CN104950584A - 成像对准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像对准系统，包括：光源、波长选择单元、偏振调节单元、探测器，以及信号处理与控制单元；光源提供照明光束，所述照明光束依次通过用于选择特定波长的光束的波长选择单元、用于实现照明光束偏振方向的调节的偏振调节单元，再经基片上方的第一透镜后投射到基片的对准标记上，产生反射光或衍射光再经第一透镜收集后，由探测器接收；所述信号处理与控制单元用于图像的采集和处理，并进行所述波长选择单元、偏振调节单元的状态控制。本发明增加了波长选择单元，可针对不同工艺特性的测试对象，实现波长、偏振的最优配置，增加标记图像的对比度，提高对准系统的对准成功率和测量精度。

Description

成像对准系统

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种成像对准系统。

背景技术

对准系统是半导体光刻设备中的一个核心分系统，其对准精度往往直接决定半导体光刻设备所能达到的套刻精度。半导体光刻设备将描绘在掩模版上的电路图形通过光学投影的方法投影在涂有感光材料的曝光对象例如硅片的表面。然后通过刻蚀等工艺实现掩模版和曝光对象之间的图形转移。由于芯片是由多层电路组成的，集成电路芯片通常需要多次曝光完成。为保证不同电路层之间的精确位置关系，在投影曝光过程中，必须通过对准系统实现掩模、曝光对象之间的精确对准。

机器视觉对准系统以其结构简单、速度快、精度高等特点在光刻设备中得到了广泛应用。例如，美国的一种晶圆标记与基底标记的位置测量（对准）装置。该装置通过照明系统和光学成像系统，将晶圆标记与基底台标记依次成像到图像捕获单元（CCD，Charge Coupled Device或CMOS，Complementary MetalOxide Semiconductor Transistor），从而获得对准标记的数字图像。然后采用信号处理和图像分析的方法，确定标记图像在图像坐标系中的位置。再将其转换成为对准标记在物理世界的坐标（工件台系坐标）。

该基于机器视觉的对准系统的良好工作的前提是需要获取清晰度较高的标记图像。然而在实际的半导体制造工序中，标记上方通常会涂覆光刻胶或其他工艺层，导致标记图像对比度严重下降或边缘噪声显著增加，从而降低对准系统捕获标记的成功率或降低对准测量精度。

发明内容

本发明提供一种成像对准系统，以解决现有技术中对准系统捕获标记的成功率和测量精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种成像对准系统，包括：光源和沿光传播方向设置的波长选择单元、偏振调节单元、探测器，以及信号处理与控制单元；光源提供照明光束，所述照明光束依次通过用于选择特定波长的光束的波长选择单元和用于实现照明光束偏振方向的调节的偏振调节单元，再经基片上方的第一透镜后投射到基片的对准标记上，产生反射光或衍射光再经第一透镜收集后，由探测器接收；所述信号处理与控制单元用于从所述探测器处采集图像并处理，并对所述波长选择单元和偏振调节单元的状态进行控制。

作为优选，所述光源采用LED光源、氙灯、卤素灯或者耦合有多个波长的光纤激光器。

作为优选，所述光源提供辐射光，经准直扩束镜组后输出照明光束。

作为优选，所述波长选择单元采用光栅衍射型滤光片，通过调整光栅与光轴的夹角实现透过波长的选择。

作为优选，所述波长选择单元采用若干透射型的带通滤光片，所述带通滤光片固定在轮盘上，由一电机驱动所述轮盘旋转进行波长切换。

作为优选，所述成像对准系统还包括角度调节单元，用于将经过所述偏振调节单元的照明光束进行入射角度调整后，再经过所述第一透镜投射到所述对准标记，实现明场成像。

作为优选，所述偏振调节单元采用偏振片、磁致旋光器或电光调制器。

作为优选，所述角度调节单元包括角度偏转单元和反射棱镜。

作为优选，所述角度偏转单元沿光传播方向依次包括旋转反射镜和第二透镜，照明光束经旋转反射镜后改变方向，并汇聚到第二透镜上的后焦面上。

作为优选，所述第二透镜的后焦面与所述第一透镜的前焦面共面。

作为优选，所述成像对准系统还包括光纤环形光导或环形光阑，将经过所述偏振调节单元的照明光束转变为环形光，再经过所述第一透镜投射到所述对准标记，即采用暗场成像方式。

作为优选，对准标记上反射的照明光束（所述反射光或衍射光）经检偏器和成像镜组后入射到探测器中。

作为优选，所述探测器采用CCD或CMOS等图形探测器。

作为优选，所述信号处理与控制单元通过前馈方式或反馈方式控制所述波长选择单元和偏振调节单元。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明增加了波长选择单元和角度偏转单元/光纤环形光导，采用波长选择单元、偏振调节单元和角度偏转单元/光纤环形光导调节照明光束，针对不同工艺特性的测试对象，实现波长、偏振、角度的最优配置，增加标记图像的对比度，提高对准系统的对准成功率和测量精度。通过成像对准系统参数的优化配置，可以提高其对各种基片的工艺适应性，又由于信号处理与控制单元通过前馈或反馈方式控制波长选择单元和偏振调节单元，提高了成像对准系统的产率及自动化。

附图说明

图1为本发明实施例1的成像对准系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1的角度偏转单元光路图；

图3为本发明实施例1的照明光束在标记面反射示意图；

图4为本发明实施例1的标记上下层反射光束的偏振方向夹角随入射光偏振方向的变化示意图；

图5为本发明实施例1的标记反射信号的提取过程示意图；

图6a为本发明实施例1的表示未采用偏振调节获取的图像；

图6b为本发明实施例1的表示采用偏振调节获取的图像；

图7为本发明实施例1的成像对准系统的对准流程示意图；

图8为本发明实施例2的成像对准系统的结构示意图。

图中：10-光源、101-照明光束、102-偏振光、103-反射光或衍射光、103a-上层反射光束、103b-下层反射光束；

20-准直扩束镜组、30-波长选择单元、40-偏振调节单元、50-角度偏转单元、501-旋转反射镜、502-第二透镜、510-反射棱镜、511-第一透镜、520-基片、521-对准标记、530-光纤环形光导、60-检偏器、70-成像镜组、80-探测器、90-信号处理与控制单元、901-数据线。

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，本实施例的成像对准系统包括：光源10和沿光传播方向设置的准直扩束镜组20、波长选择单元30、偏振调节单元40、角度偏转单元50、反射棱镜510、第一透镜511以及探测器80。具体地，光源10为成像对准系统提供所需的辐射光，经准直扩束镜组20后输出照明光束101；随后照明光束101依次通过用于选择特定波长的光束的波长选择单元30、用于实现照明光束101偏振方向的调节的偏振调节单元40、用于实现照明光束101入射角度调整的角度偏转单元50，产生具有特定波长、偏振态和入射角的偏振光102；该偏振光102经反射棱镜510、第一透镜511后，投射到基片520的对准标记521上，产生的反射光或衍射光103经第一透镜511收集后通过检偏器60和成像镜组70，最后由探测器80接收。所述成像对准系统还包括信号处理与控制单元90，该信号处理与控制单元90通过数据线901与所述波长选择单元30、偏振调节单元40、角度偏转单元50以及探测器80相连，负责探测器80数据采集、传输，以及波长选择单元30、偏振调节单元40、角度偏转单元50的状态控制。

请继续参照图1，所述光源10为宽波段光源，波长范围可覆盖紫外、可见光和近红外波段。优选的宽波段光源为LED光源、氙灯或卤素灯，该光源10可以适应不同工艺的对准标记521。

所述的准直扩束镜组20用于光束的整形、匀光，产生平行的照明光束101，并保证光束在基片520上的照明视场大于对准标记521。

所述波长选择单元30实现滤光作用，允许指定的波长通过。具体地，波长选择单元30可以由多个透射型的带通滤光片组成，将这些滤光片固定在轮盘上，通过电机驱动轮盘旋转实现不同波长间的切换。作为优选，所述波长选择单元30也可采用光栅衍射型滤光片，调整光栅衍射型滤光片与光轴的夹角实现透过波长的连续变化，从而进行波长选择。

所述偏振调节单元40用于照明光束101偏振态的控制。偏振调节单元40可采用偏振片、磁致旋光器或电光调制器实现。采用偏振片时，偏振片中心位于光轴上，利用旋转电动台驱动偏振片绕光轴旋转，偏振片光轴方向决定输出光束的偏振态。

所述角度偏转单元50用于将经过所述偏振调节单元40的照明光束101进行入射角度调整后，再经过所述第一透镜511投射到所述对准标记521，即采用明场成像方式。具体地，角度偏转单元50的一种结构如图2所示，包括旋转反射镜501和第二透镜502，由F-θ扫描系统配合第一透镜511实现光束入射角的调节。具体地，照明光束101经旋转反射镜501后改变方向，并汇聚在第二透镜502的后焦面上，汇聚点离光轴的距离为y＝f₁*tanθ，其中f₁表示第二透镜502的焦距，θ表示扫描角（即照明光束101经旋转反射镜501反射后的光线与光轴的夹角）。请继续参照图2，所述第一透镜511的前焦面与第二透镜502的后焦面共面，偏振光102在对准标记521表面的入射角为θ'＝tan^-1(f₁*tanθ/f₂)。通过控制旋转反射镜501的旋转角度，改变扫描角θ，从而调节偏振光102在标记面的入射角θ'。采用如图2所示的角度偏振单元50的优点在于：当照射到标记面的光束入射角变化时，其照明视场中心始终位于光轴上。

所述的探测器80用于标记光信号转化为电信号，并完成A/D转化，输出数字图像信号。所述探测器80可以是CCD传感器或CMOS传感器。

所述的信号处理与控制单元90用于探测器80控制命令发送、图像采集传输、图像处理等；同时，所述的信号处理与控制单元90可采用前馈或反馈的方式实现波长选择单元30、偏振调节单元40、角度偏转单元50的控制调节。其中，前馈方式可以是采用理论分析或仿真计算的方法，针对待测的对准标记521，获取所需的照明波长、偏振态或入射角配置参数。所述反馈方式可以是对对准标记521进行探测，根据标记图像对比度的变化，逐步调节波长选择单元30、偏振调节单元40或角度偏转单元50，从而获取所需的照明波长、偏振态或入射角配置参数。

所述成像对准系统实现波长、偏振、角度的最优配置的原理如图3、图4所示。偏振光102在对准标记521介质层上反射后偏振态发生变化。以两层工艺结构的对准标记521为例，设定上层涂料的折射率为n₁，下层图像的介质折射率为n₂，环境空气折射率为n₀。偏振光102可分解为相互垂直的两个偏振分量S₀、P₀，根据菲涅耳公式，两个偏振分量在折射率为n₀、n₁的介质分界面的反射系数R和透射系数T分别为：

$R_s=-\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})},R_p=\frac{\tan ({\mathrm{\θ}}^{\′}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{\tan ({\mathrm{\θ}}^{\′}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}---\left(1\right)$

$T_s=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′\′}}{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})},T_p=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′\′}}{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}---\left(2\right)$

其中下标s、p对应光束两个相互垂直的偏振态，θ'和θ"分别对应光束在折射率为n₀和n₁的介质分界面的入射角和折射角，其满足关系式n₀/n₁＝sinθ"/sinθ'。

根据公式（1）和公式（2），偏振光102经上层介质反射后产生上层反射光束103a的偏振方向与入射面的夹角为

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ra}}=\arctan \left\{\frac{S_1}{P_1}\right\}=\arctan \left\{\frac{S_0\·R_s}{P_0\·R_p}\right\}=\arctan \{-\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}tan\mathrm{\α}\}---\left(3\right)$

其中，α表示偏振光102的偏振方向与入射面的夹角。偏振光102经过上层介质折射、下层介质的反射，最后从上层介质折射后产生下层反射光束103b，多次利用类似公式（1）、（2）的菲涅耳公式，可获得下层反射光束103b的偏振方向与入射面的夹角为

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{Rb}}=\arctan \{-{\cos }^2({\mathrm{\θ}}^{\′}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′\′}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′\′})}{\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′\′}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′\′})}\tan \mathrm{\α}\}---\left(4\right)$

其中，θ'"对应光束在介质n₁和n₂分界面的折射角，其满足关系式n₁/n₂＝sinθ"'/sinθ''。公式（1）-（4）对于复折射率（n+ik）的材料同样适用。

根据公式（3）和（4）可知，上层反射光束103a和下层反射光束103b的偏振方向是不同的，其不仅与折射率（波长）和入射角相关，还取决于偏振光102的偏振方向α。因此，通过配置照明光束101的波长、偏振态和入射角，可以使上、下层反射光束103a、103b的偏振方向垂直或接近垂直。例如，当折射率取n₀＝1、n₁＝1.45、n₂=4.15，入射角θ'=60°，上、下层反射光束103a、103b的偏振方向的角度差随偏振光102偏振方向α的变化如图4所示，可以看出，当α=20°，两反射光束偏振方向接近垂直（角度差约为87°）。

利用上述特性，对准标记521的图像信号提取过程如图5所示，通过波长选择单元30、偏振调节单元40、角度偏转单元50，优选出具有特定波长、偏振态、入射角的偏振光102；所述偏振光102可使对准标记521上层反射光束103a和下层反射光束103b的偏振方向相互垂直或接近垂直；在检偏器60中，当下层反射光束103b的偏振方向与检偏器60透振轴平行时，可使标记图像的下层反射光束103b通过，而抑制上层反射光束103a，提高图像的对比度。

如图6a所示，未采用偏振调节获取的图像的对比度为0.12；如图6b所示，采用偏振调节后，其获取的图像对比度为0.19，对比图提升率大于50%。其中，对比度定义为（最大光强-最小光强）/（最大光强+最小光强）。

所述成像对准系统获取波长、偏振和角度的最优配置途径分为两步。首先是针对特定的工艺基片，根据其工艺参数（包括各层的材料折射率、厚度等），采用严格耦合波或有限元分析的方法，通过仿真计算获得照明波长、偏振、角度初始配置；其次，将所述波长选择单元30、偏振调节单元40、角度偏转单元50在初始配置参数附近进行微调，信号处理与控制单元90检测对准标记图像，并根据图像质量变化对调节单元30、40、50进行反馈控制，确定最优配置参数。

对同一批的基片而言，只需对第一块基片执行照明波长、偏振态、入射角的优化配置，并将该配置保存为工艺处方，用于后续的基片对准，因此所述对准系统的优化配置过程对产率的影响可以忽略不计。

所述的基片520包括但不限于硅片、玻璃基板。

所述对准系统的对准流程如图7所示，A，首先将基片520上的对准标记521移到照明视场中心；B，然后判断该基片520是否为批中的第一块，如果不是，则依次执行如下步骤：C1，获取该基片520的照明配置的工艺处方；C2，判断当前照明配置是否与工艺处方相同，如果相同，则直接进行图像对准步骤E；C3，如果不一致，则调节照明配置，然后再执行图像对准步骤E。

如果在步骤B中，判断当前基片520为批中的第一块，则依次执行如下步骤：D1，获取该基片520的工艺参数（包括膜层结构、材料折射率、厚度等）；D2，利用仿真软件计算照明波长、偏振态、入射角的初始配置；D3，根据初始配置，调节波长、偏振、入射角的控制单元；D4，微调波长、偏振、入射角，同时信号处理与控制单元检测标记图像；D5，根据标记图像的对比度变化，确定最优配置，使图像具有较好的对比度，并将该配置保存为工艺处方，用于后续同类基片的对准；E，最后执行图像采集，并利用图像处理算法确定对准位置。

实施例2

本实施例与实施例1的区别点在于，本实施例采用光纤环形光导530代替实施例1中的角度偏振单元50和反射棱镜510。

具体如图8所示，本实施例的成像对准系统采用暗场成像方式。通过光纤环形光导530，将偏振光102转变为环形光，经过第一透镜511后，以相同的入射角投射到对准标记521。对准标记521产生的反射光或衍射光103穿过光纤环形光导530中间的通孔，进入检偏器60和成像镜组70，最后被探测器80捕获。

较佳的，光纤环形光导530可替换为环形光阑或环形照明的衍射光学元件。

综上，本发明增加了波长选择单元和角度偏转单元/光纤环形光导，采用波长选择单元、偏振调节单元和角度偏转单元/光纤环形光导调节照明光束，针对不同工艺特性的测试对象，实现波长、偏振、角度的最优配置，增加标记图像的对比度，提高对准系统的对准成功率和测量精度。通过成像对准系统参数的优化配置，可以提高其对各种基片的工艺适应性，又由于信号处理与控制单元通过前馈或反馈方式控制波长选择单元和偏振调节单元，提高了成像对准系统的产率及自动化。

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 (14)

1.一种成像对准系统，包括：光源、偏振调节单元、探测器，以及信号处理与控制单元；其特征在于，还包括沿光传播方向设置的波长选择单元，

所述光源提供照明光束，所述照明光束依次通过用于选择特定波长的光束的所述波长选择单元、用于实现照明光束偏振方向的调节的所述偏振调节单元，再经基片上方的第一透镜后投射到所述基片的对准标记上，产生反射光或衍射光再经所述第一透镜收集后，由所述探测器接收；

所述信号处理与控制单元用于从所述探测器处采集图像并处理，并对所述波长选择单元和所述偏振调节单元的状态进行控制。

2.如权利要求1所述的成像对准系统，其特征在于，所述光源采用LED光源、氙灯、卤素灯或者耦合有多个波长的光纤激光器。

3.如权利要求1所述的成像对准系统，其特征在于，所述光源提供辐射光，经准直扩束镜组后输出照明光束。

4.如权利要求1所述的成像对准系统，其特征在于，所述波长选择单元采用光栅衍射型滤光片，通过调整光栅与光轴的夹角实现透过波长的选择。

5.如权利要求1所述的成像对准系统，其特征在于，所述波长选择单元采用若干透射型的带通滤光片，所述带通滤光片固定在轮盘上，由一电机驱动所述轮盘旋转进行波长切换。

6.如权利要求1所述的成像对准系统，其特征在于，所述偏振调节单元采用偏振片、磁致旋光器或电光调制器。

7.如权利要求1所述的成像对准系统，其特征在于，还包括角度调节单元，用于将经过所述偏振调节单元的照明光束进行入射角度调整后，再经过所述第一透镜投射到所述对准标记。

8.如权利要求7所述的成像对准系统，其特征在于，所述角度调节单元包括角度偏转单元和反射棱镜。

9.如权利要求8所述的成像对准系统，其特征在于，所述角度偏转单元沿光传播方向依次包括旋转反射镜和第二透镜，所述照明光束经所述旋转反射镜后改变方向，并汇聚到所述第二透镜上的后焦面上。

10.如权利要求9所述的成像对准系统，其特征在于，所述第二透镜的后焦面与所述第一透镜的前焦面共面。

11.如权利要求1所述的成像对准系统，其特征在于，还包括光纤环形光导或环形光阑，将经过所述偏振调节单元的照明光束转变为环形光，再经过所述第一透镜投射到所述对准标记。

12.如权利要求1或11所述的成型对准装置，其特征在于，所述对准标记上反射的所述反射光或衍射光经检偏器和成像镜组后入射到探测器中。

13.如权利要求1或11所述的成像对准系统，其特征在于，所述探测器采用CCD或CMOS。

14.如权利要求1或11所述的成像对准系统，其特征在于，所述信号处理与控制单元通过前馈方式或反馈方式控制所述波长选择单元和偏振调节单元。