TWI405948B - 非接觸式３ｄ全平面位置對準法 - Google Patents

Description

非接觸式3D全平面位置對準法

本發明係涉及量測二物件之疊對誤差的方法及裝置，更詳而言之，是一種利用非接觸式的量測手段，監測二物件疊對時的XY軸誤差，以及監測二物件疊對時的垂直相對距離(Z軸)及平行度。

在微影製程中，將光罩圖案一的轉移到一電路基板，以及將該光罩上已定義好的圖案轉移到晶圓表面的製程中，涉及了物件疊對誤差之量測及校正技術，以確保圖案能精準的轉移。因此疊對二物件的XY軸定位、垂直相對距離之Z軸定位、以及平行定位在微影製程中非常重要。除了微影製程之外，安裝超導量子干涉儀(SQUID Microscope)的感測頭時，感測頭與樣品的相對距離和平行度，對干涉儀的敏感度有直接的影響。

茲以微影製程為例，說明傳統技術如何解決疊對物件之XYZ三軸定位的問題。

已知，利用一設定於Z軸的影像擷取裝置可監看該疊對物件XY軸標記點的疊對情形。而Z軸監測方法之一，係採用移動鏡頭以監看疊對物件焦平面影像來達成，在移動監看的過程中，若發生焦平面產生對焦變化時，表示二疊對物件之間有一傾斜角度。但是此一方法於影像解析度不足時將難以判讀，且無法確切得知傾斜角度。

Z軸監測方法之二，係利用至少兩個影像擷取裝置從不同角度拍攝，比對不同角度的影像，以求得Z軸方向的距離，但需經過複雜的演算，且對位操作非常困難，亦無法精確量出疊對物件之間的傾斜角度。

本案之目的係在提供一種以非接觸式的手段監測二疊對物件垂直相對距離以及平行度的方法，配合X-Y軸平面監測，達到3D全平面位置對準的目的。

本案上述之非接觸式手段主要以斜向入射的條紋光投影於疊對物件，利用條紋光入射角度和入射角正切三角函數計算出二疊對物件的垂直相對距離。從該二疊對物件X-Y軸平面觀察投影的條紋光是否彼此平行來判斷兩者的平行度。當該二疊對物件之間出現一傾斜夾角時，相鄰二條紋光之間會產生一夾角，利用該夾角和三角函數關係式計算出二疊對物件之間的傾斜角度。一已知的調整手段可利用上述的量測結果調整其中一疊對物件，以達到疊對物件X-Y-Z三軸定位並確定疊對物件保持平行的目的。

實現上述非接觸式手段的裝置包括一影像擷取裝置、一條紋光產生裝置和一計算裝置。該影像擷取裝置被設定在一疊對的第一物件和第二物件的Z軸，該條紋光產生裝置產生一條紋光，該條紋光以預定角度投影在第一物件和第二物件，第二物件所反射的條紋光投影在該第一物件，投影於該第一物件和第二物件上的條紋光影像被該影像擷取裝置所擷取，該計算裝置量測呈現於該第一物件上的二條紋光的距離並利用已知的條紋光入射角度，以入射角正切三角函數計算出第一物件和第二物件的相對垂直距離。此外，可藉由第二物件上的條紋光與第一物件上的條紋光平行度來判斷第一和第二物件是否平行。亦可藉由該第一物件和第二物件上的條紋光夾角以及三角函數關係式計算出第一物件相對於第二物件的傾斜角度。以便於一已知的調整手段利用上述的量測結果調整該第一物件使與第二物件平行。本案上述影像擷取裝置可擷取第一和第二物件的X-Y軸平面影像，判斷兩者之疊對標記點是否對準。據此本案非接觸式手段可達到3D全平面位置對準之目的。

如第一圖，描述計算平行疊對的一第一物件10和一第二物件20之垂直相對距離Z的方法。斜向入射的條紋光30以預定角度(θ)投影在可透光的第一物件10和可反射光線的第二物件20，第二物件20所反射的條紋光投影在該第一物件10。因此，該第一物件10具有一入射條紋光31和一反射條紋光32，該第二物件20則具有一道入射條紋光33。假設該第一物件10的入射條紋光31和反射條紋光32兩道條紋光31,32的距離為2X，利用公式1可計算出第一物件10和第二物件20的垂直相對距離Z。

如第二圖和第三圖，係以一正前方的俯視圖描述上述三道條紋光31,32,33呈現於第一物件10和第二物件20，以及第一物件10和該第二物件20的垂直相對距離Z改變時，呈現於該第一物件10的入射條紋光31和反射條紋光32的相對距離亦會有所改變。垂直相對距離Z較大時，入射條紋光31和反射條紋光32的相對距離差較大，反之，則較小。

如第四圖和第五圖，係以一正前方的俯視圖描述若第一物件10相對於該第二物件20發生傾斜，上述三道條紋光31,32,33的變化。當該第一物件10與第二物件20之間有一傾斜角度φ時，呈現於該第一物件10的入射條紋光31和反射條紋光32會與呈現於該第二物件20的入射條紋光33有一夾角ψ，以公式2可計算出該傾斜角度φ。

一已知的調整手段可利用上述的垂直相對距離Z調整該第一物件10相對於該第二物件20的垂直距離而達一目標值。亦可利用所計算出的傾斜角度φ調整該第一物件10，使其與第二物件20保持平行。

如第六圖和第七圖，描述實現上述方法的裝置，包括一影像擷取裝置40、一條紋光產生裝置50和與該影像擷取裝置40耦合的計算裝置60。該影像擷取裝置40被設定在該第一物件10和第二物件20的Z軸，該條紋光產生裝置50可產生上述的條紋光30，投影於該第一物件10的入射條紋光31和反射條紋光32以及第二物件20的入射條紋光33的影像被該影像擷取裝置40所擷取，該計算裝置60可藉由所擷取的影像量測該第一物件10之入射條紋光31和反射條紋光32的相對距離，並利用已知的條紋光入射角度θ，以公式一計算出第一物件10和第二物件20的相對垂直距離Z。藉由第二物件20上的條紋光與第一物件10上的各條紋光平行度來判斷第一和第二物件是否平行。當第一和第二物件之間具有一傾斜角度時，該計算裝置60以公式二計算出該第一物件10的傾斜角度φ。

上述的條紋光產生裝置50主要包括：一光源51，一供該光源51安裝並可調整該光源入射角的角度調整器52，一使該光源51呈預定寬度(約500μm)條紋狀的輔助器53。所述的光源51可為LED，該輔助器53為一具有狹縫54的構造，LED光源透過該狹縫54再經由一凸透鏡55聚焦而以條紋光呈現於該第一物件10和該第二物件20。條紋光的寬度約500μm。所述的光源51亦可為雷射光，該輔助器53則為一柱狀透鏡，可產生寬度約60μm的條紋光呈現於該第一物件10和該第二物件20。

在本案實施例中，由於可透光的第一物件10大多係為高透光率之玻璃所構成，為使條紋光得以清晰的呈現在可透光的第一物件10(玻璃)上，可使用三氧化二鋁粉末將第一物件10的表面進行研磨以產生一顯影面，該顯影面經表面處理後其透光率降低，且具有部份反光效果，則使入射條紋光31與反射條紋光32可清楚地呈現於該顯影面上。

在本案之另一實施例中，可於第一物件10之表面以鍍膜方式產生一具部份反光效果之顯影面，使入射條紋光31與反射條紋光32可清楚地呈現於該顯影面上。

如第八圖，上述影像擷取裝置40亦可擷取第一物件10和第二物件20的X-Y軸平面影像，判斷兩者之標記點15是否對準。據此本案上述裝置可監測X-Y-Z三軸全平面位置。

雖然本案是以一個最佳實施例做說明，但精於此技藝者能在不脫離本案精神與範疇下做各種不同形式的改變。以上所舉實施例僅用以說明本案而已，非用以限制本案之範圍。舉凡不違本案精神所從事的種種修改或變化，俱屬本案申請專利範圍。

10‧‧‧第一物件

15‧‧‧標記點

20‧‧‧第二物件

30‧‧‧條紋光

31‧‧‧入射條紋光

32‧‧‧反射條紋光

33‧‧‧入射條紋光

40‧‧‧影像擷取裝置

50‧‧‧條紋光產生裝置

51‧‧‧光源

52‧‧‧角度調整器

53‧‧‧輔助器

54‧‧‧狹縫

55‧‧‧凸透鏡

60‧‧‧計算裝置

第一圖係以側視圖描述平行疊對物件之垂直相對距離的計算方法。

第二圖係以一正前方的俯視圖描述條紋光呈現於疊對物件的情形。

第三圖係以一正前方的俯視圖描述疊對物件之相對距離變化時條紋光變化的情形。

第四圖係以一側視圖描述疊對物件之間具有一傾斜角度。

第五圖係以一正前方的俯視圖描述疊對物件之間有一傾斜角度時條紋光變化的情形。

第六圖係本案裝置之示意圖之一。

第七圖係本案裝置之示意圖之二。

第八圖係以俯視圖描述疊對物件X-Y軸平面具有疊對標記物。

10‧‧‧第一物件

20‧‧‧第二物件

30‧‧‧條紋光

40‧‧‧影像擷取裝置

50‧‧‧條紋光產生裝置

51‧‧‧光源

52‧‧‧角度調整器

53‧‧‧輔助器

54‧‧‧狹縫

55‧‧‧凸透鏡

60‧‧‧計算裝置

Claims (6)

1. 一種非接觸式3D全平面位置對準法，包括：將一條紋光以預定入射角投影於疊對的一可透光的第一物件和一不透光的第二物件；以及以該條紋光之入射角的正切三角函數計算出該第一物件和該第二物件的垂直相對距離，並以該第一物件之條紋光與該第二物件之條紋光在一平面上所呈現的一夾角計算該第一物件和該第二物件之間的傾斜角度。
2. 如申請專利範圍第1項所述非接觸式3D全平面位置對準法，其係以下列關係式計算該傾斜角度之近似值，其中傾斜角度為該第一物件和該第二物件之間的傾斜角度，夾角為該第一物件之條紋光與該第二物件之條紋光在一平面上所呈現的夾角角度：
3. 如申請專利範圍第1項所述非接觸式3D全平面位置對準法，其係以下列關係式計算該傾斜角度的真值，其中傾斜角度為該第一物件和該第二物件之間的傾斜角度，夾角為該第一物件之條紋光與該第二物件之條紋光在一平面上所呈現的夾角角度：
4. 如申請專利範圍第1項所述非接觸式3D全平面位置對準法，其中該可透光的第一物件表面係設有一具部份反光率之顯影面。
5. 如申請專利範圍第4項所述非接觸式3D全平面位置對準法，其中該第一物件表面係以三氧化二鋁粉末進行研磨以形成該顯影面。
6. 如申請專利範圍第4項所述非接觸式3D全平面位置對準法，其中該第一物件表面鍍膜方式產生一具部份反光率之顯影面。