CN107329379A - 双层对准装置和双层对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双层对准装置，包括固定框架及设置在固定框架上的第一测量装置及标记板，标记板设置有框架固定标记；运动台以及设置于运动台上的基准标记、运动台标记，和第二测量装置；通过第一测量装置测量基准标记和运动台标记的相对位置关系，通过第二测量装置测量基准标记和框架固定标记的相对位置关系，从而获得运动台标记和框架固定标记的最终相对位置关系，并根据最终相对位置关系移动所述运动台至设定位置。本发明相应地还提供一种双层对准方法，系统中只有运动台是运动部件。使用静态标定方法实现坐标关系标定，标定精度不受运动台定位精度影响，可以提高对准精度。使用双镜头或多镜头设计，配置灵活并能提高对准效率。

Description

双层对准装置和双层对准方法
技术领域
本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种双层对准装置和双层对准方法。
背景技术
对准系统是半导体设备中的一个核心分系统，其对准精度往往直接决定了半导体光刻设备所能达到的套刻精度。机器视觉对准系统以其结构简单、速度快、精度高等特点在半导体设备中得到了广泛应用。
相对于光刻机类设备通过物镜连接掩模板与硅片这两个层级的坐标关系，构造相对简单的类光刻机设备没有物镜这种精密的光学设备，必须设计新的光学结构和控制系统来实现双层对准。
专利US20090251699(A1)公布了一种双层对准方案，该方案是在双层对准对象之间设计一个可以移动的分光镜，该分光镜可以同时实现对上下两层标记成像，对准时镜头移动到对准工位，对准完成后镜头移出对准工位。但是这种结构方案运动台和镜头都是独立运动部件，机械结构复杂，同时也会增加运动控制复杂度，对准精度和可靠性相应降低。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种双层对准装置，包括：
固定框架及设置在所述固定框架上的第一测量装置及标记板，所述标记板设置有框架固定标记；
运动台以及设置于所述运动台上的基准标记、运动台标记，和第二测量装置；通过所述第一测量装置，测量所述基准标记和所述运动台标记的相对位置关系，通过所述第二测量装置，测量所述基准标记和所述框架固定标记的相对位置关系，从而获得所述运动台标记和所述框架固定标记的最终相对位置关系，并根据所述最终相对位置关系移动所述运动台至设定位置。
可选的，所述运动台标记为设置在所述运动台上被测对象上的标记，可以随所述运动台运动。
可选的，所述第二测量装置为分光镜，所述分光镜使得所述框架固定标记和基准标记同时进入其两个视场，以测量所述框架固定标记和基准标记的相对位置。
可选的，所述框架固定标记包括两个标记点，通过所述运动台的移动，分别使得该两个标记点进入所述第二测量装置的同一个视场，据此计算该两个标记点到基准标记的距离以及上述移动的旋转角度，以得出所述框架固定标记和基准标记的相对位置。
可选的，通过所述运动台的移动使得所述运动台标记和基准标记分别进入所述第一测量装置的视场，所述第一测量装置分别测量所述运动台标记和基准标记在所述运动台上的位置，以得出所述运动台标记和基准标记的相对位置关系。
可选的，所述框架固定标记和基准标记分别包括第一标定标记和第二标定标记，分别用于对所述第二测量装置同固定框架的坐标关系，以及所述第一测量装置同运动台的坐标关系进行静态标定。
可选的，所述第一测量装置的数量有多个，多个第一测量装置同时测量所述运动台标记和基准标记在所述运动台上的位置。
可选的，所述的双层对准装置还包括分别连接所述第二测量装置和所述第一测量装置的第一光源和第二光源，用于为所述第二测量装置和所述第一测量装置提供视场。
可选的，所述的双层对准装置还包括连接所述第二测量装置和第一测量装置的两个相机，通过在所述相机上对所述框架固定标记、运动台标记和基准标记成像。
可选的，所述第二测量装置包括：
两个反光镜，用于将所述第一光源的光分别反射为两个视场，供所述框架固定标记和基准标记进入，并未所述框架固定标记和基准标记提供成像光；以及
两个透镜，分别用于透过入射光和成像光。
本发明还提供一种双层对准方法，包括：
提供固定框架以及设置于所述固定框架上的第一测量装置及标记板，所述标记板设置有框架固定标记；
提供运动台以及设置于所述运动台上的运动台标记、基准标记和第二测量装置；
第一测量装置测量所述基准标记和所述运动台标记的相对位置关系；
第二测量装置测量所述基准标记和所述框架固定标记的相对位置关系；
获得所述运动台标记和所述框架固定标记的最终相对位置关系；以及
运动台根据所述最终相对位置关系移动至设定位置。
本发明提供一种双层对准装置，包括固定框架及设置在所述固定框架上的第一测量装置及标记板，所述标记板设置有框架固定标记；运动台以及设置于所述运动台上的基准标记、运动台标记，和第二测量装置；通过所述第一测量装置，测量所述基准标记和所述运动台标记的相对位置关系，通过所述第二测量装置，测量所述基准标记和所述框架固定标记的相对位置关系，从而获得所述运动台标记和所述框架固定标记的最终相对位置关系，并根据所述最终相对位置关系移动所述运动台至设定位置。。本发明相应地还提供一种双层对准方法，使用分光镜结构实现对两条光路的同时成像，分光镜安装在运动台上。系统中只有运动台是运动部件，使用静态标定方法实现坐标关系标定，标定精度不受运动台定位精度影响，可以提高对准精度。使用双镜头或多镜头设计，配置灵活并能提高对准效率。
附图说明
图1为本发明一实施例所述双层对准装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例所述双层对准装置中第二测量装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例所述双层对准装置中框架固定标记的结构示意图；
图4为本发明一实施例所述双层对准装置中基准标记的结构示意图；
图5为本发明一实施例所述双层对准方法的流程图；
图6为本发明一实施例所述双层对准方法的具体流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供一种双层对准装置，如图1所示，包括：
固定框架40以及设置于所述固定框架40上的第一测量装置50及标记板41，所述标记板41上设置有框架固定标记20；
运动台60以及设置于所述运动台60上的基准标记30、运动台标记70和第二测量装置10；通过所述第一测量装置50，测量所述基准标记30和所述运动台标记70的相对位置关系，通过所述第二测量装置10，测量所述基准标记30和所述框架固定标记20的相对位置关系，从而获得所述运动台标记70和所述框架固定标记20的最终相对位置关系，并根据所述最终相对位置关系关系移动所述运动台70至设定位置。
在本实施例中，上述第二测量装置10为分光镜，第一测量装置50为镜头。双层对准装置由分光镜10、框架固定标记20、基准标记30、固定框架40和标记板41、镜头50、运动台60、运动台标记70、第二光源80和第一光源81、相机90和91组成。其中，框架固定标记20固定在固定框架40上，不能移动；而基准标记30固定在运动台60上，可以随运动台60运动。固定框架40用于固定相机90、第二光源80、镜头50和标记板41等组件，所述标记板41连接所述固定框架41，用于设置框架固定标记20。分别连接所述分光镜10和所述镜头50的第一光源81和第二光源80，用于为所述分光镜10和所述镜头50提供光源和视场。
运动台60可以带着分光镜10、基准标记30和运动台标记70运动，有X、Y、Z、Rz、Rx、Ry6自由度。运动台标记70是运动台60上被测对象上的标记，可以随运动台60运动。镜头50可以将基准标记30和运动台标记70标记成像在相机90的靶面。
本发明的双层对准装置的目的是确定标记板41与运动台60的相对位置关系，也即框架固定标记20和运动台标记70的相对位置关系(坐标位置转换关系)。本发明设计专有光机结构、坐标位置转换关系标定和对准策略流程实现对准功能。
具体而言，测量所述框架固定标记20和所述运动台标记70的相对位置关系的方式是：分别测量所述框架固定标记20和基准标记30的相对位置关系，以及所述运动台标记70和基准标记30的相对位置关系后，得出所述框架固定标记20和所述运动台标记70的相对位置关系。
测量所述框架固定标记20和所述运动台标记70的相对位置关系的过程即为本发明中的对准过程，该过程具体如下：
步骤一：计算固定框架41同运动台60位置关系，即计算框架固定标记20同基准标记30的位置关系。分光镜10使得所述框架固定标记20和基准标记30同时进入其两个视场，以测量所述框架固定标记20和基准标记30的相对位置。另外，如图3所示，框架固定标记20包括两个标记点201和202，通过所述运动台60的移动，分别使得该两个标记点进入所述分光镜10的同一个视场，据此计算该两个标记点到基准标记30的距离以及上述移动的旋转角度，以得出所述框架固定标记20和基准标记30的相对位置。
步骤一具体为：
1、运动台60移动使标记点201进入分光镜10的视场，此时基准标记30也在分光镜10的另一个视场，计算标记点201和基准标记30上标记点302的相对距离；(如图4所示，基准标记30包括标记点302)
2、运动台60移动使标记点202进入分光镜10的视场，移动距离等于标记点201和202的名义距离，此时标记点302也在分光镜10的视场，计算标记点202和302的相对距离；
3、根据1和2结果计算出框架固定标记20同基准标记30的标记点302的相对位置关系，并计算标记点201和202的旋转角度Rz，即固定框架40相对运动台60的旋转量Rz，以及框架固定标记20相对基准标记30位置。
步骤二：以镜头50安装位置为基准，计算运动台标记70同基准标记30的相对位置。所述测量装置还包括设置于所述固定框架40上的镜头50，通过所述运动台60的移动使得所述运动台标记70和基准标记30分别进入所述镜头50的视场，所述镜头50分别测量所述运动台标记70和基准标记30在所述运动台60上的位置，以得出所述运动台标记70和基准标记30的相对位置关系。
步骤二具体为：
1、运动台60移动使运动台标记70进入镜头50视场，计算运动台标记70的像素位置，并根据当前运动台60的坐标位置计算运动台标记70在运动台60坐标系位置；
2、运动台60移动使基准标记30进入镜头50视场，计算基准标记30的像素位置，并根据当前运动台60的坐标位置计算基准标记30在运动台60坐标系位置；
3、根据1和2结果计算运动台标记70同基准标记30的相对位置关系；
步骤三：重复步骤一和二可以测得多个标记相对位置，由于多点对准模型精度较高，一般需要测出三个以上标记位置。根据框架固定标记20与基准标记30位置关系，以及基准标记30同运动台标记70的位置关系，计算出框架固定标记20同运动台标记70的相对位置关系，也即上下两层的对准关系。
步骤四：移动运动台60到步骤三计算出的坐标位置，完成装置的对准动作。
在另一实施例中，为提高对准效率镜头50可以设置多个，以同时测量所述运动台标记70和基准标记30在所述运动台60上的位置。即同时执行标记位置测量，以提高对准速度。
在本实施例中，所述分光镜10详细结构图如图2所示，包括：两个反光镜102和104，用于将所述第一光源81的光分别反射为两个视场，供所述框架固定标记20和基准标记30进入，并为所述框架固定标记20和基准标记30提供成像光；以及两个透镜101和103，分别用于透过入射光和成像光。另外，在外部具有外壳保护结构105进行保护。第一光源81发出的光经过镜片组的反射和折射，可以同时为框架固定标记20和基准标记30提供照明，框架固定标记20和基准标记30可以同时在相机91上成像。
本发明需要完成的标定有两个：镜头10像素坐标系同41的物理坐标关系标定；镜头50像素坐标系同60的物理坐标关系标定，为避免运动台定位精度对标定精度影响，采用静态标定方法。如图3和图4所示，框架固定标记20和基准标记30分别包括第一标定标记203和第二标定标记302，分别用于对所述分光镜10同固定框架40的坐标关系，以及所述镜头50同运动台60的坐标关系进行静态标定。镜头10和镜头50标定方法如下：
镜头10：框架固定标记20设计如图3所示，其中标定标记是203，标定时标记间距名义距离已知，根据镜头倍率可算出实际物理距离和每个标定点相对左上角第一个点物理位置，使用图像位置提取算法可以获取每一个标记相对左上角第一个标记的像素坐标位置，使用最小二乘法计算像素坐标到物理坐标的坐标系转化关系。由于标记板41和运动台60存在Rz旋转，对准时需要先计算旋转量Rz，计算方法如上对准流程的步骤一所示，对准时坐标关系转换需要增加Rz选装转换。
镜头50：标定流程相同，基准标记30标记设计如图4所示。
本发明还提供一种双层对准方法，如图5所示，包括：
提供固定框架以及设置于所述固定框架上的框架固定标记；
提供运动台以及设置于所述运动台上的运动台标记和测量装置；
测量装置测量所述框架固定标记和所述运动台标记的相对位置关系；
运动台根据所述相对位置关系移动至设定位置。
本实施例所述的双层对准方法及前述双层对准装置的使用方法，因此可以理解的是具有双层对准装置的其他技术特征，在此不再赘述。本发明的双层对准方法的具体流程参见图6，包括：
分别测量框架固定标记20和基准标记30的坐标关系，以及所述运动台标记70和基准标记30的坐标关系后，得出所述框架固定标记20和所述运动台标记70的坐标关系；以及
移动运动台60到计算结果位置。
其中，如图6所示，测量框架固定标记20和基准标记30的坐标关系是通过计算标记点201相对基准标记30的坐标关系和计算标记点202同基准标记30的坐标关系获得的。测量运动台标记70和基准标记30的坐标关系是通过计算运动台标记70相对镜头50的坐标关系和计算基准标记30相对镜头50坐标关系获得的。
本发明提供一种双层对准装置，包括固定框架及设置在固定框架上的第一测量装置及标记板，标记板设置有框架固定标记；运动台以及设置于运动台上的基准标记、运动台标记，和第二测量装置；通过第一测量装置测量基准标记和运动台标记的相对位置关系，通过第二测量装置测量基准标记和框架固定标记的相对位置关系，从而获得运动台标记和框架固定标记的最终相对位置关系，并根据最终相对位置关系移动所述运动台至设定位置。本发明相应地还提供一种双层对准方法，系统中只有运动台是运动部件。使用静态标定方法实现坐标关系标定，标定精度不受运动台定位精度影响，可以提高对准精度。使用双镜头或多镜头设计，配置灵活并能提高对准效率。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种双层对准装置，其特征在于，包括：
固定框架及设置在所述固定框架上的第一测量装置及标记板，所述标记板设置有框架固定标记；
运动台以及设置于所述运动台上的基准标记、运动台标记，和第二测量装置；通过所述第一测量装置，测量所述基准标记和所述运动台标记的相对位置关系，通过所述第二测量装置，测量所述基准标记和所述框架固定标记的相对位置关系，从而获得所述运动台标记和所述框架固定标记的最终相对位置关系，并根据所述最终相对位置关系移动所述运动台至设定位置。
2.如权利要求2所述的双层对准装置，其特征在于，所述运动台标记为设置在所述运动台上被测对象上的标记，可以随所述运动台运动。
3.如权利要求1所述的双层对准装置，其特征在于，所述第二测量装置为分光镜，所述分光镜使得所述框架固定标记和基准标记同时进入其两个视场，以测量所述框架固定标记和基准标记的相对位置。
4.如权利要求3所述的双层对准装置，其特征在于，所述框架固定标记包括两个标记点，通过所述运动台的移动，分别使得该两个标记点进入所述第二测量装置的同一个视场，据此计算该两个标记点到基准标记的距离以及上述移动的旋转角度，以得出所述框架固定标记和基准标记的相对位置。
5.如权利要求3所述的双层对准装置，其特征在于，通过所述运动台的移动使得所述运动台标记和基准标记分别进入所述第一测量装置的视场，所述第一测量装置分别测量所述运动台标记和基准标记在所述运动台上的位置，以得出所述运动台标记和基准标记的相对位置关系。
6.如权利要求5所述的双层对准装置，其特征在于，所述框架固定标记和基准标记分别包括第一标定标记和第二标定标记，分别用于对所述第二测量装置同固定框架的坐标关系，以及所述第一测量装置同运动台的坐标关系进行静态标定。
7.如权利要求5所述的双层对准装置，其特征在于，所述第一测量装置的数量有多个，多个第一测量装置同时测量所述运动台标记和基准标记在所述运动台上的位置。
8.如权利要求5所述的双层对准装置，其特征在于，还包括分别连接所述第二测量装置和所述第一测量装置的第一光源和第二光源，用于为所述第二测量装置和所述第一测量装置提供视场。
9.如权利要求5所述的双层对准装置，其特征在于，还包括连接所述第二测量装置和第一测量装置的两个相机，通过在所述相机上对所述框架固定标记、运动台标记和基准标记成像。
10.如权利要求8所述的双层对准装置，其特征在于，所述第二测量装置包括：
两个反光镜，用于将所述第一光源的光分别反射为两个视场，供所述框架固定标记和基准标记进入，并未所述框架固定标记和基准标记提供成像光；以及
两个透镜，分别用于透过入射光和成像光。
11.一种双层对准方法，其特征在于，包括：
提供固定框架以及设置于所述固定框架上的第一测量装置及标记板，所述标记板设置有框架固定标记；
提供运动台以及设置于所述运动台上的运动台标记、基准标记和第二测量装置；
第一测量装置测量所述基准标记和所述运动台标记的相对位置关系；
第二测量装置测量所述基准标记和所述框架固定标记的相对位置关系；
获得所述运动台标记和所述框架固定标记的最终相对位置关系；以及
运动台根据所述最终相对位置关系移动至设定位置。
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