中，上述要求的公差范围为：一般要求平移偏差补正到+/-10nm以内；角度偏差补正到+/-50nrad以内。
本发明实施例通过上述红外视觉系统，在晶圆的对准和补正过程中，将两个红外相机位置锁定，消除了由于红外相机移动引入的误差；通过上述红外视觉系统，上下晶圆对准标记能在同一时间被聚焦并读取对准标记的坐标位置，减小机构漂移造成的偏差，提高了晶圆的对准精度。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种晶圆实时对准装置，其特征在于，包括：
上晶圆和下晶圆，所述上晶圆和所述下晶圆上下面对面放置，所述上晶圆的下表面设置上晶圆对准标记，所述下晶圆的上表面设置下晶圆对准标记；
红外视觉系统，所述红外视觉系统包括物镜、红外光源、第一BS分光镜、第二BS分光镜、显微镜管镜、90°反射镜、第一红外相机和第二红外相机；所述物镜设置在所述上晶圆的上方，且所述物镜的焦面与所述上晶圆对准标记齐平，所述第一BS分光镜设置在所述物镜的上方，所述显微镜管镜设置在所述第一BS分光镜的上方，所述第二BS分光镜设置在所述显微镜管镜的上方，所述第一红外相机设置在所述第二BS分光镜的上方；
所述红外光源用于向所述第一BS分光镜发射红外光线，通过所述第一BS分光镜的反射，使所述红外光线在所述上晶圆对准标记上聚焦，并通过所述物镜、所述第一BS分光镜、所述显微镜管镜、所述第二BS分光镜后，在所述第一红外相机的视野内清晰成像；
所述红外光源还用于向所述第一BS分光镜发射红外光线，通过所述第一BS分光镜的反射，使所述红外光线在所述下晶圆对准标记上聚焦；通过调整所述第二红外相机的Z向位置，使所述红外光线通过所述物镜、所述第一BS分光镜、所述显微镜管镜后，再通过所述第二BS分光镜将所述红外光线反射至所述90°反射镜上，经过所述90°反射镜的反射后，在所述第二红外相机的视野内清晰成像；
通过读取所述上晶圆对准标记在所述第一红外相机中的位置坐标，以及所述下晶圆对准标记在所述第二红外相机中的位置坐标，计算上下晶圆补偿值，根据所述上下晶圆补偿值调整所述上晶圆的位置，实现所述上晶圆和所述下晶圆的对准。
2.根据权利要求1所述的晶圆实时对准装置，其特征在于，所述上晶圆和所述下晶圆之间的间隙值x在30～100um之间。
3.根据权利要求1所述的晶圆实时对准装置，其特征在于，所述物镜为具有放大倍数y的显微物镜，所述放大倍数y在10～50倍之间。
4.根据权利要求1所述的晶圆实时对准装置，其特征在于，所述第一红外相机与所述第二红外相机之间的Z向位置差Δz＝x*y2；其中，x为所述上晶圆和所述下晶圆之间的间隙值，y为所述物镜的放大倍数。
5.根据权利要求1所述的晶圆实时对准装置，其特征在于，所述红外光源设置在所述第一BS分光镜的水平方向一侧。
6.根据权利要求1所述的晶圆实时对准装置，其特征在于，所述90°反射镜设置在所述第二BS分光镜的水平方向一侧，所述第二红外相机设置在所述90°反射镜的上方。
7.根据权利要求1所述的晶圆实时对准装置，其特征在于，所述第二红外相机上设置Z向调节装置，用于调节所述第二红外相机的Z向位置。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的晶圆实时对准装置的对准方法，其特征在于，包括：
S1.设定上晶圆和下晶圆之间的间隙值，根据所述间隙值和物镜的放大倍数调节所述第二红外相机的Z向位置，并锁定所述第二红外相机的位置；
S2.分别将所述上晶圆和所述下晶圆移动到各自对应的对准位置，并抬升所述下晶圆，使所述上晶圆和所述下晶圆之间的间距为设定的所述间隙值；
S3.开启红外光源，使所述上晶圆对准标记在所述第一红外相机的视野内清晰成像，使所述下晶圆对准标记在所述第二红外相机的视野内清晰成像，并分别读取所述上晶圆对准标记和所述下晶圆对准标记在红外相机中的位置坐标；
S4.根据所述位置坐标，计算上下晶圆补偿值，根据所述上下晶圆补偿值调整所述上晶圆的位置，将所述上晶圆和所述下晶圆进行对准补正。
9.根据权利要求8所述的晶圆实时对准装置的对准方法，其特征在于，还包括：对准补正后再次读取所述上晶圆对准标记和所述下晶圆对准标记在红外相机中的位置坐标，直至确认补正到要求的公差范围内。
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