CN107342239A - 一种对准测量装置和一种对准系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种对准测量装置和一种对准系统及方法，在成像透镜与探测装置之间设置了微透镜阵列，调整微透镜阵列即可使不同焦距处的测量对象的光线到达探测装置探测面的不同位置上，这样在信号探测装置上可以形成位于不同景深的测量对象的图像，将这些不同景深的测量对象的图像经过运算单元运算后即可得到不同景深的测量对象所在的位置，该位置包括水平坐标和垂直坐标，这样在对准系统中，可使用控制系统根据运算得到的测量对象所在的位置控制移动平台移动，使得所有的测量对象对准。该装置和方法能够只需成像一次即可计算得到不同景深测量对象所在的位置，无需多次扫描成像，因此操作简单方便，省时省力。

Description

一种对准测量装置和一种对准系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种对准测量装置和一种对准系统及方法。
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。
现有的基于成像的工件对准方式只能获取单个像面的光强信息，景深较小，如果想要获得不同焦面处的标记信息，只能采用逐次调焦，扫描成像的方式。扫描过程通常需要一定的时间，因此，获取信息的时效性较差，对于位置、形貌等处于快速运动变化中的物体或标记无法进行有效的探测。另外，调焦使用的调焦装置结构较为复杂，扫描成像时易引入对准误差。
现有的接近式工件对准中也有利用微透镜将基板上的对准标记成像至掩模面，用CCD相机观察掩模面标记和基片标记通过微透镜的所形成的像，来进行对准。在该装置中，需要在对准时，在基板与掩模版之间添加一组微透镜阵列，对准完成后，还需要将微透镜阵列移出才能进行曝光，从而增加了装置与工艺流程的复杂性。再者，对于不同间距的基板和掩模，需要设计不同类型的微透镜阵列，增加了成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种对准测量装置，包括
一照明光源，提供照明光；
一成像透镜，使照明光向测量对象的方向照射，并改变从测量对象上反射出的光线的方向；
一微透镜阵列，位于所述成像透镜与所述探测装置之间，其被调整后使透过所述成像透镜的光分别入射至探测装置探测面的不同位置处，；
一信号探测装置，接收透过所述成像透镜及微透镜阵列向所述信号探测装置方向发射的光线并成像；
一运算单元，与所述信号探测装置电路连接，根据所述信号探测装置的成像信息，计算得到位于不同高度的所述测量对象的位置信息，所述位置信息是通过在后端解调处理中，利用傅里叶切片成像原理，恢复不同景深的标记图像获得的。
作为优选，所述标记图像通过如下公式获得：
其中，Pα为所求景深位置的图像，为缩放尺度，为二维傅里叶逆变换，为四维傅里叶变换，为切片矩阵，其将四维函数降维为二维，为所求景深处变换矩阵的逆矩阵，βα为切片算子。
作为优选，所述信号探测装置具有探测面，且所述信号探测装置在所述探测面上成像。
作为优选，所述信号探测装置为CCD相机或者CMOS相机。
本发明还提供一种对准系统，包括
如上所述的对准测量装置；
至少两个移动平台，每个所述移动平台上各放置一个所述测量对象；
一控制系统，分别与所述运算单元和所述移动平台电路连接，根据所述运算单元的计算结果移动所述移动平台，直至所有移动平台上测量对象对准。
本发明还提供一种对准方法，包括如下步骤：
步骤一：提供如上所述的对准系统，在所述测量对象上设有对准标记；
步骤二：由所述对准测量装置将所有所述测量对象上的对准标记成像并计算位置信息；
步骤三：由控制系统根据所述位置信息使所述移动平台移动直至所有所述测量对象上的对准标记对准。
作为优选，步骤二中由所述对准测量装置将所有所述测量对象上的对准标记成像并计算位置信息的过程具体为：所述照明光源提供的照明光经过所述成像透镜、到达所有测量对象上的对准标记处，并由该处反射形成反射光，所述反射光依次经过所述成像透镜、微透镜阵列到达所述信号探测装置并成像，所述信号探测装置将成像信息发送至所述运算单元，所述运算单元计算不同测量对象上的对准标记的位置信息。
作为优选，步骤二中所述位置信息是通过在后端解调处理中，利用傅里叶切片成像原理，恢复不同景深的标记图像获得的。
作为优选，所述标记图像通过如下公式获得：
其中，Pα为所求景深位置的图像，为缩放尺度，为二维傅里叶逆变换，为四维傅里叶变换，为切片矩阵，其将四维函数降维为二维，为所求景深处变换矩阵的逆矩阵，βα为切片算子。
本发明还提供一种光刻方法，提供如上所述的对准系统，使用如上所述的对准方法使掩膜版与基板对准，并进行曝光。
本发明还提供一种键合方法，提供如上所述的对准系统，使用如上所述的对准方法使所有的键合对象对准，并进行键合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在提供的对准测量装置中，在成像透镜与探测装置之间设置了微透镜阵列，调整微透镜阵列即可使不同焦距处的测量对象的光线到达探测装置探测面的不同位置上，这样在信号探测装置上可以形成位于不同景深的测量对象的图像，将这些不同景深的测量对象的图像经过运算单元运算后即可得到不同景深的测量对象所在的位置，该位置包括水平坐标和垂直坐标，这样在对准系统中，可使用控制系统根据运算得到的测量对象所在的位置控制移动平台移动，使得所有的测量对象对准。该装置和方法能够只需成像一次即可计算得到不同景深测量对象所在的位置，无需多次扫描成像，因此操作简单方便，省时省力。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的对准测量装置结构示意图；
图2为本发明实施例一对准测量装置的工作原理图；
图3为本发明实施例一探测器在理想焦面外时探测面和瞳面上的光线分布关系；
图4为本发明实施例一探测器在理想焦面内时探测面和瞳面上的光线分布关系；
图5为本发明实施例一不同焦面处光强分布坐标转换图；
图6为本发明实施例一对准测量装置理想焦面和实际物面成像规律示意图；
图7为本发明实施例一提供的对准系统结构示意图；
图8为本发明实施例一对准方法流程图；
图9为本发明实施例一提供的包含有对准系统的光刻系统结构示意图；
图10为本发明实施例一中测量对象示意图；
图11为本发明实施例二中测量对象示意图；
图12为本发明实施例三中测量对象示意图。
图中：1-照明光源、2-成像透镜、21-瞳面、22-理想焦面、23-实际物面、3-信号探测装置、31-探测面、4-运算单元、5-微透镜阵列、6-移动平台、61-上层移动平台、62-下层移动平台、7-测量对象、71-掩膜版、72-基板、73-工件上部分、74-工件下部分、75-薄膜导线、751-电线一、76-印刷电路板、761-电线二、77-套刻工件一、78-套刻工件二、8-控制系统、9-光刻机；
M1-套刻外框标记、M2-套刻内标记、M3-上部分对准标记、M4-下部分对准标记。
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。
实施例一
请参照图1与图2，本发明提供一种对准测量装置，该装置放置于与测量对象7对应之处，用于对准测量测量对象7，按照光路的走向，该装置依次包括
一照明光源1，为对准测量提供照明光；
一成像透镜2，将照明光束投射至测量对象7，并收集测量对象反射的反射光线；
一微透镜阵列5，位于所述成像透镜2与所述信号探测装置3之间，用来调整通过成像透镜的入射光线(入射光场)，将光线调制后，成像至信号探测装置；；一信号探测装置3，本实施例中，信号探测装置3为CCD相机或者CMOS相机，该信号探测装置3上具有用于成像的探测面31；
一运算单元4，与所述信号探测装置3电路连接。
请参照图2，对于该对准测量装置，光路的走向为，照明光源1发出照明光，照明光通过成像透镜2、到达测量对象7上，然后测量对象7将上述到达测量对象7的照明光反射形成反射光，然后依次通过成像透镜2、微透镜阵列5、信号探测装置3并在探测面31上成像，通过微透镜阵列5对成像光线进行调制，使得不同焦面处的图像，按照一定规律分布在探测面31，最终通过运算单元对探测器上的图像分布进行解调，可还原出不同焦面处的被测对象图像。总体效果相当于每个微透镜的景深进行叠加形成的图像的景深大于单个成像透镜2形成的图像的景深，此外由于每个微透镜的焦面相异，在探测面31上形成的图像为每个微透镜所对应的景深范围内形成的图像拼接形成的。
而运算单元4根据探测面31上显示的图像，可以计算不同焦面上的物体的位置信息，具体原理如下：
请参照图3和图4，由于测量对象7上的不同焦面与探测面31的距离不同，在没有微透镜阵列5的作用情况下，若探测面31不位于成像的最佳焦面，即理想焦面22，分为两种情况，一种探测面31位于理想焦面22之内，另一种即位于理想焦面22之外，请参照图3，在成像透镜2的瞳面上建立UV坐标系，在探测面31上建立XY坐标系，当探测面31位于理想焦面22之内时，在探测面31上的光线分布与成像透镜2的瞳面光线的分布呈正线性关系，而在图4中，探测面31位于理想焦面22之外时，上述两种光线分布呈负线性关系，基于上述原理，可通过计算探测面31上的光强分布，来获取不同焦面处的图像。
根据上述成像理论，通过成像透镜2的瞳面，最终入射到探测面31的光强可表示为：
其中：x，y为探测面31上的坐标，u，v为瞳面坐标，F为探测面31至瞳面的距离，θ为入射光线相对于成像面的角度，cos4θ代表由角度引起的光强衰减因子，LF(x，y，u，v)为关于探测面31坐标、瞳面坐标的四维光线分布函数。
在得到上述探测面31的光强分布后，可根据不同焦面处的光强分布得到其它焦面处的光强分布，具体请参照图5，在成像面上建立X’Y’平面坐标系，与该平面相交于x’点的光线，将与XY平面即探测面31相交于u+(x’-u)F/F’；同理，与成像面上相交于y’点的光线，将与探测面31相交于v+(v’-u)F/F’；因此：
基于上述原理，在图6中，实际物面23并不位于理想焦面22处，因此当光线从实际物面23处反射并依次通过成像物镜2、微透镜阵列5入射到探测面31上的图像，与光线从理想焦面22处反射并依次通过成像透镜2、微透镜阵列5入射到探测面31上的图像分布之间存在一定的规律，上述规律可以通过傅里叶切片成像原理得到所求焦面位置的图像：
其中，Pα为所求该焦面位置的图像，为缩放尺度，为二维傅里叶逆变换，为四维傅里叶变换，为切片矩阵，其将四维函数降维为二维，为所求景深处变换矩阵的逆矩阵，βα为切片算子，作用于频域，用来从光场的频谱中提取出某焦距处图像的傅里叶频谱。。
运算单元4通过解调，将探测面31上调制的图像分布还原成所求该焦面位置的图像，进而可计算得到该焦面位置图像上的点的平面坐标。
本发明还提供一种对准系统，请参照图7，包括
如上所述的对准测量装置；
至少两个移动平台6，每个所述移动平台6上各放置一个所述测量对象7；
一控制系统8，分别与所述运算单元4和所述移动平台6电路连接，根据所述运算单元4的计算结果，计算两个测量对象7对准时，每个测量对象7需要移动的距离，然后控制所述移动平台6的移动，直至所有移动平台6上测量对象7对准。
请参照图8和图1，本发明还提供一种对准方法，包括如下步骤：
步骤一：提供如上所述的对准系统，在所述测量对象7上设置对准标记；
步骤二：将对准标记移动至对准系统的视场范围内，打开照明光源1，由所述对准测量装置将所有所述测量对象7上的对准标记成像并计算位置信息，具体为所述照明光源1提供的照明光经过所述成像透镜2到达所有测量对象上7的对准标记处，并由该处反射形成反射光，所述反射光依次经过所述成像透镜2、所述微透镜阵列5、到达所述信号探测装置3并成像。由于每个测量对象7上的对准标记皆位于不同的高度，则其具有不同的实际物面23，相对于成像透镜2来说，其位于不同焦面处，此外每个微透镜的焦面也不同，则光线经过成像透镜2和每个微透镜后成像的理想焦面22也不同，则在探测面31上形成的图像为具有不同理想焦面22和不同实际物面23的图像拼接形成，收集处于探测面31上受微透镜调制分布图像，所述运算单元4根据前述傅里叶切片成像原理而解调计算得到位于不同焦面上的多幅清晰标记的图像，并计算对准标记的实际平面坐标，尤其是对准标记中心的实际平面坐标；
步骤三：由控制系统8根据所述运算单元4的计算结果，计算两个测量对象7对准时，每个测量对象7需要移动的距离，然后控制所述移动平台6的移动，直至所有移动平台6上测量对象7对准。
请参照图9与图7，在光刻中，需要将掩膜版71与基板72对准后才能进行光刻，在掩膜版71上设置有掩模对准标记，在基板72上设置有基板对准标记，使用如图10所示的光刻系统中，将掩膜版71放置在上层移动平台61(或者掩膜台)上，基板72放置在下层移动平台62(或者工件台)上，使用上述对准系统和对准方法将掩模对准标记与基板对准标记对准后，进行光刻。
较佳地，请参照图10，还可在掩膜版71上设置套刻外框标记M1和套刻内标记M2，使用上述对准系统对准方法，将套刻外框标记M1和套刻内标记M2对准，保证了套刻精度。
由此可见，使用上述对准系统和对准方法只需成像一次至信号探测装置3上，即可得到不同微透镜焦面对应景深所形成的图像，然后通过运算单元4根据上述图像计算不同焦面上图像中的点的坐标，无需多次扫描成像，无需在基板和掩膜版之间加入微透镜阵列，因此结构简化、操作方便，省时省力。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，请参照图11，将对准系统用于键合硅片或者工件中，则提供了一种键合方法，将工件上部分73和工件下部分74分别放置两个高度不同的移动平台6上，两个待键合的硅片上皆形成有用于键合的对准标记，为上部分对准标记M3和下部分对准标记M4，然后使用上述对准系统将上部分对准标记M3和下部分对准标记M4，然后进行键合，使得工件上部分73和工件下部分74连接固定。
实施例三
本实施例与实施例一的区别在于，测量对象7如图12所示，测量对象7为两个需要连接固定的工件，一个工件为带有导线接口的薄膜导线75，另一个可以是带有焊点的印刷电路板76，使用上述对准系统将薄膜导线75上的电线一751和印刷电路板76上的电线二761对准，然后按照工艺要求将薄膜导线75和印刷电路板76连接固定。
本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例。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)

1.一种对准测量装置，其特征在于，包括
一照明光源，提供照明光；
一成像透镜，使照明光向测量对象的方向照射，并改变从测量对象上反射出的光线的方向；
一微透镜阵列，位于所述成像透镜与所述探测装置之间，其被调整后使透过所述成像透镜的光分别入射至探测装置探测面的不同位置处，；
一信号探测装置，接收透过所述成像透镜向所述信号探测装置方向发射的光线并成像；
一运算单元，与所述信号探测装置电路连接，根据所述信号探测装置的成像信息，计算得到位于不同高度的所述测量对象的位置信息，所述位置信息是通过在后端解调处理中，利用傅里叶切片成像原理，恢复不同景深的标记图像获得的。
2.如权利要求1所述的对准测量装置，其特征在于，所述标记图像通过如下公式获得：
其中，Pα为所求景深位置的图像，为缩放尺度，为二维傅里叶逆变换，为四维傅里叶变换，为切片矩阵，其将四维函数降维为二维，为所求景深处变换矩阵的逆矩阵，βα为切片算子。
3.如权利要求1所述的对准测量装置，其特征在于，所述信号探测装置具有探测面，且所述信号探测装置在所述探测面上成像。
4.如权利要求1所述的对准测量装置，其特征在于，所述信号探测装置为CCD相机或者CMOS相机。
5.一种对准系统，其特征在于，包括
如权利要求1所述的对准测量装置；
至少两个移动平台，每个所述移动平台上各放置一个所述测量对象；
一控制系统，分别与所述运算单元和所述移动平台电路连接，根据所述运算单元的计算结果移动所述移动平台，直至所有移动平台上测量对象对准。
6.一种对准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：提供如权利要求5所述的对准系统，在所述测量对象上设有对准标记；
步骤二：由所述对准测量装置将所有所述测量对象上的对准标记成像并计算位置信息；
步骤三：由控制系统根据所述位置信息使所述移动平台移动直至所有所述测量对象上的对准标记对准。
7.如权利要求6所述的对准方法，其特征在于，步骤二中由所述对准测量装置将所有所述测量对象上的对准标记成像并计算位置信息的过程具体为：所述照明光源提供的照明光经过所述成像透镜、到达所有测量对象上的对准标记处，并由该处反射形成反射光，所述反射光依次经过所述成像透镜、微透镜阵列到达所述信号探测装置并成像，所述信号探测装置将成像信息发送至所述运算单元，所述运算单元计算不同测量对象上的对准标记的位置信息。
8.如权利要求6或7所述的对准方法，其特征在于，步骤二中所述的位置信息是通过在后端解调处理中，利用傅里叶切片成像原理，恢复不同景深的标记图像获得的。
9.如权利要求8所述的对准方法，其特征在于，所述标记图像通过如下公式获得：
其中，Pα为所求景深位置的图像，为缩放尺度，为二维傅里叶逆变换，为四维傅里叶变换，为切片矩阵，其将四维函数降维为二维，为所求景深处变换矩阵的逆矩阵，βα为切片算子。
10.一种光刻方法，其特征在于，提供如权利要求5所述的对准系统，使用如权利要求6所述的对准方法使掩膜版与基板对准，并进行曝光。
11.一种键合方法，其特征在于，提供如权利要求5所述的对准系统，使用如权利要求6所述的对准方法使所有的键合对象对准，并进行键合。
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