[发明专利]一种用于晶圆聚焦的图像质量反馈系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像处理和半导体设备，尤其涉及半导体设备上对晶圆聚焦所用图像质量的评价和实时反馈。

背景技术

半导体大规模集成电路制造或工艺检测诸多设备，系统多是光学系统包括可见光，红外光，紫外光，X射线，甚至电子光学系统如扫描电镜系统，需要保证系统工作时对晶圆工作区域的聚焦。这些复杂系统的焦深往往有限，当同类但是不同的晶圆放到机械运动平台之上，由于晶圆本身厚度变化、弯曲、和机械运动造成的误差，都必须需重新要进行自聚焦才能对它进行其他工作例如对准和缺陷检测。当用于聚焦的晶圆表面位置(也就是获取图像的目标)确定后，整个聚焦过程中是设备自动完成的，因此称为自聚焦。一个典型自聚焦过程包括如下步骤：

设备在既定晶圆平面位置上，即晶圆所在机械运动平台的X，Y坐标不变(即没有水平面上的位移)，而在一定范围内改变聚焦变量如机械运动平台的Z轴(如果不是工业相机而是其他测量系统，则另有其他可以改变系统聚焦的变量)，也就是改变晶圆对于测量系统间的相对距离，采集聚焦变量在一定范围之内的一系列变化之下的图像，根据既定算法计算求这些不同情况下获得的图像的聚焦度，然后从中找出(常常用到曲线拟合)最佳聚焦度所对应的聚焦变量，以此为系统最佳聚集变量值并用它来设置系统。

一旦工作流程(recipe)建立并通过检验后，就可将其保存在主计算机中。而以后设备可以对大量同类晶圆自动执行该流程。自聚焦所用晶圆位置和最佳聚焦变量都会保留在工作流程(recipe)中(通常作为文件保留在计算机硬盘中)，将来设备执行工作流程时要做自聚焦时，系统就移动到该晶圆表面位置，并以保存的最佳聚焦变量值为起点，在其周围一个区间里来做系统对该晶圆的自聚焦。

当前实用中面临的问题是，绝大多数使用者在创建设备工作流程中都不能很好地选择自聚焦图像。通常是因为使用者普遍不具备较深的图像处理知识，更不能仅凭肉眼选择自聚焦所需的最佳图像。这样往往就有如下不良状况：

图像中所包含整体特征不足，特别是当成像系统分辨率较高或视场较小时；

图像在某一方向上例如水平或垂直方向上特征不足(系统如扫描电镜的聚焦度不是各向同性的，即可能会有散光效应，以致影响在该方向上的聚焦；

图像对比度不足，以致影响图像聚焦度的精确计算；

图像亮度不当，太弱或太强(饱和)以致影响图像聚焦度的精确计算；

图像噪声较强，也会影响图像聚焦度的精确计算；

这些因素独自或加在一起，都容易导致设备自聚焦工程失败或结果不准，影响半导体设的备正常工作，造成损失。使用者创建工作流程(recipe creation)时在某单一片晶圆上，可能无预见将来的问题，而到后来设备在自动执行工作流程(recipe execution)时才出现，导致系统聚焦失败，系统停止正常工作，造成损失。

因此有必要早在使用者创建工作流程(recipe creation)中选择图像时，系统就能实时、定量地反馈和自聚焦相关的图像质量信息给使用者，以确保将来在执行流程(recipe execution)时晶圆自聚焦的成功。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于晶圆聚焦的图像质量反馈系统和方法，以帮助使用者最佳地选择用于自聚焦的晶圆表面位置(也就是图像摄取位置)，保障相关半导体设备在执行工作任务时作自聚焦的可靠性，减少失败，同时也提高设备易用性。

本发明一方面提出一种用于晶圆聚焦的图像质量反馈系统，该系统包括有：

能沿X、Y、Z三轴方向平动和绕Z轴转动的机械运动平台，以及连接在机械运动平台上的晶圆托盘；

用于实时采集目标图像的工业相机，该工业相机设置有一个或若干个光学镜头，所述光学镜头能设置不同的孔径和视场，光学镜头指向所述晶圆托盘；

照明装置，为晶圆托盘提供照明；

测量装置，以及用于控制机械运动平台、工业相机、照明装置和测量装置的主计算机；

另外，所述主计算机包括其输入装置和输出装置，其软件模块包括用户界面模块、图像采集模块、图像处理模块和设备控制模块为其所支配的设备控制固件。

本发明的另一方面是提出采用上述系统进行晶圆聚焦的图像质量反馈的方法，包括以下步骤：

1)工业相机采集目标晶圆的实时图像，然后通过主计算机中的软件和既定算法，从图像中提取出晶圆自聚焦相关的诸归一化特征；

2)将这些特征的部分或全部，按照既定的权重计算，得出综合图像质量评价；