硅通孔鍵合硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集與處理

黃春霞，伊錦旺

(廈門理工學(xué)院福建省光電技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361024)

0 引言

光刻機(jī)，當(dāng)芯片光刻特征線寬從微米級(jí)發(fā)展到納米級(jí)時(shí)，對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)的要求到了非常苛刻的地步，使原來(lái)近乎獨(dú)立的硅片傳輸系統(tǒng)直接參與到整機(jī)中來(lái)，它的傳輸結(jié)果直接影響整機(jī)精度和生產(chǎn)效率。在硅片傳輸過(guò)程中，機(jī)械手從片盒取出的硅片存在±2mm范圍的隨機(jī)偏心以及隨機(jī)缺口方向，在工程中要從毫米級(jí)一次對(duì)準(zhǔn)到納米的精度是非常困難的，目前普遍采用的方法是硅片在傳送到工件臺(tái)曝光之前要先進(jìn)行微米級(jí)的預(yù)對(duì)準(zhǔn)，來(lái)保證納米級(jí)精對(duì)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)是保證硅片傳輸精度的關(guān)鍵部件，其所要做的就是識(shí)別出硅片圓心、缺口位置，使硅片圓心移動(dòng)到指定位置，缺口轉(zhuǎn)動(dòng)到指定方向［1］。傳統(tǒng)硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集與處理方法是通過(guò)線陣CCD受旋轉(zhuǎn)臺(tái)位置信號(hào)外部觸發(fā)來(lái)采集硅片邊緣圖像，實(shí)時(shí)處理每幀圖像獲取硅片最外沿點(diǎn)位置坐標(biāo)，然后代入最小二乘圓擬合法識(shí)別出硅片圓心位置，代入質(zhì)心法識(shí)別出缺口形心位置［2-4］。該方法在處理標(biāo)準(zhǔn)硅片上是沒(méi)有問(wèn)題的。

為了延續(xù)摩爾定律的預(yù)言，芯片封裝技術(shù)也在不斷發(fā)展，硅通孔(through－silicon vias，TSV)技術(shù)是通過(guò)在芯片和芯片之間、硅片和硅片之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)，具有封裝尺寸小、信號(hào)傳輸快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為下一代封裝技術(shù)［5］。TSV硅片需要經(jīng)過(guò)硅片鍵合，硅片減薄，絕緣層、阻擋層和種子層的淀積，銅的填充、去除和再分布引線，通孔的形成等多道工藝［6］。然而硅片在經(jīng)過(guò)TSV各道工藝后，其邊緣表現(xiàn)為鍵合不一致、不同心，有磨損;其表面表現(xiàn)為有濺射金屬、絕緣膠和劃線槽，有翹曲;其缺口表現(xiàn)為不穿透、有破損、被金屬或者光刻膠填充或覆蓋、有金屬線路等狀況，TSV硅片的這些工藝特點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)的預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集與處理方法失敗。過(guò)去針對(duì)TSV硅片，是通過(guò)人工上片到Aligner設(shè)備，并使用人眼對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的方式對(duì)硅片進(jìn)行手動(dòng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)，然后再曝光。人工預(yù)對(duì)準(zhǔn)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，并且Aligner設(shè)備存在曝光視場(chǎng)過(guò)大導(dǎo)致曝光不均勻，精度低的缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，適應(yīng)TSV硅片高量產(chǎn)化的快速發(fā)展，采用封裝光刻機(jī)對(duì)TSV硅片進(jìn)行曝光的需求日益凸顯，而上片曝光前，TSV各道工藝硅片能夠自動(dòng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)是急需解決的問(wèn)題。

本文提出可兼容標(biāo)準(zhǔn)硅片和TSV硅片的預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集與處理方法，在硅片邊緣和缺口掃描步驟中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)硅片旋轉(zhuǎn)，其編碼器位置信號(hào)觸發(fā)線陣CCD采集到兩組一維圖像，對(duì)它們進(jìn)行拼接分別得到二維的硅片整周邊緣和缺口原始圖像;應(yīng)用邊緣檢測(cè)技術(shù)提取圖像邊緣信息;針對(duì)硅片整周邊緣最外沿點(diǎn)數(shù)據(jù)采用最小二乘圓擬合算法識(shí)別出圓心位置，針對(duì)缺口邊緣數(shù)據(jù)采用Hough直線變換找到缺口兩條斜邊，其交點(diǎn)定位為缺口位置，從而實(shí)現(xiàn)TSV硅片的自動(dòng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)，實(shí)際測(cè)量表明該方法滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求，為封裝光刻機(jī)曝光TSV硅片提供有利支持。

1 預(yù)對(duì)準(zhǔn)流程

TSV預(yù)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備由四自由度執(zhí)行機(jī)構(gòu)和光機(jī)兩大部分組合，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由預(yù)對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)軸、預(yù)對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)升降軸、預(yù)對(duì)準(zhǔn)定心軸、預(yù)對(duì)準(zhǔn)光機(jī)切換軸組成;光機(jī)采用線陣CCD傳感器，加裝反射式鏡頭，光源與鏡頭在同側(cè)，置于硅片上方;硅片下方安裝反射鏡片，如圖1。硅片邊緣外側(cè)的光路被鏡片原路反射回線陣CCD傳感器上成像，圖像呈現(xiàn)單一灰度的明亮色，在硅片邊緣處呈現(xiàn)明暗躍變的圖像特征能夠更加凸顯硅片邊緣位置;而照射在TSV硅片表面上的光路，由于TSV硅片表面不平整，部分光散射出去，部分光反射回到線陣CCD傳感器上成像，圖像呈現(xiàn)出TSV硅片表面紋理圖案特征。

圖1 預(yù)對(duì)準(zhǔn)光路圖

硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)流程一般分為定心和定向兩大步驟，其中定心過(guò)程中要粗定位出缺口位置，以指導(dǎo)預(yù)對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)缺口來(lái)到線陣CCD傳感器下方完成缺口精確掃描，實(shí)現(xiàn)缺口的精確定向。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)硅片，其表面似鏡面光滑，缺口是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)陷凹槽，所以在整周邊緣掃描過(guò)程中根據(jù)搜索邊緣點(diǎn)位置差分極值可以粗定位出缺口位置;但是對(duì)于TSV硅片，由于表面特征復(fù)雜，用上述方法無(wú)法粗定位出缺口位置，因此針對(duì)TSV硅片，要求人工擺放硅片在片盒中時(shí)，順帶把TSV硅片的缺口調(diào)整在某一朝向，該朝向范圍要求不超出CCD缺口精確掃描區(qū)間。為此，設(shè)計(jì)的TSV硅片預(yù)對(duì)準(zhǔn)流程如下:1)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到指定位置從機(jī)械手接片，降到預(yù)對(duì)準(zhǔn)高度后回零點(diǎn)，確保TSV硅片缺口來(lái)到線陣CCD下方區(qū)域。2)整周采集數(shù)據(jù)，對(duì)拼接的硅片整周邊緣原始圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，每行搜索獲取得到有效的最外沿點(diǎn)位置用最小二乘圓擬合法計(jì)算出TSV硅片圓心，從而指導(dǎo)定心執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成定心動(dòng)作。3)當(dāng)殘余偏心到達(dá)誤差窗口之內(nèi)后，對(duì)缺口段數(shù)據(jù)進(jìn)行精確掃描，對(duì)拼接的缺口原始圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)、Hough直線變換，檢測(cè)到滿足缺口斜邊斜率的兩條斜線，其交點(diǎn)位置即為缺口端點(diǎn)，從而指導(dǎo)旋轉(zhuǎn)臺(tái)完成TSV硅片的精確定向。

2 預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集方案

線陣CCD傳感器設(shè)為動(dòng)態(tài)外部觸發(fā)。預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集硬件方案以及觸發(fā)原理是，圖像采集配合旋轉(zhuǎn)臺(tái)掃描運(yùn)動(dòng)，根據(jù)采樣頻率，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制卡對(duì)預(yù)對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)軸編碼器計(jì)數(shù)，到位后，向圖像采集卡發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，圖像采集卡通過(guò)Cameralink協(xié)議與線陣CCD通訊，并獲取當(dāng)幀圖像原始數(shù)據(jù)，再通過(guò)PCI接口實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)給上位機(jī)，如圖2。根據(jù)指令，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)固定角度，上位機(jī)接收到一組線陣CCD的圖像原始數(shù)據(jù)，把它們拼接在一起，組成二維圖像。掃描硅片邊緣時(shí)，獲得TSV硅片整周邊緣原始圖像，掃描缺口時(shí)，獲得缺口原始圖像，接著通過(guò)圖像處理技術(shù)分別識(shí)別出TSV硅片的圓心、缺口位置。

圖2 預(yù)對(duì)準(zhǔn)硬件方案

3 預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息處理算法

3.1 邊緣檢測(cè)

圖像的邊緣是灰度值梯度較大或極大的地方，是圖像的最基本特征，原始圖像經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)處理后可以大幅減少數(shù)據(jù)量，不相關(guān)的信息被剔除，保留圖像重要信息［7］。在對(duì)圖像邊緣檢測(cè)前要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，先進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng);然后進(jìn)行平滑濾波，以濾除噪聲。預(yù)處理圖像再進(jìn)行邊緣檢測(cè)獲得二值化邊緣圖像。邊緣檢測(cè)步驟如圖3。

采用伽瑪變換增強(qiáng)圖像對(duì)比度。伽瑪變換后的灰度值是:

圖3 邊緣檢測(cè)步驟

gray_trans值不大于255;γ為伽瑪系數(shù)，取值2.3;經(jīng)過(guò)該變換后圖像高灰度區(qū)域?qū)Ρ榷鹊玫皆鰪?qiáng)。

采用自適應(yīng)平滑濾波，根據(jù)圖像特征，邊緣點(diǎn)一般在低灰度區(qū)域，把高灰度的噪聲點(diǎn)去除，盡量保留邊緣信息。

常用的邊緣檢測(cè)算子有 Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子，高斯－拉普拉斯算子、Canny算子等。綜合考慮運(yùn)算速度與檢測(cè)效果，系統(tǒng)采用Sobel算子模板，如下式。

Gx和Gy分別是沿x方向和y方向的梯度，當(dāng)Gx與Gy的絕對(duì)值之和大于設(shè)定閾值時(shí)則視為邊緣點(diǎn)。把邊緣點(diǎn)灰度設(shè)置為白色，非邊緣點(diǎn)灰度設(shè)置為黑色，就得到二值化邊緣圖像。

選取一例硅片整周邊緣原始圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果，如圖4。一例硅片缺口原始圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果，如圖5。

圖4 硅片整周邊緣原始圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果

圖5 缺口原始圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果

3.2 圓心計(jì)算

當(dāng)獲得TSV硅片整周邊緣二值化圖像后，每行從左到右搜索第一個(gè)邊緣點(diǎn)所在位置，得到TSV硅片最外沿的index值。對(duì)跨距為10的兩個(gè)點(diǎn)的index值進(jìn)行差分運(yùn)算，對(duì)跳變過(guò)大的index值進(jìn)行濾除，并用相鄰點(diǎn)的index值進(jìn)行替代，經(jīng)過(guò)這樣平滑濾波處理后，得到TSV硅片有效的最外沿點(diǎn)位置，再經(jīng)過(guò)CCD坐標(biāo)系到預(yù)對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)系的變換，匹配采樣角度，則得到硅片邊緣采樣點(diǎn)的極坐標(biāo)值，用于后續(xù)圓心特征的識(shí)別計(jì)算。

采用最小二乘圓擬合法計(jì)算TSV硅片圓心，以指導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成定心運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)TSV硅片的偏心調(diào)整。最小二乘圓擬合算法描述如下，

設(shè)擬合后的圓的方程為:

可得圓曲線方程的另一個(gè)形式:

樣本集(xi，yi)i∈(1，2，3……n)中任一點(diǎn)到圓心的距離di為:

那么點(diǎn)(xi，yi)到圓邊緣的距離σi為:

令:

那么，求參數(shù)a，b，c使得Q(a，b，c)的值最小，令:

根據(jù)式 (3)，就可以求得:

這就是所求的硅片圓心直角坐標(biāo)(A，B)及半徑R。

3.3 缺口識(shí)別

系統(tǒng)通過(guò)從精確掃描獲得的缺口原始圖像中識(shí)別出缺口位置以指導(dǎo)完成硅片定向功能。缺口原始圖像如圖6，設(shè)定圖像左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，寬度水平方向?yàn)橹苯亲鴺?biāo)y軸，高度垂直方向?yàn)橹苯亲鴺?biāo)x軸。標(biāo)準(zhǔn)硅片的缺口是一個(gè)相對(duì)圓心開口約0.033 rad、深約1.2 mm、上下兩條斜邊傾斜角分別約為54°和126°的小凹槽，如圖6(a)。TSV硅片經(jīng)過(guò)鍵合、剪薄、引線刻蝕、鍍銅、涂膠等工藝，缺口已經(jīng)被填充，且內(nèi)有鼓膠、鍍銅、引線、通孔等特點(diǎn) (如圖 6(b)、(c)、(d)是3種不同工藝TSV缺口原始圖像)，導(dǎo)致缺口的識(shí)別難以沿用傳統(tǒng)的求取缺口邊緣點(diǎn)來(lái)計(jì)算形心的方法。本文通過(guò)線陣CCD配合掃描運(yùn)動(dòng)采集拼接獲得二維缺口原始圖像，相當(dāng)于缺口黑白照片有了，缺口的兩條斜邊不論經(jīng)過(guò)TSV哪道工藝在照片上肉眼都能夠分辨出，所以如果處理算法能夠檢測(cè)到缺口的兩條斜邊，其交點(diǎn)位置定為缺口位置，則實(shí)現(xiàn)了缺口的識(shí)別。

圖6 缺口原始圖像

圖像中直線檢測(cè)常用的有Hough變換方法。Hough變換是一種利用圖像的全局特征將特定形狀的邊緣像素連接起來(lái)，形成連續(xù)平滑邊緣的一種方法。它通過(guò)將源圖像上的點(diǎn)映射到用于累加的參數(shù)空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)已知解析式曲線的識(shí)別［79］。

直線的解析式有多種形式，由于用斜率描述的直線存在斜率無(wú)窮大的特殊情況，這里選用直線的極坐標(biāo)描述，極坐標(biāo)中描述直線的參數(shù)方程是:

其中:ρ為直線到原點(diǎn)的垂直距離，θ為x軸與直線法線的夾角，如圖7。對(duì)于任意一組確定的 (ρ，θ)，上式都可以唯一確定一條直線。Hough變換將圖像坐標(biāo)空間中的點(diǎn)變換到參數(shù)空間中。在極坐標(biāo)表示下，圖像坐標(biāo)空間中共線的點(diǎn)變換到參數(shù)空間中后，在參數(shù)空間中都相交于同一點(diǎn)，此時(shí)所得到的 (ρ0，θ0)即為所求的直線的極坐標(biāo)參數(shù)，如圖8。所以可知圖像上任意直線區(qū)域都可以一一對(duì)應(yīng)參數(shù)空間H(ρ，θ)中一個(gè)點(diǎn)，而圖像上的任意像素都同時(shí)存在于很多直線區(qū)域之上。

圖7 圖像坐標(biāo)空間

圖8 參數(shù)空間

缺口位置的識(shí)別過(guò)程是，為了減少計(jì)算量，先對(duì)缺口原始圖像進(jìn)行如3.1所述的邊緣檢測(cè)，得到缺口邊緣圖像，邊緣點(diǎn)的灰度為白色，缺口斜邊作為邊緣信息也保留了下來(lái);然后用Hough變換檢測(cè)圖像中的所有直線區(qū)域，然后再?gòu)闹泻Y選出缺口斜邊直線，計(jì)算缺口兩條斜邊交點(diǎn)坐標(biāo)即為缺口位置，具體作法如下:

首先根據(jù)缺口圖像大小開辟二維參數(shù)空間H(ρ，θ)，對(duì)ρ，θ整數(shù)化，ρ為直線到原點(diǎn)的垂直距離，最大值為圖像對(duì)角線長(zhǎng)度n

其中:w為圖像寬度，h為圖像高度，那么ρ取值范圍為 ［0，n］，令θ以0.25度為增量，可得到θ的取值范圍為 ［0，1440］。定義二維數(shù)組 HoughBuf［n］ ［1440］作為存儲(chǔ)單元，依次遍歷圖像中所有灰度為白色的像素，對(duì)于每個(gè)像素判斷是否滿足式 (11)的特定條件，若滿足則對(duì)經(jīng)過(guò)該像素的所有直線區(qū)域的計(jì)數(shù)器加1，否則繼續(xù)判斷下一個(gè)像素。這樣可以統(tǒng)計(jì)出每條直線區(qū)域所包含的像素點(diǎn)計(jì)數(shù)值，對(duì)應(yīng)數(shù)值存于二維數(shù)組變量HoughBuf［ρ］［θ］ 中。

上述通過(guò)Hough變換檢測(cè)到缺口邊緣圖像上的所有直線區(qū)域，直線區(qū)域包含的像素點(diǎn)計(jì)數(shù)值有大有小。從這些直線區(qū)域中甄別出缺口斜邊，必須同時(shí)滿足以下篩選條件:首先直線區(qū)域包含的像素點(diǎn)計(jì)數(shù)值必須大于設(shè)定閾值;另外直線區(qū)域?qū)?yīng)θ參數(shù)在特征角度的小范圍允許偏差之內(nèi)，根據(jù)缺口上斜邊54°的傾斜角，其法線與x軸夾角θ的特征值根據(jù)缺口在圖像中位置或?yàn)?24°，或?yàn)?26°;根據(jù)缺口下斜邊126°的傾斜角，其法線與 x軸夾角 θ的特征值為36°。滿足上述條件的直線區(qū)域可能是多條，求其斜率和截距的平均值擬合得到待求的缺口斜邊，求上下兩條缺口斜邊的交點(diǎn)坐標(biāo)，即為缺口位置;若沒(méi)有找到滿足上述條件的直線區(qū)域，那么說(shuō)明缺口不存在。這樣就完成了缺口位置的識(shí)別。

圖6中標(biāo)準(zhǔn)硅片以及3種不同工藝TSV硅片缺口識(shí)別結(jié)果如圖9，圖中用十字線交點(diǎn)標(biāo)識(shí)出根據(jù)所述算法找到的缺口位置。

圖9 缺口識(shí)別結(jié)果

4 重復(fù)性定位精度測(cè)試

系統(tǒng)預(yù)對(duì)準(zhǔn)指標(biāo)需求，定心重復(fù)性精度小于20 μm，定向重復(fù)性精度小于150 urad，時(shí)間小于40 s。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性定位精度測(cè)試以驗(yàn)證該預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集與處理方法的可行性。實(shí)驗(yàn)裝置是TSV預(yù)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)、一片邊緣處貼上標(biāo)記的直徑300 mm TSV硅片、高精度CCD攝像頭、圖像采集卡。CCD攝像頭方向垂直于TSV硅片，如圖10;抓取硅片上標(biāo)記的放大圖片，如圖11。

圖10 CCD采集標(biāo)記

圖11 放大標(biāo)記

重復(fù)性定位精度測(cè)試方法是對(duì)初始位置任意的同一塊TSV硅片進(jìn)行25次預(yù)對(duì)準(zhǔn)操作，每次預(yù)對(duì)準(zhǔn)結(jié)束后CCD抓拍一張標(biāo)記圖片。對(duì)這25張標(biāo)記圖片基于模板匹配原理進(jìn)行分析得到標(biāo)記在CCD坐標(biāo)系下25組坐標(biāo)位置 (以像素為單位，1像素=1.5 μm)，計(jì)算25組 CCD位置坐標(biāo)的3σ值，看其是否滿足指標(biāo)需求［10］。系統(tǒng)重復(fù)性定位精度測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。從表中可看出3σ值小于20 μm，預(yù)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間小于40 s，滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求。

5 結(jié)論

本文提出一種可兼容標(biāo)準(zhǔn)硅片與TSV硅片的預(yù)對(duì)準(zhǔn)邊緣信息采集與處理方法，首先線陣CCD配合掃描運(yùn)動(dòng)，獲取一組一維圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行拼接，獲取的二維圖像是預(yù)對(duì)準(zhǔn)算法的數(shù)據(jù)來(lái)源;拼接圖像經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)算法處理得到有效的邊緣數(shù)據(jù);從TSV整周邊緣數(shù)據(jù)中搜索得到最外沿點(diǎn)作為最小二乘圓擬合的輸入，計(jì)算出TSV硅片圓心，從而指導(dǎo)TSV硅片的定心動(dòng)作;TSV缺口邊緣數(shù)據(jù)采用Hough直線變換找到缺口兩條斜邊，斜邊交點(diǎn)作為缺口端點(diǎn)位置，以指導(dǎo)TSV硅片的精確定向，最終完成TSV硅片的預(yù)對(duì)準(zhǔn)操作。實(shí)際測(cè)量表明該方法滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求，為封裝光刻機(jī)能夠曝光TSV硅片提供有力支持。

表1 重復(fù)性定位精度測(cè)試結(jié)果