CN106483777A - 一种具有调焦功能的对准系统及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有调焦功能的对准系统及对准方法，该系统包括对准成像单元、信号处理及控制单元以及用于承载硅片的工件台，硅片上设有对准标记，对准成像单元包括照明单元、具有相位差的相移标记及探测单元，探测单元用于探测硅片上的对准标记的成像信息和探测相移标记的成像信息，相移标记与最佳焦面处的硅片面为成像共轭关系；信号处理及控制单元对相移标记的成像信息进行处理，得到对准成像单元的离焦信息，并根据离焦信息和对准标记的成像信息控制工件台垂向运动，将工件台上的对准标记运动至最佳焦面位置。本发明采用具有一定相位差的相移标记以成像的方式进行自动调焦，把离焦量转化为相移标记成像的水平向移动，提高了对准系统适应能力。

Description

一种具有调焦功能的对准系统及对准方法

技术领域

本发明涉及光刻设备领域，尤其涉及一种具有调焦功能的对准系统及对准方法。

背景技术

在半导体IC集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行精确定位，这样才能保证每一层图形之间有正确的相对位置，即套刻精度。通常情况下，套刻精度为光刻机分辨率指标的1/3～1/5，对于100nm的光刻机而言，套刻精度指标要求小于35nm。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一，而掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素，当特征尺寸CD要求更小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对准精度的要求变得更加严格，如90nm的CD尺寸要求10nm或更小的对准精度。

对准系统为光刻机中重要的分系统之一，其不仅面临着日益增加的对准精度的要求，还会受到半导体加工工艺，如涂胶、溅射、电路图案的诸多影响，使得对准标记图像噪声增加、边缘变模糊，从而影响软件对对准位置的计算精度。

又如在半导体器件先进封装制程中实现多层堆叠的二维平面器件的集成，对硅片图案的双面对准提出了更高的要求，目前，通常使用机器视觉的原理进行穿透式的背面对准技术，其原理如图1所示，光源1发出的红外光线经对准镜头2入射至硅片3的表面，红外光线穿透硅片3照射至硅片3背面的对准标记4，经对准标记4的反射，再次经过对准镜头2，并最终在CCD5上成像，根据CCD5所成的像进行硅片3的定位，但是，由于需要用红外光线穿透硅片3的方式进行背面对准，影响对准精度。

发明内容

本发明提供一种具有调焦功能的对准系统及对准方法，以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有调焦功能的对准系统，包括：对准成像单元、信号处理及控制单元以及用于承载硅片的工件台，所述硅片上设有对准标记，所述对准成像单元包括照明单元、具有相位差的相移标记以及探测单元，其中，所述探测单元用于探测所述硅片上的对准标记的成像信息和探测所述相移标记的成像信息，所述相移标记与最佳焦面处的硅片面为成像共轭关系；

所述信号处理及控制单元对所述相移标记的成像信息进行处理，得到所述对准成像单元的离焦信息，并根据所述离焦信息和所述对准标记的成像信息控制所述工件台垂向运动，将工件台上的对准标记运动至最佳焦面位置。

较佳地，所述相移标记设于玻璃基底上，所述相移标记包括不透光层和相移层，所述相移层与所述玻璃基底存在相位差。

较佳地，所述相位差优选为π/2。

较佳地，所述探测单元包括第一探测器和第二探测器，所述对准成像单元还包括：

第一分束单元，使照明光轴与成像光轴垂直布置并分光；

第二分束单元，将所述对准标记的反射光与相移标记的反射光进行分离探测；

用于光转向的转向单元以及滤光片；

所述照明单元发出的光经所述相移标记后被所述第一分束单元反射，反射光经所述转向单元偏置后照亮所述硅片上的对准标记，经所述对准标记反射后再入射至所述转向单元转向，之后依次经过所述第一分束单元和所述第二分束单元进行分光，一部分光被所述第一探测器所接收，用于得到所述对准标记的成像信息，另一部分光经所述滤光片滤除所述对准标记的反射光后被所述第二探测器接收，用于得到所述相移标记的成像信息。

较佳地，所述照明单元包括第一照明组和第二照明组，所述第一照明组提供适于相移标记成像的光，所述第二照明组提供适于对准标记成像的光；

所述对准成像单元还包括：

第一分束单元；

第二分束单元，使照明光轴与成像光轴垂直布置并分光；

以及转向单元；

所述第一照明组发出的照明光经所述相移标记后，依次被所述第一分束单元和所述第二分束单元反射，再经所述转向单元偏置后入射到所述硅片上，之后经所述硅片反射后的反射光再依次经所述转向单元、第二分束单元后被所述探测单元接收，得到所述相移标记的成像信息；

所述第二照明组发出的光依次经所述第一分束单元分束、所述第二分束单元反射，之后经所述转向单元偏置后照亮所述硅片上的对准标记；所述对准标记的反射光再经所述转向单元、第二分束单元后被所述探测单元接收，得到所述对准标记的成像信息。

较佳地，所述照明单元包括照明光源、波长选择单元及照明镜组。

较佳地，所述照明光源为非单色光源。

较佳地，所述探测单元包括成像传感器，所述成像传感器为面阵列、线阵列或探测点组合的形式。

本发明还提供了一种具有调焦功能的对准方法，应用于如上所示的对准系统中，包括如下步骤：

A：所述工件台运动到调焦工作位置；

B：开启所述照明单元；

C：所述对准成像单元获取所述硅片上的对准标记和所述相移标记的成像信息，并将所述成像信息发送至信号处理及控制单元；

D：所述信号处理及控制单元根据所述相移标记的成像信息得到所述对准成像单元的离焦量和离焦方向，并控制所述工件台垂向运动，使所述硅片处于最佳焦面位置；

E：进行对准流程。

较佳地，所述工件台运动到调焦工作位置具体为，水平移动所述工件台，将所述对准标记移至所述相移标记的成像位置，使两标记至少部分区域重合。

与现有技术相比，本发明提供的一种具有调焦功能的对准系统及对准方法，本发明采用具有一定相位差的相移标记以成像的方式进行自动调焦，直接把离焦量转化为相移标记成像的水平向移动，从而快速精准的搜索对准镜头的最佳物面，提高对准系统对复杂工艺、温度变化等情况的适应能力。

附图说明

图1为现有的对准系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一中的具有调焦功能的对准系统的结构示意图；

图3a和3b分别为硅片对准标记的结构示意图；

图4a和4b分别为相移标记的结构示意图；

图5本发明以具体实施方式中的具有调焦功能的对准方法的流程示意图；

图6为利用相移标记成像测量离焦量的光路原理图；

图7a和7b分别为相移标记的布局图；

图8a和8b分别为自动调焦过程中对准标记成像和相移标记成像的位置关系示意图；

图9为相移标记的位移与离焦量的关系示意图；

图10为本发明实施例二中的具有调焦功能的对准系统的结构示意图。

图1中：1-光源、2-对准镜头、3-硅片、4-对准标记、5-CCD；

图2-8中：100-对准成像单元、200-信号处理及控制单元、300-工件台、400-硅片、410-对准标记；

110-照明光源、111-波长选择单元、112-第一照明镜组、113-相移标记、113a-玻璃基底、113b-不透光层、113c-相移层、114-第二照明镜组、115-第一分束器、116-第三照明镜组、117-转向单元；

121-第二分束器、122-第一成像镜组、123-第一探测器、124-滤光片、125-第二成像镜组、126-第二探测器。

图10中：

524-第一照明光源、523-第一波长选择单元、522-第一照明镜组、521-相移标记、510-第二照明光源、511-第二波长选择单元、512-第二照明镜组、513-第一分束器、514-第三照明镜组、515-第二分束器、516-第四照明镜组、517-转向单元、518-成像镜组、519-探测器。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例1

本发明提供的一种具有调焦功能的对准系统，如图2所示，包括：对准成像单元100、信号处理及控制单元200以及用于承载硅片400的工件台300，硅片400上设有对准标记410，对准成像单元100包括照明光源110、相移标记113以及第一、第二探测器123、126，具体地，请参考图4a和4b，相移标记113设置在玻璃基底113a上，相移标记113包括不透光层113b和与玻璃基底113a存在相位差的相移层113c，相位差优选为π/2；第一探测器123用于探测硅片400上的对准标记410的成像信息，第二探测器126用于探测相移标记113(包括不透光层113b和相移层113c)的成像信息；信号处理及控制单元200对相移标记113的成像信息进行处理，得到对准成像单元100的离焦信息，并根据离焦信息和对准标记410的成像信息控制工件台300垂向运动，将工件台300上的对准标记410运动至最佳焦面位置，相移标记113与最佳焦面处的硅片面为成像共轭关系。本发明采用具有一定相位差的相移标记113以成像的方式进行自动调焦，直接把离焦量转化为相移标记113成像的水平向移动，从而快速精准的搜索对准镜头的最佳物面，提高对准系统对复杂工艺、温度变化等情况的适应能力。

较佳地，请继续参考图2，对准成像单元100还包括：波长选择单元111，进行光源波长及带宽选择；第一、第二、第三照明镜组112、114、116，为对准标记410提供照明；第一分束器115，使照明光轴与成像光轴垂直布置并分光；第二分束器121，将对准标记410的反射光与相移标记的反射光进行分离探测；第一、第二成像镜组122、125；用于转向的转向单元117；以及用于滤光的滤光片124；具体地，

照明光源110发出的光依次经波长选择单元111、第一照明镜组112、相移标记113、第二照明镜组114后被第一分束器115反射，反射光经第三照明镜组116和转向单元117照亮硅片400上的对准标记410；相移标记113被对准标记410反射，反射光与对准标记410的反射光再次经转向单元117、第三照明镜组116、第一分束器115后入射至第二分束器121分光，一部分光经第一成像镜组122后被第一探测器123所接收，用于得到对准标记410的成像信息，另一部分光经滤光片124滤除对准标记410的反射光后被第二探测器126接收，用于得到相移标记113的成像信息。

较佳地，第一、第二探测器123、126为成像传感器，具体为面阵列、线阵列或探测点组合的形式；照明光源110为具有一定带宽的可见光光源或红外光源等非单色光源，相对应的，滤光片124对应选取适于相移标记113成像的波段的光。

请重点参考图3a和3b，本发明适于硅片400背面和正面的对准标记410的对准。

请重点参考图5，本发明还提供了一种具有调焦功能的对准方法，应用于如上所述的对准系统中，包括如下步骤：

A：工件台300运动到调焦工作位置；

B：开启照明光源110；

C：对准成像单元100获取硅片400上的对准标记410和相移标记113的成像信息，并将成像信息发送至信号处理及控制单元200；

D：信号处理及控制单元200根据相移标记113的成像信息得到对准成像单元100的离焦量和离焦方向，控制工件台300进行自动调焦，即控制工件台300垂向运动，使硅片400处于最佳焦面位置；

E：进行对准流程。

较佳地，工件台300运动到调焦工作位置具体为，水平移动工件台300，将对准标记410移至相移标记113的成像位置，使两标记成像至少部分区域重合。具体地，相移标记113的布局如图7a和7b所示，由图7b可知，相移标记113上布局多个相移标记113时，可同时测量多个点的离焦位置信息，但相移标记113的排布形式包括但不限于图7a和7b中的两种形式。对准标记410成像与相移标记113成像至少部分区域重合的情况也包括但不限于图8a和8b所示的两种情况。

具体地，利用相移标记113测量对准标记的离焦的原理如下：

请重点参考图4a和4b，玻璃基底113a其他可透光部分的相位为零，相移层113c与玻璃基底113a之间存在相位差，通过相位差与相移层113c的厚度a、折射率n的关系，即选择合适的相移层113c，其中λ为入射到相移标记113上光源的波长。

较佳地，相位差优选为π/2。

继续参考图6，焦距分别为f₁、f₂的透镜组成的对准成像单元100，该对准成像单元100的传递函数为h(x',f₂·x/f₁)，相移标记113上的不同点x₁、x₂经过该对准成像单元100在像面上相干叠加，成像面上的一维光强分布为：

I_out(x')＝E_out(x')²＝A₁ ²h(x',f₂·x₁/f₁)²+A₂ ²h(x',f₂·x₂/f₁)²+....

A₁A₂Re{exp(iΔz)·exp(i(π/2))·h^*(x',f₂·x₁/f₁)·h(x',f₂·x₂/f₁)}，

其中，Δz为对准成像单元100的离焦量，A₁为相移标记113x₁点光的振幅，A₂为相移标记113x₂点光的振幅，x'为像面点的坐标位置，h^*(x',f₂·x/f₁)为h(x',f₂·x/f₁)的复共轭函数。

通过以上原理可得到对准成像单元100离焦量Δz与相移标记113成像位置变化、成像面光强之间的关系，如图9所示，离焦量为±3μm时成像面上的光强随相移标记113位移量的变化情况：当对准成像单元100处于最佳焦面位置时，相移标记113在成像面上的一维光强分布是以像面固定坐标左右对称的，当发生单方向的离焦(如+3μm或-3μm)时，相移标记113的光强分布将发生变形，相对于像面固定坐标单方向的平移(离焦+3μm时左移，离焦-3μm时右移)，其平移量与离焦量Δz相关，因此在通过系统标定后，实际应用中只需测量一次就可以根据相移标记113成像位置平移量获得对准成像单元100的离焦量，从而进行最佳焦面的调整。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：对准成像单元100的具体结构组成不同，实施例二的对准成像单元100包括两个照明光源和一个探测器，具体地，如图10所示，对准成像单元100包括：第一、第二照明光源524、510；第一、第二波长选择单元523、511，进行波长及带宽选择；第一、第二、第三、第四照明镜组522、512、514、516，为对准标记410提供照明；第一、第二分束器513、515；成像镜组518；用于转向的转向单元517以及探测器519。

具体地，第一照明光源524发出的光依次经第一波长选择单元523、第一照明镜组522、相移标记521后被第一分束器513反射，反射光经第三照明镜组514后被第二分束器515反射，再经第四照明镜组516、偏向单元517偏置后入射到硅片400上，相移标记521被对准标记410反射，反射光经转向单元517、第四照明镜组516、第二分束器515及成像镜组518后被探测器519接收，用于得到相移标记521的成像信息；

第二照明光源510发出的光依次经第二波长选择单元511、第二照明镜组512、第一分束器513、第三照明镜组514后被第二分束器515反射，反射光经第四照明镜组516、转向单元517偏置后照亮硅片400上的对准标记410，对准标记410的反射光经转向单元517、第四照明镜组516、第二分束器515及成像镜组518后被探测器519接收，用于探测对准标记410的成像信息。

本实施例中，相移标记521与对准标记410分别采用不同的照明单元进行照明，采用相同的探测器519进行成像接收，探测器519在对准与调焦工作时进行切换，分别得到相移标记521和对准标记410的成像信息。

综上所述，本发明提供的一种具有调焦功能的对准系统及对准方法，本发明采用具有一定相位差的相移标记以成像的方式进行自动调焦，直接把离焦量转化为相移标记成像的水平向移动，从而快速精准的搜索对准镜头的最佳物面，提高对准系统对复杂工艺、温度变化等情况的适应能力。

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)

1.一种具有调焦功能的对准系统，包括：对准成像单元、信号处理及控制单元以及用于承载硅片的工件台，所述硅片上设有对准标记，其特征在于，所述对准成像单元包括照明单元、具有相位差的相移标记以及探测单元，其中，所述探测单元用于探测所述硅片上的对准标记的成像信息和探测所述相移标记的成像信息，所述相移标记与最佳焦面处的硅片面为成像共轭关系；

所述信号处理及控制单元对所述相移标记的成像信息进行处理，得到所述对准成像单元的离焦信息，并根据所述离焦信息和所述对准标记的成像信息控制所述工件台垂向运动，将工件台上的对准标记运动至最佳焦面位置。

2.如权利要求1所述的一种具有调焦功能的对准系统，其特征在于，所述相移标记设于玻璃基底上，所述相移标记包括不透光层和相移层，所述相移层与所述玻璃基底存在相位差。

3.如权利要求1或2所述的一种具有调焦功能的对准系统，其特征在于，所述相位差优选为π/2。

4.如权利要求1所述的一种具有调焦功能的对准系统，其特征在于，所述探测单元包括第一探测器和第二探测器，所述对准成像单元还包括：

第一分束单元，使照明光轴与成像光轴垂直布置并分光；

第二分束单元，将所述对准标记的反射光与相移标记的反射光进行分离探测；

用于光转向的转向单元以及滤光片；

所述照明单元发出的光经所述相移标记后被所述第一分束单元反射，反射光经所述转向单元偏置后照亮所述硅片上的对准标记，经所述对准标记反射后再入射至所述转向单元转向，之后依次经过所述第一分束单元和所述第二分束单元进行分光，一部分光被所述第一探测器所接收，用于得到所述对准标记的成像信息，另一部分光经所述滤光片滤除所述对准标记的反射光后被所述第二探测器接收，用于得到所述相移标记的成像信息。

5.如权利要求1所述的一种具有调焦功能的对准系统，其特征在于，所述照明单元包括第一照明组和第二照明组，所述第一照明组提供适于相移标记成像的光，所述第二照明组提供适于对准标记成像的光；

所述对准成像单元还包括：

第一分束单元；

第二分束单元，使照明光轴与成像光轴垂直布置并分光；

以及转向单元；

所述第一照明组发出的光经所述相移标记后，依次被所述第一分束单元和所述第二分束单元反射，再经所述转向单元偏置后入射到所述硅片上，之后经所述硅片反射后的反射光再依次经所述转向单元、第二分束单元后被所述探测单元接收，得到所述相移标记的成像信息；

所述第二照明组发出的光依次经所述第一分束单元分束、所述第二分束单元反射，之后经所述转向单元偏置后照亮所述硅片上的对准标记；所述对准标记的反射光再经所述转向单元、第二分束单元后被所述探测单元接收，得到所述对准标记的成像信息。

6.如权利要求1所述的一种具有调焦功能的对准系统，其特征在于，所述照明单元包括照明光源、波长选择单元及照明镜组。

7.如权利要求6所述的一种具有调焦功能的对准系统，其特征在于，所述照明光源为非单色光源。

8.如权利要求1所述的一种具有调焦功能的对准系统，其特征在于，所述探测单元包括成像传感器，所述成像传感器为面阵列、线阵列或探测点组合的形式。

9.一种具有调焦功能的对准方法，应用于如权利要求1所示的对准系统中，其特征在于，包括如下步骤：

A：所述工件台运动到调焦工作位置；

B：开启所述照明单元；

C：所述对准成像单元获取所述硅片上的对准标记和所述相移标记的成像信息，并将所述成像信息发送至信号处理及控制单元；

D：所述信号处理及控制单元根据所述相移标记的成像信息得到所述对准成像单元的离焦量和离焦方向，并控制所述工件台垂向运动，使所述硅片处于最佳焦面位置；

E：进行对准流程。

10.如权利要求9所述的一种具有调焦功能的对准方法，其特征在于，所述工件台运动到调焦工作位置具体为，水平移动所述工件台，将所述对准标记移至所述相移标记的成像位置，使两标记至少部分区域重合。