一种光掩模基板外形尺寸测量系统及方法

技术领域

本发明属于半导体和显示面板光掩模基板制造领域，更具体地，涉及一种光掩模基板外形尺寸测量系统及方法。

背景技术

光刻作为半导体和显示面板制造流程中重要的环节，该流程中所使用的光掩模板通常由高纯度、高激光损伤阈值、高紫外透过率、低热膨胀系数的石英基板和铬膜构成。目前由于国外技术壁垒和技术门槛较高，国内已经有企业开始进行光掩模基板的研发，因此能够准确的对光掩模基板进行测量是关键的。

按照国家标准中的规定，需要测量光掩模基板的外形尺寸有边长、厚度、总厚度变化量、顶角角度、顶角半径、倒角直边长度、标记的尺寸A(标记直边到顶角距离)和尺寸B(标记的深度)。目前这些尺寸可采用接触测量的方式进行测量如游标卡尺、高度规、轮廓仪等，价格便宜操作简单，但是精度较差且容易对通光面造成损伤导致光掩模基板报废；采用光学影像测量设备，成本较低、可靠性高，但是在边缘对焦时容易出现较大的测量误差，对样品的适应性较差；采用高端光学测量设备精度高、样品适应性较好，但是成本过于高昂且效率低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种精度高、重复性高、无损伤、性价比高的光掩模基板外形尺寸测量系统及方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光掩模基板外形尺寸测量系统，包括：样品转移单元、样品运动单元及光学测量系统；

所述样品转移单元，用于将被测光掩模基板在待检区域和测试区域间进行转移；

所述样品运动单元，用于配合所述光学测量系统调整被测光掩模基板的俯仰角度、旋转角度和高度；

所述光学测量系统，用于测量被测光掩模基板的外形尺寸。

在一些可选的实施方案中，所述样品转移单元包括：送取样载物台和抓取机械手；

所述送取样载物台位于待检区域，用于放置被测光掩模基板和已检光掩模基板；

所述抓取机械手，用于将被测光掩模基板抓取并移动至测试区域，并在被测光掩模基板需要翻面测量时将被测光掩模基板抓起并翻面，在被测光掩模基板测量结束后抓取被测光掩模基板并转移至所述送取样载物台上。

在一些可选的实施方案中，所述样品运动单元包括：样品爪盘和样品位移台；

所述抓取机械手将被测光掩模基板抓取并移动至测试区域的所述样品爪盘上，并在探测到有被测光掩模基板后通过所述样品爪盘将被测光掩模基板夹紧以防止被测光掩模基板跌落；

所述样品位移台能够带动所述样品爪盘进行俯仰、旋转和升降运动，从而配合所述光学测量系统将被测光掩模基板调整至目标位置。

在一些可选的实施方案中，所述光学测量系统包括：三轴位移台、白光光源、光谱共焦镜头、光电传感器和激光共聚焦测头；

所述三轴位移台，用于带动所述白光光源、所述光谱共焦镜头、所述光电传感器和所述激光共聚焦测头沿水平和竖直方向运动；

所述白光光源，用于提供测量光源照射到被测光掩模基板上；

所述光谱共焦镜头由出光镜头和收光镜头组成，所述出光镜头用于将白光色散并汇聚成不同波长的光束，以使在竖直方向上不同波长光的焦点高度不同，其中，波长从短到长对应的光焦点距离出光位置从远到近，光束经被测光掩模基板表面反射后耦合进入所述收光镜头；

所述光电传感器，用于将所述收光镜头耦合的光转换成电信号；

所述激光共聚焦测头，用于测量被测光掩模基板的厚度。

按照本发明的另一方面，提供了一种光掩模基板外形尺寸测量方法，包括：

将被测光掩模基板放置于待检区域的样品转移单元上，由样品转移单元将被测光掩模基板夹起移动至测试区域的样品运动单元；

在测量被测光掩模基板的边长、顶角角度、顶角半径和倒角直边长度时，控制光学测量系统移动到测量位置，以及控制样品运动单元的俯仰、旋转和升降使被测光掩模基板的外形尺寸位于被测量位置，光学测量系统对被测光掩模基板的正面轮廓进行扫描并采集数据后绘制成正面轮廓点云图像，根据正面轮廓点云图像上各采样点的坐标计算生成光掩模基板边长、顶角角度、顶角半径和倒角直边长度的测量结果；

由光学测量系统对被测光掩模基板的厚度进行测量，总厚度变化量根据测量的厚度计算得到；

在测量被测光掩模基板标记的尺寸A和尺寸B时，通过样品转移单元将从样品运动单元上抓取被测光掩模基板并翻转180°后重新放回样品运动单元，以使被测光掩模基板背面置于测试区域，由样品运动单元带动被测光掩模基板，配合光学测量系统倾斜至目标角度后，控制光学测量系统扫描标记角轮廓并采集数据后绘制成角轮廓点云图像，根据角轮廓点云图像上各采样点的坐标计算生成被测光掩模基板外形尺寸的测量结果。

在一些可选的实施方案中，所述将被测光掩模基板放置于待检区域的样品转移单元上，由样品转移单元将被测光掩模基板夹起移动至测试区域的样品运动单元，包括：

将被测光掩模基板放置于送取样载物台上，由抓取机械手将被测光掩模基板夹起移动至测试区域的样品位移台的样品爪盘上；

在探测到有被测光掩模基板后通过样品爪盘将被测光掩模基板夹紧以防止被测光掩模基板跌落，抓取机械手从测试区域中移走。

在一些可选的实施方案中，在探测到有被测光掩模基板后通过样品爪盘将被测光掩模基板夹紧以防止被测光掩模基板跌落，抓取机械手从测试区域中移走之后，所述方法还包括：

标定光学测量系统的光谱各波长焦点在三轴位移台坐标系下的初始位置作为原点坐标，标定样品位移台在三轴位移台坐标系下的位置坐标、俯仰和旋转角度。

在一些可选的实施方案中，在测量被测光掩模基板的边长、顶角角度、顶角半径和倒角直边长度时，控制光学测量系统移动到测量位置，以及控制样品位移台俯仰、旋转和升降使被测光掩模基板的外形尺寸位于被测量位置，光学测量系统对被测光掩模基板的正面轮廓进行扫描并采集数据后绘制成正面轮廓点云图像，根据正面轮廓点云图像上各采样点的坐标以及标定的原点坐标、样品位移台在三轴位移台坐标系下的位置坐标、俯仰和旋转角度计算生成光掩模基板边长、顶角角度、顶角半径和倒角直边长度的测量结果。

在一些可选的实施方案中，由光学测量系统中的激光共聚焦测头对被测光掩模基板进行取点测量得到被测光掩模基板的厚度，总厚度变化量根据测量的厚度计算得到。

在一些可选的实施方案中，在测量被测光掩模基板标记的尺寸A和尺寸B时，抓取机械手将从样品爪盘上抓取被测光掩模基板并翻转180°后重新放回样品爪盘上，使被测光掩模基板背面置于测试区域，样品位移台带动被测光掩模基板，配合光学测量系统倾斜至目标角度后，控制光学测量系统扫描标记角轮廓并采集数据后绘制成标记角轮廓点云图像，根据标记角轮廓点云图像上各采样点的坐标以及标定的原点坐标、样品位移台在三轴位移台坐标系下的位置坐标、俯仰和旋转角度计算生成被测光掩模基板标记的尺寸A和尺寸B的测量结果。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)通过样品转移单元、样品运动单元及光学测量系统可以实现精度高、重复性高、无损伤、性价比高的光掩模基板外形尺寸测量。

(2)由白光光源、光谱共焦镜头和光电传感器构成的光学平面测量系统，以及用于高度测量的激光共聚焦测头，构成光学测量系统，以及装有样品爪盘的，可以进行俯仰、旋转和升降运动的样品位移台，具有精度高、重复性高及性价比高的优点。

(3)装有传感器的样品爪盘在探测到样品后能够加紧样品防止跌落，且不会对样品造成损伤。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光掩模基板外形尺寸测量系统示意图；

图2是本发明实施例提供的一种光掩模基板外形尺寸测量方法示意图；

其中，1-送取样载物台；2-抓取机械手；3-样品爪盘；4-样品位移台；5-三轴位移台；6-白光光源；7-光谱共焦镜头；8-光电传感器；9-激光共聚焦测头；10-光掩模基板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明采用的技术方案为：一种光掩模基板外形尺寸测量系统，包括由送取样载物台1和抓取机械手2构成的样品转移单元，以及样品爪盘3和样品位移台4构成的样品运动单元，以及三轴位移台5、白光光源6、光谱共焦镜头7、光电传感器8和激光共聚焦测头9构成的光学测量系统。将被测光掩模基板放置于送取样载物台1上，抓取机械手2将被测光掩模基板夹起移动至测试区域的样品位移台4的样品爪盘3上；样品位移台4可以进行俯仰、旋转和升降运动，样品爪盘3上的传感器探测到有被测光掩模基板后将被测光掩模基板夹紧防止其跌落；在三轴位移台5上安装了由白光光源6、光谱共焦镜头7和光电传感器8构成的光学平面测量系统，以及用于高度测量的激光共聚焦测头9，此二者构成了光学测量系统，光学测量系统能够沿水平和竖直方向运动。在测量光掩模基板边长、顶角角度、顶角半径和倒角直边长度时，通过测量软件控制光学测量系统，对被测光掩模基板的正面轮廓进行扫描并采集数据后绘制成点云图像；被测光掩模基板的厚度由光学测量系统中的激光共聚焦测头9测量，总厚度变化量根据测量的厚度计算得到；在测量被测光掩模基板标记的尺寸A和尺寸B时，抓取机械手2将从样品爪盘3上抓取光掩模基板并翻转180°后重新放回样品爪盘3上，使被测光掩模基板背面置于测试区域，样品位移台4带动被测光掩模基板，配合光学测量系统倾斜至目标角度后，通过测量软件控制光学测量系统扫描标记角轮廓并采集数据后绘制成点云图像；最后软件将根据点云图像上各采样点的坐标计算生成被测光掩模基板外形尺寸的测量结果。

实施例

如图1所示是本发明实施例提供的一种光掩模基板外形尺寸测量系统示意图，包括样品转移单元、样品运动单元及光学测量系统；

样品转移单元，用于将被测光掩模基板在待检区域和测试区域间进行转移；

样品运动单元，用于配合光学测量系统调整被测光掩模基板的俯仰角度、旋转角度和高度；

光学测量系统，用于测量被测光掩模基板的外形尺寸。

在本发明实施例中，上述样品转移单元主要包括送取样载物台1和抓取机械手2。送取样载物台1位于待检区域，用于放置被测光掩模基板和已检光掩模基板，便于操作人员取放样品。抓取机械手2用于将被测光掩模基板抓取并移动至测试区域的样品爪盘3上，并且在被测光掩模基板需要翻面测量时将被测光掩模基板抓起并翻面；当被测光掩模基板测量结束后抓取被测光掩模基板并将其转移至送取样载物台1上。

在本发明实施例中，上述样品运动单元主要包括样品爪盘3和样品位移台4。样品爪盘3上的传感器探测到有被测光掩模基板后将其夹紧防止其跌落。样品位移台4可以进行俯仰、旋转和升降运动，配合光学测量系统将被测光掩模基板调整至正确的目标位置。

在本发明实施例中，上述光学测量系统主要包括三轴位移台5、白光光源6、光谱共焦镜头7、光电传感器8和激光共聚焦测头9，各部分作用如下：

三轴位移台5，用于带动白光光源6、光谱共焦镜头7、光电传感器8和激光共聚焦测头9沿水平和竖直方向运动；

白光光源6，用于提供测量光源照射到被测样品10上，其波长范围为可见光光谱，即380nm～780nm；

光谱共焦镜头7，由出光镜头和收光镜头组成，出光镜头用于将白光色散并汇聚成不同波长的光束，在竖直方向上不同波长光的焦点高度不同，短波长光焦点距离出光位置远，长波长光焦点距离出光位置近，光束经被测光掩模基板10表面反射后耦合进入收光镜头；

在本发明实施例中，短波长指波长380nm的波长，长波长指波长780nm的波长，也即，波长从短到长对应的光焦点距离出光位置从远到近。

光电传感器8，用于将收光镜头耦合的光转换成电信号；

激光共聚焦测头9，用于测量被测光掩模基板厚度。

本发明实施例提供的一种光掩模基板外形尺寸测量方法，该方法通过测量软件控制三轴位移台带动光学测量系统，对被测光掩模基板外形尺寸的轮廓进行扫描、取点并采集数据后绘制成点云图像，根据点云图像上各点的坐标关系计算得到光掩模基板的外形尺寸。如图2所示，使用该系统进行光掩模基板的外形尺寸测量方法为：

将被测光掩模基板10放置于送取样载物台1上，抓取机械手2将其夹起移动至测试区域的样品位移台4的样品爪盘3上；

样品爪盘3上的传感器探测到有被测光掩模基板后将被测光掩模基板夹紧防止其跌落，抓取机械手2从测试区域中移走，光学测量系统准备开始测量；

标定光学测量系统光谱各波长焦点在三轴位移台坐标系下的初始位置作为原点坐标，标定样品位移台4在三轴位移台坐标系下的位置坐标、俯仰和旋转角度；

通过测量软件控制光学测量系统移动到测量位置，以及控制样品位移台4俯仰、旋转和升降使需要测量的外形尺寸位于被测量位置，光学测量系统对被测光掩模基板10的正面轮廓进行扫描并采集数据后绘制成正面轮廓点云图像，软件将根据正面轮廓点云图像上各采样点的坐标计算生成被测光掩模基板边长、顶角角度、顶角半径和倒角直边长度的测量结果；

被测光掩模基板10的厚度由光学测量系统中的激光共聚焦测头9取点测量得到，总厚度变化量根据测量的厚度计算得到；

在测量被测光掩模基板10标记的尺寸A和尺寸B时，抓取机械手2将从样品爪盘3上抓取被测光掩模基板10并翻转180°后重新放回样品爪盘3上，使被测光掩模基板10背面置于测试区域，样品位移台4带动被测光掩模基板10，配合光学测量系统倾斜至特定的目标角度后，通过测量软件控制光学测量系统扫描标记角轮廓并采集数据后绘制成标记角轮廓点云图像；软件将根据标记角轮廓点云图像上各采样点的坐标计算生成被测光掩模基板10标记的尺寸A和尺寸B的测量结果。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。