Особенности реперных знаков для систем автоматического совмещения

В системах совмещения компании EVG (см. рис.1) применяются две системы технического зрения. Работа одной из них основана на распознавании изображений по разности контрастности объектов, а другой — на распознавании образов по векторной модели объектов.
На качество и повторяемость процесса совмещения наибольшее влияние оказывают следующие факторы:
– конфигурация реперных знаков;
– контрастность и фокусировка изображения фотошаблона и подложки;
– повторяемость рисунка;
– свободный обзор подложки через фотошаблон.
От сочетания этих факторов зависит сама возможность выполнения автоматического совмещения, а также его скорость и точность.

Рис. 1. Системы автоматического совмещения: а — EVG 620; б — EVG 6200; в — EVG IQ

Одним из важных критериев при разработке реперных знаков является их уникальность — рисунок реперного знака должен быть уникальным в некоторой области фотошаблона и подложки. Из этого условия следует, что имеется некоторое минимальное расстояние между одинаковыми элементами рисунка, и если расположить два реперных знака на расстоянии большем минимального, то система технического зрения однозначно определяет необходимый элемент рисунка. Следовательно для точного определения реперного знака в пределах условного прямоугольника со сторонами, равными минимальным расстояниям между реперными знаками, должен располагаться только один реперный знак как на фотошаблоне, так и на подложке (см. рис. 2).

Рис. 2. Минимальное расстояние между реперными знаками

Для определения минимального расстояния необходимо учесть следующие факторы:
– погрешность, с которой подложка загружается в систему роботом-манипулятором;
– погрешность предварительного выравнивания подложки в станции предварительного выравнивания;
– погрешность выполнения самого совмещения подложки и фотошаблона;
– погрешность выполнения первой фотолитографии на подложке, во время выполнения которой на подложке без топологии формируется первый рисунок и реперные знаки для выполнения последующих этапов фотолитографии.
Рекомендации по выбору минимального расстояния между реперными знаками приведены в таблице 1.

Выбирая модель, необходимо учитывать, что ее границы должны быть определены по всем направлениям. Кроме того, при проектировании реперных знаков необходимо учитывать, что системы технического зрения лучше определяют утолщенные, а не тонкие линии, ограничивающие контур изображения (см. рис. 3).

Рис. 3. Выбор границы изображения

Система автоматического совмещения может находить заданные области изображения фотошаблона и подложки только в том случае, если эти изображения имеют достаточную контрастность. С наименьшей погрешностью совмещение выполняется только при наиболее точной передаче оттенков серого и границ изображения. Конечно же, система технического зрения сможет распознать и не очень точные и контрастные реперные знаки, но при этом сам процесс совмещения будет выполняться дольше и менее точно, что приведет к снижению производительности и выхода годных.

Очевидно, что получить абсолютно одинаковые фотошаблоны и подложки невозможно. Особенно это касается яркости и контрастности изображения на подложках, вызванных разбросом толщины нанесенного фоторезиста. Поэтому система технического зрения должна находить изображения, отличающиеся друг от друга по яркости и контрастности. Эта разница не должна быть слишком большой. Всегда нужно иметь в виду, что наиболее негативное влияние на работу системы технического зрения оказывает снижение контрастности изображения.
Разброс по четкости и форме рисунка менее критичен, чем разброс по яркости и контрастности, но такие отличия оказывают отрицательное влияние на точность выполнения автоматического совмещения и, следовательно, на производительность системы. Говоря о разбросе яркости и контрастности изображения необходимо также отметить, что наибольший разброс этих параметров возникает при использовании неполированных подложек, т.к. при переходе от одной подложки к другой наблюдается очень сильное изменение фона. Поэтому лучше избегать использования таких подложек в системах автоматического совмещения. Если же такой возможности нет, то система технического зрения должна обеспечивать распознавание изображения вне зависимости от освещения подложки (см. раздел о принципах работы систем технического зрения).

На повторяемость и точность выполнения процесса автоматического совмещения значительное влияние оказывает размер реперного знака. Конечно же, при различном оптическом увеличении окуляров системы технического зрения камера охватывает разную площадь подложки, а, следовательно, необходимо применять реперные знаки различного размера. Все дальнейшие рекомендации приводятся на примере окуляров с увеличением 10х, а размеры реперных знаков — в микрометрах.
Для определения рекомендуемых размеров при использовании других окуляров необходимо руководствоваться следующими правилами:
– при использовании окуляров с увеличением 5х все приведенные размеры необходимо увеличить в 2 раза;
– при использовании окуляров с увеличением 20х все приведенные размеры уменьшить в 2 раза.
На рисунке 4 показано, что габариты реперного знака, используемого с окулярами 10х, составляют 60×80 мкм. В соответствии с приведенными рекомендациями при использовании окуляров 5х реперные знаки такой же конфигурации должны иметь размеры 120×160 мкм, а при использовании окуляров 20х — 30×40 мкм.

Рис. 4. Размеры реперного знака

В оборудовании компании EVG используются две принципиально различные системы технического зрения:
– система технического зрения Matrox, работа которой основана на распознавании изображения по разности контрастностей;
– система технического зрения Cognex, работа которой основана на обработке векторного эквивалента изображения.
Независимо от типа используемой системы технического зрения для выполнения автоматического совмещения с максимальной точностью необходимо обеспечить хорошую контрастность, подходящее освещение, высокую точность передачи границ изображения.
Основной особенностью системы технического зрения Cognex является возможность использования такого элемента как ключ реперного знака, т.к. в этом случае существенно упрощается задача по конструированию реперных знаков для многослойной фотолитографии.
Рекомендуемые размеры реперных знаков приведены в таблице 2.

		Типовые реперные знаки
Системы Cognex / Matrox	Реперы фотошаблона
	Реперы на подложке
Система Cognex. Многослойная литограффия	Реперы фотошаблона
	Реперы подложки

При выполнении типового процесса совмещения по верхней стороне подложки в поле зрения окуляров одновременно находятся и реперный знак фотошаблона, и реперный знак подложки. Может получиться так, что рисунок подложки будет закрыт от окуляров рисунком фотошаблона, из-за чего может существенно снизиться скорость и точность выполнения автоматического совмещения. Чтобы избежать подобного наложения изображений, необходимо учитывать это явление при разработке конфигурации реперных знаков.
При выполнении процедуры автоматического совмещения сначала проводится поиск реперного знака фотошаблона, который на рисунке 5 располагается в верхней части окна. После этого проводится поиск реперного знака на подложке, который располагается в нижней части окна. Затем выполняется совмещение подложки относительно фотошаблона так, чтобы точка совмещения реперного знака подложки совпала с точкой совмещения реперного знака фотошаблона.

Рис. 5. Реперные знаки фотошаблона и подложки после совмещения

Максимальной точности совмещения можно добиться только в том случае, если система технического зрения видит одновременно и реперный знак фотошаблона, и реперный знак подложки во время всего процесса совмещения. Именно поэтому для систем автоматического совмещения рекомендуется использовать смещенные реперные знаки.
При подобном выделении из реперного знака элемента, поиск которого выполняет система технического зрения, и точки совмещения, проблема одновременного обзора реперных знаков подложки и фотошаблона не возникает даже при совмещенной подложке и фотошаблоне. Следовательно, система технического зрения на протяжении всего процесса способна видеть реперные знаки и при необходимости вносить коррективы в положение подложки относительно фотошаблона.
Пример реперного знака фотошаблона с разделением на зоны приведен на рисунке 6, а на рисунке 7 показан реперный знак подложки.

Рис. 6. Реперный знак фотошаблона

Рис.7. Реперный знак подложки

При выполнении совмещения по обратной стороне перекрытия реперных знаков вообще не возникает, т.к. в этом случае система технического зрения не видит одновременно реперных знаков подложки и фотошаблона. Но несмотря на это, изображение должно соответствовать уже обозначенным требованиям контрастности и яркости.
При выполнении совмещения по обратной стороне после загрузки фотошаблона система фиксирует положение микроскопов совмещения после поиска реперных знаков на фотошаблоне. Изображение реперных знаков фотошаблона сохраняется программным обеспечением, и после загрузки подложки система выполняет совмещение изображения с окуляров, т.е. изображения подложки, с сохраненным изображением фотошаблона.
Для совмещения по обратной стороне можно использовать реперные знаки той же конфигурации, что и для совмещения по верхней стороне, но можно использовать и реперные знаки альтернативной конфигурации (см. рис. 8).

Рис. 8. Реперные знаки для совмещения по обратной стороне

При выполнении многослойной литографии для совмещения различных слоев необходимо использовать различные реперные знаки. При использовании одного типа реперных знаков необходимо, как уже говорилось, обеспечить минимальное расстояние между ними. Только в этом  случае можно достичь высокой точности совмещения. Соблюдать этот принцип необходимо как при работе с системой технического зрения Matrox, так и при использовании системы технического зрения Cognex.
Если конструктивно нет возможности разместить необходимый набор реперных знаков с соблюдением минимального расстояния, рекомендуется применять систему технического зрения Cognex, т.к. она позволяет применять функцию идентификационного ключа реперного знака. Благодаря такому ключу система технического зрения может различать реперные знаки с небольшими характерными отличиями.
При использовании функции распознавания ключей поиск реперного знака выполняется в два этапа (см. рис. 9).

Рис. 9. Этапы поиска реперного знака при использовании ключей

Сначала распознавание происходит по заранее обученному образу базовой части реперного знака. При этом система находит все подходящие элементы в области поиска. Затем выполняется поиск указанных ключевых элементов в уже найденных реперных знаках. Далее система выбирает именно тот реперный знак, который соответствует всем указанным параметрам поиска: соответствие базовой модели, соответствие ключевого элемента. Дальнейший процесс совмещения выполняется в соответствии с выбранным реперным знаком. Реперные знаки с различными ключами совмещения представлены в таблице 3.

	Репер подложки	Репер фотошаблона
Слой 1
Слой 2
Слой N

Чтобы обеспечить правильную и точную работу систем автоматического совмещения, необходимо тщательно продумать конфигурацию реперных знаков. Приведенные в статье указания по их проектированию носят рекомендательный характер.
Для выполнения процесса совмещения в автоматическом режиме рекомендуется использовать окуляры с увеличением 10х. Чтобы процесс автоматического совмещения был высококачественным, необходимо оптимизировать как саму конструкцию реперных знаков, так и их положение на подложке, а также подобрать необходимое увеличение окуляров.
Привести конкретную универсальную конфигурацию реперных знаков для процесса автоматического совмещения не представляется возможным, т.к. при их разработке необходимо учитывать еще и технологические процессы, которые будут выполняться после фотолитографии.