CN104698764A - 对准成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对准成像装置，包括：同轴照明组件，包括照明前组和图像增强组件，图像增强组件采用角锥棱镜组、菲涅尔透镜组或二元光学元件；成像组件，沿光传播方向依次包括成像前组、分光单元、成像孔径光阑、成像后组和探测器；控制器，与照明前组、图像增强组件及探测器连接；照明前组产生光束经图像增强组件调节，再经分光单元和成像前组照射到硅片上；硅片上的对准标记经成像前组、分光单元、成像孔径光阑和成像后组成像到探测器上。与现有技术相比，本发明采用角锥棱镜组、菲涅耳透镜或二元光学件与照明前组、成像前组形成柯勒同轴照明光路，实现对准成像镜头不同图像增强模式的快速、简单和方便的切换，在切换过程中无额外的能量损失。

Description

对准成像装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及半导体光刻设备中一种对准成像装置。

背景技术

微电子技术在信息产业革命中起着重要的作用，而光刻机是微电子器件制造业中不可或缺的工具，对准分系统为光刻机中关键部件之一，其与光刻机的套刻精度紧密相关。随着半导体器件的种类的增多，对准分系统所需应对的工艺情况日臻复杂，这种情况对后道封装光刻机来说尤为明显，所以对对准分系统的性能提出了更高的要求。

对于使用视觉传感系统（MVS）原理进行对准的系统来说，对准成像镜头的成像质量是关系到对准精度的关键因素，甚至在工艺复杂的情况下产生失对准的情况，所以使用图像增强方法提高对准成像镜头的成像质量和工艺适应性成为最迫切的需求。

目前，本领域技术人员使用一种同轴双远心成像光学系统，其中的照明部分为柯勒照明，而柯勒照明作为一种明场照明成像镜头，不具备相应的图像增强功能。即使在这种基础上改变照明模式以达到图像增强的目的，也只能通过改变光阑形状和尺寸的方式来进行，这是一种能量利用率很低且不经济的方式。

发明内容

本发明提供一种对准成像装置，以实现对准成像镜头不同图案增强模式的快速、简单和方便的切换。

为解决上述技术问题，本发明提供一种对准成像装置，包括：成像组件、同轴照明组件和控制器；其中，所述同轴照明组件包括照明前组和图像增强组件，所述图像增强组件采用角锥棱镜组、菲涅尔透镜组或二元光学元件；成像组件沿光传播方向依次包括成像前组、分光单元、成像孔径光阑、成像后组和探测器；所述控制器分别与所述照明前组光源、图像增强组件以及探测器连接；所述照明前组产生照明光束经图像增强组件调节后，再经分光单元和成像前组照射到硅片表面；硅片上的对准标记经成像前组、分光单元、成像孔径光阑和成像后组，成像到探测器中，并由探测器反馈至所述控制器中。

作为优选，所述照明前组沿光传播方向依次包括：光源、滤光片组件、照明透镜组、照明视场光阑和反射单元，光源发出的光经所述滤光片组件、照明透镜组、照明视场光阑和反射单元汇聚和反射后进入到所述图像增强组件。

作为优选，所述光源采用LED光源、卤素灯光源或激光。

作为优选，所述成像前组沿光传播方向依次包括：保护窗片、转折棱镜和成像前组透镜组。

作为优选，所述探测器采用CCD、CMOS或红外传感器。

作为优选，所述成像组件为物方远心镜头。

作为优选，所述图像增强组件沿光传播方向依次包括第一图像增强元件和第二图像增强元件；入射的光束经过第一图像增强元件，并在第一图像增强元件的倾斜面上发生折射后入射到第二图像增强元件的斜面上，同样在所述第二图像增强元件的斜面上产生折射。

作为优选，入射的光束在所述图像增强组件中的偏心Δ满足：

$\mathrm{\Δ}=\frac{d}{(\frac{1}{\tan (\arcsin (n*\sin \mathrm{\α})-\mathrm{\α})}-\tan \mathrm{\α})}$

其中，d为第一、第二图像增强元件之间的距离；n为所述图像增强组件的材料折射率；α为第一、第二图像增强元件的倾角。

作为优选，调节所述第一、第二图像增强元件之间的距离可实现同轴照明组件的瞳面环形或圆形的光分布，从而进行明场照明、暗场照明和环形照明模式的切换；调节所述第一、第二图像增强元件的横向偏心，使入射光只通过第一、第二图像增强元件的半边，实现半环形的倾斜照明模式。

作为优选，照明模式包括人工干预或程序自动判断选项。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用角锥棱镜组、菲涅耳透镜或二元光学件与照明前组共同构成同轴照明组件，形成柯勒同轴照明光路，实现对准成像镜头不同图像增强模式的快速、简单和方便的切换，在切换过程中无额外的能量损失。本发明与原始的靠光阑遮挡或更换光阑的方式实现照明方式的转换的传统方法相比，无论是能量利用率和快速操作上都更胜一筹。

附图说明

图1为本发明实施例1中对准成型装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中图像增强模式切换关系图；

图3a～3c分别为本发明实施例1中不同模式切换后的对准成像装置的示意图；

图4a～4d分别为本发明实施例1中不同模式对应光阑处能量分布示意图；

图5a～5b分别为本发明实施例1中对准成像镜头的图像增强原理图；

图6a～6c分别为本发明实施例1中不同图像增强方式的成像对比度；

图7为本发明实施例1中对准成型装置的工作流程图；

图8a～8b分别为本发明实施例2中菲涅耳或二元光学件示意图；

图9a～9c分别为本发明实施例2中不同模式切换后的对准成像装置的局部示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

如图1所示，本实施例中，对准成型装置由对准成像镜头和控制器140两部分组成，其中，对准成像镜头用于对硅片100面上的对准标记成像，其由成像组件130和同轴照明组件两部分组成。

同轴照明组件包括照明前组110和角锥棱镜组120，所述同轴照明组件的主要功能是为对准成像镜头提供不同照明模式，起到图像增强的作用。其中，所述照明前组110用于提供照明光束，其沿光传播方向依次包括：光源111、滤光片组件112、照明透镜组113、照明视场光阑114和反射单元115；进一步的，所述照明透镜组113包括：第一、第二、第三照明透镜组件113a、113b、113c，照明视场光阑114设置于第一和第二照明透镜组件113a和113b之间。光源111发出的光经所述滤光片组件112、照明透镜组113、照明视场光阑114和反射单元115汇聚和反射后进入到所述角锥棱镜组120，所述角锥棱镜组120调整镜头图像增强模式。

所述成像组件130沿光传播的方向包括：保护窗片131，转折棱镜132，成像前组透镜组133，分光单元134，成像孔径光阑135，成像后组136和探测器137。所述成像组件130的主要功能为对硅片100上的对准标记进行成像。其中，保护窗片131，转折棱镜132，成像前组透镜组133组成所述成像组件130的成像前组，所述成像前组和分光单元134由同轴照明组件与成像组件130共用。较佳的，所述成像组件130为物方远心镜头，具有一定的放大倍率。

所述控制器140，用于控制对准光源的强度和开关，控制对准成像镜头采集图像，并进行对准匹配率分析，对不同图像增强模式进行自动化切换的作用。

本实施例中，所述角锥棱镜组120沿光传播方向依次包括：第一角锥棱镜121和第二角锥棱镜122。具体地，如图2所示，入射光经过第一角锥棱镜121，并在第一角锥棱镜121的倾斜面上发生折射后入射到第二角锥棱镜122的斜面上，同样，光线在第二角锥棱镜122的斜面上产生折射而改变方向，光线水平偏心Δ与变量第一、第二角锥棱镜之间的距离d的关系为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{d}{(\frac{1}{\tan (\arcsin (n*\sin \mathrm{\α})-\mathrm{\α})}-\tan \mathrm{\α})}---------\left(1.1\right)$

其中，n为两角锥棱镜121、122的材料折射率，α为两角锥棱镜121、122的倾角。

由式（1.1）所示，在第一、第二角锥棱镜121、122的各参数（n和α）确定的条件下，两角锥棱镜121、122之间的距离d与入射光线偏离的程度Δ成正比。如图3a～图3b所示，通过调节所述第一、第二角锥棱镜121、122的间距d可实现同轴照明组件的瞳面环形或圆形的光分布，即可以实现明场照明、暗场照明和环形照明模式的切换。如图3c所示，通过在同轴照明组件中控制角锥棱镜组120的横向偏心（即，调节第一、第二角锥棱镜121、122的偏心），可以使入射光只通过第一、第二角锥棱镜121、122的半边，就可以实现半环形的倾斜照明模式。

具体地，不同照明模式下的同轴照明组件的瞳面光分布，如图4a～4d所示，不同模式切换时对应光阑处能量分布不同。图中，虚线圆代表对准成像镜头的成像孔径光阑135，在其范围内的照明的反射光才能够被成像镜头收集，反之则不能。

图4a中，照明区域138为环形照明模式下的瞳面能量分布，其与图3a中的对准成像装置对应；

图4b中，照明区域138位于成像孔径光阑135之外，只有对准标记的衍射光能够被成像镜头收集，此为暗场照明模式，其与图3a中的对准成像装置对应，其与环形照明的区别为成像孔径光阑135孔径开小，小于环形照明的孔径；

图4c中，照明区域138的入射光充满成像孔径光阑135，为明场照明模式，其与图3b中的对准成像装置对应；

图4d中，半圆形的照明区域138为倾斜照明模式下的瞳面能量分布情况，其与图3c中的对准成像装置对应。

请参照图5a～5b，由于对准成像镜头只有在收集到对准标记衍射的至少为0级和+1或-1级光才能够成像，收集的衍射级次越多，其成像对比度越好，即镜头成像被“增强”了。因此，图5a中仅收集到0级光的情况不能成像，图5b采用离轴照明的方式会收集到更多的衍射级次。暗场照明、环形照明及倾斜照明都是采用改变入射光的角度使得镜头能够收集到更多衍射级次的光而进行图像增强的，不同图像增强模式的对比如图6a～6c所示。其中，图6a为普通非相干照明模式下的标记对比度，图6b为部分相干照明/环形照明标记对比度，图6c为暗场照明模式下的标记对比度。

较佳的，本实施例中，所述光源111可为普通照明光源、LED光源或激光。所述探测器137可为CCD、CMOS或者红外传感器。

请参照图7，本实施例中，对准成像装置的工作流程为：

在上位机发出硅片对准指令后，工件台带动硅片100到对准标记位置；控制器140控制光源111开启，并用明场照明模式采集对准标记图像进行匹配率分析；如果图像质量满足对准所要求的匹配率阈值，工件台运动到下一对准位置并采集图像；如果图像质量不满足对准匹配率要求，可选择人工干预或程序自动判断选项，选择合适的照明模式进行硅片对准；硅片对准后，继续进行图片采集直到对准过程结束，控制器140将对准位置信息输出给上位机。

其中，所述对准成像镜头的工作过程为：光源111发出的光经过滤光片组件112，照明透镜组113、照明视场光阑114、反射单元115汇聚和反射后进入角锥棱镜组120，入射光由第一、第二角锥棱镜121、122在不同位置进行折射而聚焦在照明镜头的瞳面处，再经分光单元134和成像前组以一定角度θ的平行光的形式入射到硅片100表面，此为同轴柯勒照明系统的完整的工作过程，照明光路将硅片100上的对准标记以一定角度θ均匀照明，标记的反射光（衍射光）经过保护窗片131、转折棱镜132，成像前组透镜组133，分光单元134，成像孔径光阑135和成像后组136，最终成像在探测器137上。

需要说明的是，上述的对准成像装置工作流程中，首先用明场照明模式采集对准标记图像并不是强制规定，任意图像增强模式均可首先用来图像采集。

所述对准成像镜头中，减少或增加某些元件，但实现的功能没有显著差异的结构形式均在本实施例保护范围内。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例将角锥棱镜组等效变形为菲涅耳透镜或二元光学元件120’，其等效示意图如图8a和图8b所示。

所述菲涅耳透镜或二元光学元件120’的不同照明模式的切换方式与角锥棱镜组相同，其照明模式的切换局部示意图如图9a～9c所示，其中二元光学元件采用二元光学角锥棱镜。由于本实施例的对准成型装置其他部分和工作流程均与实施例1相同，此处不予赘述。

综上所述，本发明的对准成像装置，包括：成像组件、同轴照明组件和控制器；其中，所述同轴照明组件包括照明前组和图像增强组件，所述图像增强组件采用角锥棱镜组、菲涅尔透镜组或二元光学元件；成像组件沿光传播方向依次包括成像前组、分光单元、成像孔径光阑、成像后组和探测器；所述控制器分别与所述照明前组、图像增强组件以及探测器连接；所述照明前组产生照明光束经图像增强组件调节后，再经分光单元和成像前组照射到硅片表面；硅片上的对准标记经成像前组、分光单元、成像孔径光阑和成像后组，成像到探测器中，并由探测器反馈至所述控制器中。与现有技术相比，本发明采用角锥棱镜组、菲涅耳透镜或二元光学件与照明前组共同构成同轴照明组件，形成柯勒同轴照明光路，实现对准成像镜头不同图像增强模式的快速、简单和方便的切换，在切换过程中无额外的能量损失。本发明与原始的靠光阑遮挡或更换光阑的方式实现照明方式的转换的传统方法相比，无论是能量利用率和快速操作上都更胜一筹。

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 (10)

1.一种对准成像装置，包括：成像组件、同轴照明组件和控制器；其中，

所述同轴照明组件包括照明前组和图像增强组件，所述图像增强组件采用角锥棱镜组、菲涅尔透镜组或二元光学元件；

成像组件沿光传播方向依次包括成像前组、分光单元、成像孔径光阑、成像后组和探测器；

所述控制器分别与所述照明前组、图像增强组件以及探测器连接；

所述照明前组产生照明光束经图像增强组件调节后，再经分光单元和成像前组照射到硅片表面；硅片上的对准标记经成像前组、分光单元、成像孔径光阑和成像后组，成像到探测器中，并由探测器反馈至所述控制器中。

2.如权利要求1所述的对准成像装置，其特征在于，所述照明前组沿光传播方向依次包括：光源、滤光片组件、照明透镜组、照明视场光阑和反射单元，光源发出的光经所述滤光片组件、照明透镜组、照明视场光阑和反射单元汇聚和反射后进入到所述图像增强组件。

3.如权利要求3所述的对准成像装置，其特征在于，所述光源采用LED光源、卤素灯光源或激光。

4.如权利要求1所述的对准成像装置，其特征在于，所述成像前组沿光传播方向依次包括：保护窗片、转折棱镜和成像前组透镜组。

5.如权利要求1所述的对准成像装置，其特征在于，所述探测器采用CCD、CMOS或红外传感器。

6.如权利要求1所述的对准成像装置，其特征在于，所述成像组件为物方远心镜头。

7.如权利要求1所述的对准成像装置，其特征在于，所述图像增强组件沿光传播方向依次包括第一图像增强元件和第二图像增强元件；入射的光束经过第一图像增强元件，并在第一图像增强元件的倾斜面上发生折射后入射到第二图像增强元件的斜面上，同样在所述第二图像增强元件的斜面上产生折射。

8.如权利要求7所述的对准成型装置，其特征在于，入射的光束在所述图像增强组件中的偏心Δ满足：

$\mathrm{\Δ}=\frac{d}{(\frac{1}{\tan (\arcsin (n*\sin \mathrm{\α})-\mathrm{\α})}-\tan \mathrm{\α})}$

其中，d为第一、第二图像增强元件之间的距离；

n为所述图像增强组件的材料折射率；

α为第一、第二图像增强元件的倾角。

9.如权利要求8所述的对准成型装置，其特征在于，调节所述第一、第二图像增强元件之间的距离可实现同轴照明组件的瞳面环形或圆形的光分布，从而进行明场照明、暗场照明和环形照明模式的切换；

调节所述第一、第二图像增强元件的横向偏心，使入射光只通过第一、第二图像增强元件的半边，实现半环形的倾斜照明模式。

10.如权利要求9所述的对准成型装置，其特征在于，照明模式包括人工干预或程序自动判断选项。