《一種背面對準裝置及方法》是上海微電子裝備有限公司於2010年12月28日申請的專利，該專利的申請號為2010106190552，公布號為CN102540781A，授權公布日為2012年7月4日，發明人是徐兵、陳躍飛、賈翔、楊曉青。
《一種背面對準裝置及方法》公開了一種背面對準裝置，用於確定基底與工件台的相對位置關係，包括：輻射源，用於發出紅外線；工件台裝置，用於支撐基底並移動基底運動；成像裝置，用於探測對準標記並計算對準標記位置；基準版裝置，用於建立成像裝置與工件台裝置的位置坐標關係；該輻射源及該成像系統能實現一套設備對不同對準標記的照明和對準；該對準標記包括基準版標記及背面對準標記。
2016年12月7日，《一種背面對準裝置及方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種背面對準裝置及方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種背面對準裝置及方法
- 公布號：CN102540781A
- 授權日：2012年7月4日
- 申請號：2010106190552
- 申請日：2010年12月28日
- 申請人：上海微電子裝備有限公司
- 地址：上海市浦東區張江高科技園區張東路1525號
- 發明人：徐兵、陳躍飛、賈翔、楊曉青
- Int.Cl.：G03F9/00(2006.01)I、G03F7/20(2006.01)I
- 代理機構：北京連和連智慧財產權代理有限公司
- 代理人：王光輝
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著人們生活水平不斷提高及半導體技術的日益發展，未來半導體市場對半導體封裝器件的智慧型化和小型化的程度要求將不斷提高，如相機、手機、PDA等數碼產品不僅要求體積小便於攜帶，更要求其功能多樣化且性價比低。為了實現封裝器件智慧型化和小型化的發展要求，出現了對多矽片封裝解決方案的需要。多矽片封裝是一種將兩個或更多平面器件堆疊並連線起來的矽片級封裝方法，該封裝方式也稱為三維（3D）封裝。3D封裝實現方式2010年12月前主要有三種：引線鍵合（Wire Bonding）、倒裝晶片鍵合（Flip Chip Bonding）和貫穿矽片通孔（以下簡稱TSV工藝：Through Silicon Via），其中TSV工藝方式相對傳統的引線鍵合工藝方式，具有互聯引線長度短、引線密度高、封裝面積小和封裝成本不會隨著封裝矽片數量增加而大幅度提高等優點，因此TSV封裝工藝方式被認為是未來最有潛力、也是最有前途的3D封裝方式之一。TSV封裝工藝方法是在半導體矽片的正面到背面形成微型通孔，然後以電氣方式將上下矽片連線起來，由於採用3D垂直互聯方式，從而大大縮短了矽片之間的互聯引線長度，從而使封裝器件在體積、性能及信號存取傳輸速度上都有了大幅度提高。
TSV封裝工藝方式要求能在矽片背面進行曝光，因此要求半導體光刻設備具有背面對準裝置以滿足矽片背面曝光的工藝需求.該背面對準裝置以矽片前表面（或稱為矽片正面）已有的圖形為矽片背面（或稱為矽片後面）對準標記，從而確定矽片背面曝光圖形與矽片前表面已有圖形之間的位置誤差。背面對準裝置的測量精度將直接決定了矽片前後表面光刻圖形之間的套刻誤差。
截至2010年12月，實現矽片背面對準的方法主要有兩種：可見光測量法和紅外測量法。可見光測量法主要是在矽片承片台的兩側底部安裝光路轉折及成像系統，利用可見光實現對矽片背面標記的照明和成像。紅外測量法是利用紅外光對矽片的穿透能力來實現對背面標記的照明和成像。上述兩種矽片背面位置對準方法在結構實現上各有優點及不足之處。
美國專利US6525805B、US6768539B中均公開了一種典型的背面對準裝置，該裝置利用可見光測量法通過離軸對準裝置實現矽片背面對準，但是該裝置中背面對準標記照明裝置多，一個背面對準標記對應一套背面對準標記照明裝置，導致背面對準標記照明裝置裝配複雜且成本高；由於背面對準標記照明裝置位於矽片承片台下方，因此矽片承片台結構設計複雜、加工成本高；同時由於該裝置中要求背面對準標記位置必須位於背面對準標記照明裝置的照明視場內，因此導致工藝適應性差。
美國專利US6525805B中還公開了採用紅外測量法的矽片背面位置對準裝置，利用近紅外光測量法在矽片承片台內不同位置處安裝近紅外光源以實現對矽片背面標記的照明，然後通過矽片上方的近紅外成像系統實現對矽片背面標記的成像。該裝置中矽片背面標記照明裝置安裝於矽片承片台內，因此工件台結構設計和裝配比較複雜，且加工成本高，且受到矽片全場對準精度及矽片承片台空間尺寸的制約；需要在矽片背面標記照明裝置指定位置處製作相應的矽片背面對準標記，因此增加了工藝流程及複雜度，導致工藝適應性差。
發明內容
專利目的
《一種背面對準裝置及方法》提供一種用於實現背面對準的裝置及方法，該裝置及方法結構簡潔，並能整體降低積體電路製造裝備的設計難度及加工難度。
技術方案
《一種背面對準裝置及方法》公開了一種背面對準裝置，用於確定基底與工件台的相對位置關係，包括：輻射源，用於發出紅外線；工件台裝置，用於支撐基底並移動基底運動；成像裝置，用於探測對準標記並計算對準標記位置；基準版裝置，用於建立成像裝置與工件台裝置的位置坐標關係；該輻射源及該成像系統能實現一套設備對不同對準標記的照明和對準；該對準標記包括基準版標記及背面對準標記。
更進一步地，所述工件台裝置包括至少三個通光孔，用於通過紅外線。
更進一步地，所述背面對準裝置還包括照明裝置。
更進一步地，所述照明裝置位於所述工件台裝置的通光口的正上方，包括光纖和照明鏡組；或位於所述工件台裝置的通光口的正下方，包括光纖、照明鏡組和照明反射鏡。
更進一步地，所述工件台裝置包括工件台和位於工件台之下的基座，所述工件台至少實現3個自由度的移動。所述工件台裝置還包括矽片吸盤，所述矽片吸盤位於工件台之上，所述矽片吸盤由玻璃或對紅外光具有較高透過率的材料構成。所述三個通光孔中包括一個基座通光孔和兩個工件台通光口。
更進一步地，所述成像裝置位於所述工件台裝置的通光口的正上方，包括成像鏡組、成像探測器和圖像處理系統，或位於所述工件台裝置的通光口的正下方，包括成像鏡組、照明反射鏡、成像探測器和圖像處理系統。成像探測器是CCD探測器、CMOS探測器或InGaAs探測器。
更進一步地，所述基準版裝置包括基準版、基準版對準標記及基準版支架。所述基準版對準標記位於所述基準版的下表面，所述基準版固定於所述基準版支架上，所述基準版對準標記與背面對準標記位於同一水平面上。所述基準版支架由玻璃或對紅外光具有較高透過率的材料構成。所述基準版裝置位於所述工件台或所述矽片吸盤之上。
更進一步地，所述工件台通光孔的位置、數量及大小由對準精度以及單個晶片尺寸大小決定。
《一種背面對準裝置及方法》同時公開一種背面對準方法，用於確定基底與工件台的相對位置關係，包括：
步驟一：移動基準版標記至背面標記成像裝置的成像視場範圍內，建立背面對準標記成像裝置與工件台的位置坐標關係；
步驟二：移動背面對準標記至背面標記成像裝置的成像視場範圍內，建立背面對準標記與背面標記成像裝置的位置坐標關係；
步驟三：根據上述兩個位置坐標關係獲得矽片與工件台之間的位置關係。
其中，步驟一包括：
1.1：移動工件台到期望位置，使基準版標記處於背面標記成像裝置的成像視場範圍內；
1.2：所述背面標記成像裝置包括成像探測器和圖像處理系統，利用圖像處理系統判斷成像探測器件中是否有基準版標記；若基準版標記位於成像探測器件中，則利用圖像處理系統計算基準版標記在成像探測器件靶面上的位置，同時記錄運動台在水平向位置；
1.3：若基準版標記不位於成像探測器件中，則工件台按照設定的位移量步進到下一個搜尋位置，若搜尋超出設定的搜尋範圍，則終止搜尋；若在搜尋範圍內找到基準版標記，則重複步驟1.3。
步驟二包括：
2.1：移動工件台到期望位置，使背面對準標記處於背面標記成像裝置的成像視場範圍內；
2.2：所述背面標記成像裝置包括成像探測器和圖像處理系統，利用圖像處理系統判斷成像探測器件中是否有背面對準標記；若背面對準標記位於成像探測器件中，則利用圖像處理系統計算背面對準標記在紅外探測器件靶面上的位置，同時記錄運動台在水平向位置；
2.3：若背面對準標記不位於成像探測器件中，則工件台按照設定的位移量步進到下一個搜尋位置，若搜尋超出設定的搜尋範圍，則終止搜尋；若在搜尋範圍內找到基準版標記，則重複步驟2.2；
判斷是否完成所有背面對準標記在成像探測器件靶面上的位置探測，若沒有完成所有背面對準標記位置探測，則重複步驟2.1，2.2，2.3。
步驟三包括：
3.1：計算背面對準標記成像裝置與工件台的位置坐標關係；
3.2：計算背面對準標記與背面標記成像裝置的位置坐標關係；
3.3：獲得矽片與工件台之間的位置關係。
有益效果
《一種背面對準裝置及方法》所採用的技術方案與原有技術的不同之處及其有益效果在於：由於背面對準標記照明裝置僅設計為一套，降低背面對準標記照明裝置的設計、裝配複雜度，同時降低開發成本。當該背面對準標記照明裝置安裝於工件台大理石內或大理石平台以下，從而減小背面對準標記照明裝置與矽片承片台機械接口之間的相互耦合，降低工件台結構設計和裝配的複雜度，同時降低矽片承片台的加工成本。同時，當矽片背面對準標記不在背面標記成像裝置的視場範圍內時，可以通過移動工件台在一定範圍內搜尋背面對準標記，因此提高矽片背面對準裝置對矽片背面對準標記的工藝適應性。
附圖說明
圖1是《一種背面對準裝置及方法》所涉及的背面對準裝置的結構示意圖；
圖2是該發明所涉及的背面對準裝置的第一實施例的詳細結構示意圖；
圖3是該發明所涉及的背面對準裝置的照明裝置布局示意圖；
圖4是該發明所涉及的背面對準裝置的第二實施例的詳細結構示意圖；
圖5是該發明所涉及的背面對準裝置的第三實施例的詳細結構示意圖；
圖6是該發明所涉及的背面對準方法的流程圖。
技術領域
《一種背面對準裝置及方法》涉及一種積體電路製造裝備製造領域，尤其涉及一種用於在半導體光刻設備實現背面對準的裝置及方法。
權利要求
1.一種背面對準裝置，用於確定基底與工件台的相對位置關係，包括：輻射源，用於發出紅外線；工件台裝置，用於支撐基底並移動基底運動；成像裝置，用於探測對準標記並計算對準標記位置；基準版裝置，用於建立成像裝置與工件台裝置的位置坐標關係；其特徵在於，所述輻射源及所述成像裝置能實現一套設備對不同對準標記的照明和對準；所述對準標記包括基準版標記及背面對準標記，所述背面對準裝置還包括照明裝置，照明裝置安裝於工件台大理石內或大理石平台以下。
2.如權利要求1所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述工件台裝置包括至少三個通光孔，用於通過紅外線。
3.如權利要求1所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述照明裝置位於所述工件台裝置的通光口的正上方，包括光纖和照明鏡組；或位於所述工件台裝置的通光口的正下方，包括光纖、照明鏡組和照明反射鏡。
4.如權利要求1所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述工件台裝置包括工件台和位於工件台之下的基座，所述工件台至少實現3個自由度的移動。
5.如權利要求4所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述工件台裝置還包括矽片吸盤，所述矽片吸盤位於工件台之上，所述矽片吸盤由玻璃或對紅外光具有較高透過率的材料構成。
6.如權利要求2所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述三個通光孔中包括一個基座通光孔和兩個工件台通光口。
7.如權利要求1所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述成像裝置位於所述工件台裝置的通光口的正上方，包括成像鏡組、成像探測器和圖像處理系統，或位於所述工件台裝置的通光口的正下方，包括成像鏡組、照明反射鏡、成像探測器和圖像處理系統。
8.如權利要求7所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述成像探測器是CCD探測器、CMOS探測器或InGaAs探測器。
9.如權利要求1所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述基準版裝置包括基準版、基準版對準標記及基準版支架。
10.如權利要求9所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述基準版對準標記位於所述基準版的下表面，所述基準版固定於所述基準版支架上，所述基準版對準標記與背面對準標記位於同一水平面上。
11.如權利要求9所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述基準版支架由玻璃或對紅外光具有較高透過率的材料構成。
12.如權利要求5所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述基準版裝置位於所述工件台或所述矽片吸盤之上。
13.如權利要求6所述的背面對準裝置，其特徵在於，所述工件台通光孔的位置、數量及大小由對準精度以及單個晶片尺寸大小決定。
實施方式
《一種背面對準裝置及方法》提供一種適用於積體電路製造裝備中的背面對準裝置及方法。該背面對準裝置的結構示意圖如圖1所示。5是積體電路製造裝備中的投影物鏡，根據需要製造的設備不同，投影物鏡5可以是折射式投影物鏡、反射式投影物鏡、折反射式投影物鏡。1是該發明所述的背面對準系統的照明裝置，該照明裝置1用於提供紅外線照明。6是基底，根據需要製造的設備不同，可以是矽片、玻璃基底或其他材質基底。基底6放置於工件台裝置2，工件台裝置2能夠在至少3個自由度內運動。照明裝置1發出的紅外線經工件台2後透過位於基底6上的背面對準標記20後照射至背面對準標記成像裝置3上。在該發明中，基準版（也作基準板）裝置4用於建立背面對準標記成像裝置3與工件2台坐標系之間的關係。
圖2是《一種背面對準裝置及方法》所涉及的背面對準裝置的第一實施方式。如該圖所示，該背面對準裝置包括照明裝置1、工件台裝置2、背面對準標記成像裝置3及基準版裝置4，用於根據位於基底6上的背面對準標記20，確定基底6與工件台裝置2的位置關係。
如圖2所示，背面對準標記照明裝置1依次由紅外光源10、紅外照明光纖11、照明鏡組13和照明反射鏡14等構成，實現對基準版對準標記41和矽片背面對準標記20的均勻照明；所述背面對準標記照明裝置1結構方式上為柯勒照明系統。柯勒照明系統的設計可以參見2010年前技術。
背面對準工件台裝置2至少包括一個多自由度工件台24和大理石基座26。其中多自由度工件台24可以實現至少3個自由度的運動，優選採用六自由度工件台。該六自由度工件台24主要用於支撐基底6並同時實現基底6在6個自由度方向上的位置調整。該六自由度工件台24位於大理石基座26之上。基底6在本實施例中例示性地選用矽片，其中背面對準標記20位於矽片6上。為了更好地實現矽片6的位置固定，通常矽片6通過一矽片吸盤22放置於六自由度工件台24上。該矽片吸盤22與背面對準標記20位於同一個面，並安裝於六自由度工件台24上表面。該矽片吸盤22由玻璃或對紅外光具有較高透過率的材料構成。
六自由工件台24上包括2個或2個以上工件台通光孔23，其中一個工件台通光孔23位於基準版裝置4的正下方，另一個位於背面對準標記20的正下方，使背面對準標記照明裝置1所發出的紅外光能通過該孔和矽片吸盤22對背面對準標記20及基準版對準標記41實現均勻照明。其中，一個背面對準標記20對應一個通光孔25。該工件台通光孔23的位置、數量及大小主要取決於對準精度以及單個晶片尺寸大小。
同樣的，大理石基座26上有一個大理石通光孔25，用於實現背面對準標記照明裝置1所發出的紅外光能穿過大理石基座26。大理石通光孔25的位置位於背面標記照明裝置1的正上方，同時也位於背面標記成像裝置3的正下方。大理石通光孔25的大小取決於背面標記照明裝置1的照明視場大小以及背面對準標記20的搜尋範圍大小。
基準版裝置4由基準版40、基準版對準標記41和基準版支架42構成，用於建立背面對準標記成像裝置與工件台坐標系之間的關係。該基準版對準標記41位於基準版40下表面，並與矽片背面對準標記20位於同一水平面上。基準版40固定於基準版支架42上。基準版支架42由玻璃或對紅外光具有較高透過率的材料構成，因此面對準標記照明裝置1所發出的紅外光能投射過該基準版支架42，實現對基準版對準標記41的照明。
基準版裝置4固定於六自由工件台24或直接放置於矽片吸盤22上，可隨六自由工件台24的運動調整其在6個自由度方向上的位置。背面對準標記照明裝置1，位於背面對準工件台裝置2下方，其位置不受六自由工件台24運動的影響。
背面對準標記成像裝置3位於背面對準工件台裝置下方，其位置不受六自由工件台24運動的影響。背面對準標記成像裝置3包括紅外成像鏡組31、紅外成像探測器件32以及圖像處理系統33等構成，用於實現背面對準標記20和基準版對準標記41在紅外成像探測器件32靶面上清晰成像，同時對上述對準標記位置進行計算。紅外成像探測器件32用於接收基準版對準標記41和背面對準標記20通過紅外成像鏡組31所成的像，該紅外成像探測器件32可以是CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）攝像機或CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor互補型金屬氧化物半導體）攝像機，還可以是InGaAs（Indium Gallium Arsenide砷化鎵銦）探測器。
紅外光線從紅外光源10發出，經紅外照明光纖11、照明鏡組13、照明反射鏡14、大理石通光孔25、工件台通光孔23、矽片吸盤22至基準版對準標記41或背面對準標記20，對基準版對準標記41和背面對準標記20實現均勻照明。背面對準成像過程從基準版對準標記41或背面對準標記20起，經矽片20、紅外成像鏡組31、紅外成像探測器件32至圖像處理系統33，可實現基準版對準標記41或和背面對準標記20在紅外成像探測器件32上清晰成像，同時經圖像處理系統33給出基準版對準標記41或和背面對準標記20在紅外成像探測器件32靶面上的位置信息。
圖3是《一種背面對準裝置及方法》所涉及的背面對準裝置的照明裝置布局示意圖。如該圖所示，基準版裝置4位於六自由度工件台24左上角，實際布局也可以位於六自由度工件台24任何一角。在另一種實施方式中，基準版裝置4也可以直接安裝於矽片吸盤22上。基準版對準標記41和背面對準標記20在圖中示意性地顯示為十字標記，但是本領域技術人員應知，在實際套用過程中基準版對準標記41和背面對準標記20可根據不同對準精度和要求，選用不同對準標記。在本實施例中，採用了三個背面對準標記20和對應的三個工件台通光孔23。工件台通光孔23大於基準標記41和背面對準標記20的照明視場以及搜尋範圍。
圖4是《一種背面對準裝置及方法》所涉及的背面對準裝置的第二實施例的詳細結構示意圖。在該實施例中，為實現背面對準裝置的結構更加簡化，減小背面對準標記照明裝置與矽片承片台機械接口之間的相互耦合，降低工件台結構設計和裝配的複雜度，同時降低光刻機的加工成本，在本實施例中不採用照明裝置1，而直接在工件台大理石內安裝紅外光源25，以實現對基準標記41以及背面對準標記20的均勻照明。由於省略了多個光學元件，因此相比實施例一結構更加簡單、成本更低。
圖5是《一種背面對準裝置及方法》所涉及的背面對準裝置的第三實施例的詳細結構示意圖。在該實施例中，該背面對準裝置包括照明裝置1、工件台裝置2、背面對準標記成像裝置3及基準版裝置4，用於根據位於基底6上的背面對準標記20，確定基底6與工件台裝置2的位置關係。其中背面對準標記照明裝置1放置於矽片6上方，而背面對準標記成像裝置3放置於矽片6下方。該實施例中背面對準標記照明裝置1依次由紅外光源10、紅外照明光纖11、照明鏡組13等構成，實現基準版對準標記41和矽片背面對準標記20的均勻照明；所述背面對準標記照明裝置1結構方式上為柯勒照明系統。該實施例中背面對準標記成像裝置3由背面對準標記20、工件台通光孔23、大理石通光孔25、紅外成像鏡組31、紅外反射鏡14、紅外成像探測器件32以及圖像處理系統33等構成，實現背面對準標記20和基準版對準標記41在紅外成像探測器件32靶面上清晰成像，同時對上述對準標記位置進行計算。
《一種背面對準裝置及方法》同時公開一種背面對準方法，該背面對準方法包括：移動基準版標記41至背面標記成像裝置3的成像視場範圍內，建立背面對準標記成像裝置3與工件台裝置2的位置坐標關係；移動背面對準標記20至背面標記成像裝置3的成像視場範圍內，建立背面對準標記20與背面標記成像裝置3的位置坐標關係；根據上述兩個位置坐標關係獲得矽片6與工件台裝置2之間的位置關係。
該方法所涉及的流程圖如圖6所示：
步驟一：移動六自由工件台24到期望位置，使基準版標記41處於背面標記成像裝置3的成像視場範圍內；
步驟二：利用圖像處理系統33判斷紅外成像探測器件32中是否有基準版標記41；若基準版標記41位於紅外成像探測器件32中，則利用圖像處理系統33計算基準版標記41在紅外成像探測器件靶面32上的位置，同時記錄此時六自由度運動台24在水平向位置；
步驟三：若基準版標記41不位於紅外成像探測器件32中，則六自由度工件台24按照設定的位移量步進到下一個搜尋位置，若搜尋超出設定的搜尋範圍，則終止搜尋；若在搜尋範圍內找到基準版標記41，則重複步驟三；
步驟四：移動六自由工件台24到期望位置，使背面對準標記20處於背面標記成像裝置3的成像視場範圍內；
步驟五：利用圖像處理系統33判斷紅外成像探測器件32中是否有背面對準標記20；若背面對準標記20位於紅外成像探測器件32中，則利用圖像處理系統33計算背面對準標記20在紅外成像探測器件32靶面上的位置，同時記錄此時六自由度運動台24在水平向位置；
步驟六：若背面對準標記20不位於紅外成像探測器件32中，則六自由度工件台24按照設定的位移量步進到下一個搜尋位置，若搜尋超出設定的搜尋範圍，則終止搜尋；若在搜尋範圍內找到基準版標記，則重複步驟五；
步驟七：判斷是否完成所有背面對準標記20在紅外成像探測器件32靶面上的位置探測，若沒有完成所有背面對準標記位置探測，則重複步驟四、步驟五和步驟六；
步驟八：通過步驟二可以確定背面標記成像裝置3與六自由工件台24的位置關係；
步驟九：通過步驟五、步驟六和步驟七可以確定背面對準標記20與背面標記成像裝置3之間的位置關係；
步驟十：通過八和九的計算結果，就可以確定矽片6與六自由工件台24之間的位置關係，即矽片5相對六自由工件台24的平移與旋轉。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種背面對準裝置及方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
