一种无对准标记晶圆的角度自校准方法和系统与流程

本发明涉及半导体制造，尤其涉及一种无对准标记晶圆的角度自校准方法和系统。

背景技术：

1、在半导体后道工艺中，晶圆切割前或检查前需精确对准切割道方向。现有设备普遍依赖晶圆上的物理定向特征（notch/flat）或专用对准标记进行角度校正。然而，对于部分晶圆，通过物理定向特征（notch/flat）进行角度校正不能满足精度要求，且晶圆上没有专用对准标记，导致对准失败或需额外工艺添加标记，增加成本。

2、现有技术中，部分设备尝试采用基于归一化互相关（ncc）的模板匹配技术直接进行角度搜索，但由于晶圆表面存在大量重复的die结构，大视野下的全局模板匹配极易产生误匹配，存在精度不足、鲁棒性差、适应性差和依赖专用对准标记的问题，无法在无专用标记场景下实现稳定的角度校正。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种无对准标记晶圆的角度自校准方法和系统，以解决上述技术问题，摆脱了在晶圆角度自校准中对物理定向特征及专用对准标记的依赖，适用于任意材质、任意形状的晶圆，应用范围广，实现了晶圆角度自校准的高度自适应性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种无对准标记晶圆的角度自校准方法，包括：

3、基于待校准晶圆建立旋转坐标系，并基于所述旋转坐标系及预设偏转角度对所述待校准晶圆进行粗角度校正，得到校准态晶圆；

4、在所述校准态晶圆上选取一个基准参考点；

5、基于预设视野范围、预设位移系数和所述预设偏转角度计算得到安全位移距离；

6、重复执行精校准动作，直至第二连线倾角角度小于或等于预设连线倾角角度，完成角度自校准；

7、所述精校准动作包括：

8、基于所述安全位移距离，将所述晶圆平移到第一位置和第二位置，并在所述旋转坐标系中的确定第一位置对应的第一坐标及第二位置对应的第二坐标；

9、基于所述第一坐标及所述第二坐标计算第一连线倾角角度，并基于所述第一连线倾角角度对晶圆进行初校准；

10、基于所述安全位移距离和所述第一连线倾角角度得到所述第一位置对应的第三位置及所述第二位置对应的第四位置，将初校准后的晶圆平移至第三位置和第四位置，并在所述旋转坐标系中的确定第三位置对应的第三坐标及第四位置对应的第四坐标；

11、基于所述第三坐标及所述第四坐标计算第二连线倾角角度，并基于所述预设位移系数、预设间距和所述第二连线倾角角度更新所述安全位移距离。

12、本发明通过基于晶圆中心建立坐标系，并对晶圆进行粗角度校正，选取基准参考点，限定预设视野范围并计算得到安全位移距离，以基准参考点为中心水平移动到两个位置，并计算该两个位置的第一倾角，基于该第一倾角进行初校准，移动到旋转后得到的两个新位置并获取两个新位置的坐标，进而计算两个新位置的第二倾角，若该第二倾角大于或等于预设精度，则重复进行初校准，若该第二倾角小于预设精度，则完成精校准。本发明利用晶圆上芯片die的可辨识局部特征作为模板来定位，进而通过计算偏角并进行校准直至偏角达到预设精度，没有利用notch、flat等物理定向特征及专用对准标记，适用于任意材质、任意形状的晶圆，应用范围广，实现了晶圆角度自校准的高度自适应性。

13、进一步的，所述基于待校准晶圆建立旋转坐标系，并基于所述旋转坐标系及预设偏转角度对所述待校准晶圆进行粗角度校正，得到校准态晶圆，包括：

14、基于待校准晶圆的中心建立极坐标系；

15、采集所述待校准晶圆表面的图像，得到原始灰度图像；

16、基于所述原始灰度图像得到边缘直线图像；

17、将所述边缘直线图像映射至极坐标系，得到极坐标参数空间；

18、基于所述极坐标参数空间检测峰值点；

19、基于所述峰值点提取出所述初始偏转角度；

20、基于所述初始偏转角度对所述待校准晶圆进行粗角度校正，直至所述初始偏转角度小于所述预设偏转角度，得到所述校准态晶圆。

21、其中，可以基于霍夫(hough)变换算法将所述边缘直线图像映射至极坐标系，得到极坐标参数空间(ρ,θ)，进而可以基于所述峰值点提取出所述初始偏转角度θ，基于所述初始偏转角度θ对所述待校准晶圆进行粗角度校正，直至所述初始偏转角度θ小于所述预设偏转角度，即初始偏转角度的绝对值，得到所述校准态晶圆。其中，为预设偏转角度。

22、上述方案通过极坐标参数空间中的峰值点检测提取晶圆的初始偏转角度，实现了对晶圆初始偏转角度的快速估计，为后续精校准提供了良好的初始姿态，减少了精校准阶段的迭代次数。

23、进一步的，所述在所述校准态晶圆上选取一个基准参考点，包括：

24、采集所述校准态晶圆表面的图像，得到搜索图像；

25、任意选取所述校准态晶圆上一个芯片的可辨识局部特征作为选取模板，在所述搜索图像中基于所述选取模板得到标准模板；

26、基于所述标准模板获取所述基准参考点。

27、其中，可以基于归一化互相关（ncc）的模板匹配方法，任意选取所述校准态晶圆上一个芯片的可辨识局部特征作为选取模板，所述可辨识局部特征包括角部几何图案、颜色纹理，可以基于角部几何图案、颜色纹理作为相应的特定模板，在所述搜索图像中基于该相应的特定模板得到标准模板，再识别该标准模板在当前位置的精确坐标，并将其移动至视野中心作为基准参考点。

28、上述方案利用晶圆上芯片die自身的可辨识局部特征作为模板来获取基准参考点，无需在晶圆上额外制作对准标记，降低了晶圆制造的复杂度与成本。

29、进一步的，在基于预设视野范围、预设位移系数和所述预设偏转角度计算得到安全位移距离中，所述预设视野范围满足：所述预设视野范围大于所述预设间距的一半且小于所述预设间距。

30、其中，所述预设视野范围l与所述预设间距d的关系是：d/2

31、上述方案通过对预设视野范围的取值范围进行约束，将视觉匹配的视野范围严格收缩至大于半个die间距且小于一个die，使得视野内至多只存在一个完整die，从成像源头消除了重复图案的干扰。

32、进一步的，所述基于预设视野范围、预设位移系数和所述预设偏转角度计算得到安全位移距离，包括：

33、基于所述预设偏转角度获取垂直位移量；

34、通过计算所述预设视野范围的一半与所述垂直位移量的绝对值的差，得到位移差值；

35、通过计算所述预设位移系数乘所述位移差值，得到所述安全位移距离。

36、其中，所述安全位移距离d是指在预设偏转角度的极限姿态下，为确保标准模板从基准参考点沿水平方向平移后，同一标准模板仍能完整落在宽度为l的视野范围内的最大允许位移。其核心约束在于：位移过程中，由预设偏转角度引起的模板在垂直运动方向上的位置漂移量，不得使模板脱离视野。由此，d的计算函数可表达为：，其中k为预设的位移系数（0

37、上述方案综合考虑了视野范围、偏转角度和位移系数对安全位移距离的影响，通过计算得到了既能保证参考点不丢失又具有足够位移量的安全位移距离，为精校准的准确性提供了保障；k的具体数值可配置，其作用是确保在有初始角度偏差的情况下，移动后目标模板仍可靠地出现在视野范围内；随着迭代收敛、残余角度变小，安全位移距离可按需重算增大，以进一步提高测量精度。

38、进一步的，所述基于所述第一坐标及所述第二坐标计算第一连线倾角角度，并基于所述第一连线倾角角度对晶圆进行初校准，其中，所述第一坐标为，所述第二坐标为,计算第一连线倾角角度公式为。

39、上述方案基于精确坐标反推角度的几何约束机制，即使晶圆表面无任何对准标记或物理缺口，仍能实现唯一且正确的模板重定位，彻底规避了传统方法在重复die阵列中的误匹配缺陷，且精度与两点间距成正比，天然具备高精度优势。

40、进一步的，所述基于所述第三坐标及所述第四坐标计算第二连线倾角角度，并基于所述预设位移系数、预设间距和所述第二连线倾角角度更新所述安全位移距离，包括：

41、通过计算所述预设位移系数乘所述预设间距除以所述第二连线倾角角度，得到待更新安全位移距离；

42、将所述安全位移距离更新为所述待更新安全位移距离。

43、其中，所述第三坐标为，所述第四坐标为,计算第二连线倾角角度公式为；计算待更新安全位移距离并将所述安全位移距离更新为所述待更新安全位移距离，具体公式为。

44、上述方案根据当前计算得到的第二连线倾角角度动态更新安全位移距离，实现了安全位移距离的自适应调整，有利于在后续的精校准循环中得到更高的校准精度。

45、进一步的，本发明通过重复执行精校准动作，直至第二连线倾角角度小于或等于预设连线倾角角度，完成角度自校准，通过该闭环迭代控制策略，能够快速收敛至目标角度，最终角度解算精度可达±0.01°甚至更高。这对于满足sic、gan等硬脆材料的高精密切割、检查、以及先进封装中的高密度互连等工艺需求至关重要

46、本发明还提供了一种无对准标记晶圆的角度自校准系统，该角度自校准系统包括粗角度校正模块、参考点选取模块、计算模块、循环模块、坐标获取模块、初校准模块和平移模块：

47、粗角度校正模块，用于基于待校准晶圆建立旋转坐标系，并基于所述旋转坐标系及预设偏转角度对所述待校准晶圆进行粗角度校正，得到校准态晶圆；

48、参考点选取模块，用于在所述校准态晶圆上选取一个基准参考点；

49、计算模块，用于基于预设视野范围、预设位移系数和所述预设偏转角度计算得到安全位移距离；基于所述第一坐标及所述第二坐标计算第一连线倾角角度；基于所述第三坐标及所述第四坐标计算第二连线倾角角度，并基于所述预设位移系数、预设间距和所述第二连线倾角角度更新所述安全位移距离；

50、循环模块，用于重复执行精校准动作，直至第二连线倾角角度小于或等于预设连线倾角角度，完成角度自校准；

51、坐标获取模块，用于在所述旋转坐标系中的确定第一位置对应的第一坐标及第二位置对应的第二坐标；基于所述安全位移距离和所述第一连线倾角角度得到所述第一位置对应的第三位置及所述第二位置对应的第四位置；在所述旋转坐标系中的确定第三位置对应的第三坐标及第四位置对应的第四坐标；

52、初校准模块，用于基于所述第一连线倾角角度对晶圆进行初校准；

53、平移模块，用于基于所述安全位移距离，将所述晶圆平移到第一位置和第二位置；将初校准后的晶圆平移至第三位置和第四位置。

54、本发明通过粗角度校正模块建立旋转坐标系，并对所述待校准晶圆进行粗角度校正，得到校准态晶圆；通过参考点选取模块在所述校准态晶圆上选取一个基准参考点；通过计算模块计算得到安全位移距离、第一连线倾角角度、第二连线倾角角度，并更新所述安全位移距离；通过循环模块重复执行精校准动作，直至第二连线倾角角度小于或等于预设连线倾角角度，完成角度自校准；通过坐标获取模块确定第一坐标及第二坐标，并得到第三位置及第四位置，在所述旋转坐标系中的确定第三坐标及第四坐标；通过初校准模块对晶圆进行初校准，通过平移模块将所述晶圆平移到第一位置和第二位置，将初校准后的晶圆平移至第三位置和第四位置。本发明利用晶圆上芯片die的可辨识局部特征作为模板来定位，进而通过计算偏角并进行校准直至偏角达到预设精度，没有利用notch、flat等物理定向特征及专用对准标记，适用于任意材质、任意形状的晶圆，应用范围广，实现了晶圆角度自校准的高度自适应性。

55、其中，本方案基于一套自动化装置实现该角度自校准系统，该装置包括晶圆固定装置、xyz三轴运动平台、θ轴旋转平台、运动控制系统以及高分辨率视觉检测系统；所述参考点选取模块可以通过晶圆固定装置执行，所述平移模块可以通过xyz三轴运动平台执行，所述粗角度校正模块和初校准模块可以通过θ轴旋转平台执行，所述计算模块和循环模块可以通过运动控制系统执行，所述坐标获取模块可以通过高分辨率视觉检测系统执行。

56、进一步的，所述粗角度校正模块中，所述用于基于待校准晶圆建立旋转坐标系，并基于所述旋转坐标系及预设偏转角度对所述待校准晶圆进行粗角度校正，得到校准态晶圆，包括：

57、基于待校准晶圆的中心建立极坐标系；

58、采集所述待校准晶圆表面的图像，得到原始灰度图像；

59、基于所述原始灰度图像得到边缘直线图像；

60、将所述边缘直线图像映射至极坐标系，得到极坐标参数空间；

61、基于所述极坐标参数空间检测峰值点；

62、基于所述峰值点提取出所述初始偏转角度；

63、基于所述初始偏转角度对所述待校准晶圆进行粗角度校正，直至所述初始偏转角度小于所述预设偏转角度，得到所述校准态晶圆。

64、上述方案通过极坐标参数空间中的峰值点检测提取晶圆的初始偏转角度，实现了对晶圆初始偏转角度的快速估计，为后续精校准提供了良好的初始姿态，减少了精校准阶段的迭代次数。

65、进一步的，在所述计算模块中，所述预设视野范围满足：所述预设视野范围大于所述预设间距的一半且小于所述预设间距。

66、上述方案通过对预设视野范围的取值范围进行约束，使得视野内至多只存在一个完整die，从成像源头消除了重复图案的干扰。

67、进一步的，所述计算模块还包括第一计算单元和第二计算单元，其中：

68、第一计算单元，用于基于所述预设偏转角度获取垂直位移量；通过计算所述预设视野范围的一半与所述垂直位移量的绝对值的差，得到中间值；通过计算所述预设位移系数乘所述中间值，得到所述安全位移距离；

69、第二计算单元，用于通过计算所述预设位移系数乘所述预设间距除以所述第二连线倾角角度，得到待更新安全位移距离；将所述安全位移距离更新为所述待更新安全位移距离。

70、上述方案综合考虑了视野范围、偏转角度和位移系数对安全位移距离的影响，通过计算得到了既能保证参考点不丢失又具有足够位移量的安全位移距离，为精校准的准确性提供了保障，根据当前计算得到的第二连线倾角角度动态更新安全位移距离，实现了安全位移距离的自适应调整，有利于在后续的精校准循环中得到更高的校准精度。