TWI614823B - 雙層對準裝置和雙層對準方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係揭露一種雙層對準裝置，包含固定框架及設置在固定框架上的第一測量裝置及標記板，標記板設置有框架固定標記；運動台以及設置於運動台上的基準標記、運動台標記，和第二測量裝置；藉由第一測量裝置測量基準標記和運動台標記的相對位置關係，藉由第二測量裝置測量基準標記和框架固定標記的相對位置關係，從而獲得運動台標記和框架固定標記的最終相對位置關係，並根據最終相對位置關係移動運動台至設定位置。本發明相應地還提供一種雙層對準方法，系統中只有運動台是運動部件。使用靜態標定方法實現座標關係標定，標定精度不受運動台定位精度影響，可以提高對準精度。使用雙鏡頭或多鏡頭設計，配置靈活並能提高對準效率。

Description

雙層對準裝置和雙層對準方法
本發明關於一種光刻技術領域，特別是關於一種雙層對準裝置和雙層對準方法。
對準系統是半導體設備中的一個核心分系統，其對準精度往往直接決定了半導體光刻設備所能達到的套刻精度。機器視覺對準系統以其結構簡單、速度快、精度高等特點在半導體設備中得到了廣泛應用。
相對於光刻機類設備藉由物鏡連接遮罩板與矽片這兩個層級的座標關係，構造相對簡單的類光刻機設備沒有物鏡這種精密的光學設備，必須設計新的光學結構和控制系統來實現雙層對準。
專利US20090251699A1公開了一種雙層對準方案，該方案是在雙層對準對象之間設計一個可以移動的分光鏡，該分光鏡可以同時實現對上下兩層標記成像，對準時鏡頭移動到對準工作站，對準完成後鏡頭移出對準工作站。但是這種結構方案運動台和鏡頭都是獨立運動部件，機械結構複雜，同時也會增加運動控制複雜度，對準精度和可靠性相應降低。
為解決習知技術存在的問題，本發明提供一種雙層對準裝置，包含：
固定框架及設置在固定框架上的第一測量裝置及標記板，標記板設置有框架固定標記；
運動台以及設置於運動台上的基準標記、運動台標記、和第二測量裝置；其中，第一測量裝置用於測量基準標記和運動台標記的第一相對位置關係，第二測量裝置用於測量基準標記和框架固定標記的第二相對位置關係，基於第一相對位置關係和第二相對位置關係獲得運動台標記和框架固定標記的第三相對位置關係，並根據第三相對位置關係移動運動台至設定位置。
較佳地，運動台標記為設置在運動台上被測對象上的標記，可以隨運動台運動。
較佳地，第二測量裝置為分光鏡，分光鏡允許框架固定標記和基準標記同時進入其兩個視場，以測量框架固定標記和基準標記的相對位置。
較佳地，框架固定標記包含兩個標記點，藉由運動台的移動，分別使得該兩個標記點進入第二測量裝置的同一個視場，據此分別計算該兩個標記點到基準標記的距離以及上述移動的方向相對於兩個標記點的連線的旋轉角度，以得出框架固定標記和基準標記的第二相對位置關係。
較佳地，藉由運動台的移動使得運動台標記和基準標記分別進入第一測量裝置的視場，第一測量裝置分別測量運動台標記和基準標記在運動台上的位置，以得出運動台標記和基準標記的第一相對位置關係。
較佳地，框架固定標記和基準標記分別包含第一標定標記和第二標定標記，分別用於對第二測量裝置與固定框架的座標關係，以及第一測量裝置與運動台的座標關係進行靜態標定。
較佳地，第一測量裝置的數量有複數個，複數個第一測量裝置同時測量運動台標記和基準標記在運動台上的位置。
較佳地，雙層對準裝置還包含分別連接第二測量裝置和第一測量裝置的第一光源和第二光源，用於為第二測量裝置和第一測量裝置提供照明視場。
較佳地，雙層對準裝置還包含連接第二測量裝置和第一測量裝置的兩個相機，藉由在相機上對框架固定標記、運動台標記和基準標記成像。
較佳地，第二測量裝置包含：
兩個反光鏡，用於將第一光源的光分別反射以形成兩個視場，供框架固定標記和基準標記進入，並為框架固定標記和基準標記提供成像光；以及
兩個透鏡，分別用於透過入射光和成像光。
本發明還提供一種雙層對準方法，其包含下列步驟：
提供固定框架以及設置於固定框架上的第一測量裝置及標記板，標記板設置有框架固定標記；
提供運動台以及設置於運動台上的運動台標記、基準標記和第二測量裝置；
第一測量裝置測量基準標記和運動台標記的第一相對位置關係；
第二測量裝置測量基準標記和框架固定標記的第二相對位置關係；
基於第一相對位置關係和第二相對位置關係獲得運動台標記和框架固定標記的第三相對位置關係；以及
運動台根據第三相對位置關係移動至設定位置。
本發明提供一種雙層對準裝置，包含固定框架及設置在固定框架上的第一測量裝置及標記板，標記板設置有框架固定標記；運動台以及設置於運動台上的基準標記、運動台標記，和第二測量裝置；藉由第一測量裝置，測量基準標記和運動台標記的相對位置關係，藉由第二測量裝置，測量基準標記和框架固定標記的相對位置關係，從而獲得運動台標記和框架固定標記的最終相對位置關係，並根據最終相對位置關係移動運動台至設定位置。本發明相應地還提供一種雙層對準方法，使用分光鏡結構實現對兩條光路的同時成像，分光鏡安裝在運動台上。系統中只有運動台是運動部件，使用靜態標定方法實現座標關係標定，標定精度不受運動台定位精度影響，可以提高對準精度。使用雙鏡頭或多鏡頭設計，配置靈活並能提高對準效率。
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。根據下面說明和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
本發明提供一種雙層對準裝置，如圖1所示，包含：
固定框架40以及設置於固定框架40上的第一測量裝置50及標記板41，標記板41上設置有框架固定標記20；
運動台60以及設置於運動台60上的基準標記30、運動台標記70和第二測量裝置10；藉由第一測量裝置50，測量基準標記30和運動台標記70的相對位置關係，藉由第二測量裝置10，測量基準標記30和框架固定標記20的相對位置關係，從而獲得運動台標記70和框架固定標記20的最終相對位置關係，並根據最終相對位置關係移動運動台70至設定位置。
在本實施例中，上述第二測量裝置10為分光鏡，第一測量裝置50為鏡頭。雙層對準裝置由分光鏡10、框架固定標記20、基準標記30、固定框架40和標記板41、鏡頭50、運動台60、運動台標記70、第二光源80和第一光源81、相機90、91組成。其中，框架固定標記20固定在固定框架40上，不能移動；而基準標記30固定在運動台60上，可以隨運動台60運動。固定框架40用於固定相機90、第二光源80、鏡頭50和標記板41等組件，標記板41連接固定框架40，用於設置框架固定標記20。分別連接分光鏡10和鏡頭50的第一光源81和第二光源80，用於為分光鏡10和鏡頭50提供光源和視場。
運動台60可以帶著分光鏡10、基準標記30和運動台標記70運動，有X、Y、Z、Rz、Rx、Ry六自由度。運動台標記70是運動台60上被測對象上的標記，可以隨運動台60運動。鏡頭50可以將基準標記30和運動台標記70成像在相機90的靶面。
本發明的雙層對準裝置的目的是確定標記板41與運動台60上的被測對象的相對位置關係，也即框架固定標記20和運動台標記70的相對位置關係（座標位置轉換關係）。本發明設計專有光機結構、座標位置轉換關係標定和對準策略流程實現對準功能。
具體而言，測量框架固定標記20和運動台標記70的相對位置關係的方式是：分別測量框架固定標記20和基準標記30的相對位置關係，以及運動台標記70和基準標記30的相對位置關係後，得出框架固定標記20和運動台標記70的相對位置關係。
測量框架固定標記20和運動台標記70的相對位置關係的過程即為本發明中的對準過程，該過程具體如下：
步驟一：計算固定框架40與運動台60位置關係，即計算框架固定標記20與基準標記30的位置關係。分光鏡10使得框架固定標記20和基準標記30同時進入其兩個視場，以測量框架固定標記20和基準標記30的相對位置。另外，如圖3所示，框架固定標記20包含兩個標記點201、202，藉由運動台60的移動，分別使得該兩個標記點進入分光鏡10的同一個視場，據此計算該兩個標記點到基準標記30的距離以及上述移動的旋轉角度，以得出框架固定標記20和基準標記30的相對位置。
步驟一具體為：
1、運動台60移動使標記點201進入分光鏡10的視場，此時基準標記30也在分光鏡10的另一個視場，計算標記點201和基準標記30上標記點302的相對距離；（如圖4所示，基準標記30包含標記點302）
2、運動台60移動使標記點202進入分光鏡10的視場，移動距離等於標記點201、202的名義距離，此時標記點302也在分光鏡10的視場，計算標記點202、302的相對距離；
3、根據上述1和2結果計算出框架固定標記20與基準標記30的標記點302的相對位置關係，並計算標記點201、202的旋轉角度Rz，即固定框架40相對運動台60的旋轉量Rz，以及框架固定標記20相對基準標記30位置。
步驟二：以鏡頭50安裝位置為基準，計算運動台標記70與基準標記30的相對位置。測量裝置還包含設置於固定框架40上的鏡頭50，藉由運動台60的移動使得運動台標記70和基準標記30分別進入鏡頭50的視場，鏡頭50分別測量運動台標記70和基準標記30在運動台60上的位置，以得出運動台標記70和基準標記30的相對位置關係。
步驟二具體為：
1、運動台60移動使運動台標記70進入鏡頭50視場，計算運動台標記70的像素位置，並根據當前運動台60的座標位置計算運動台標記70在運動台60座標系位置；
2、運動台60移動使基準標記30進入鏡頭50視場，計算基準標記30的像素位置，並根據當前運動台60的座標位置計算基準標記30在運動台60座標系位置；
3、根據1和2結果計算運動台標記70與基準標記30的相對位置關係；
步驟三：重複步驟一和二可以測得多個標記相對位置，由於多點對準模型精度較高，一般需要測出三個以上標記位置。根據框架固定標記20與基準標記30位置關係，以及基準標記30與運動台標記70的位置關係，計算出框架固定標記20與運動台標記70的相對位置關係，也即上下兩層的對準關係。
步驟四：移動運動台60到步驟三計算出的座標位置，完成裝置的對準動作。
在另一實施例中，為提高對準效率鏡頭50可以設置多個，以同時測量運動台標記70和基準標記30在運動台60上的位置。即同時執行標記位置測量，以提高對準速度。
在本實施例中，分光鏡10詳細結構圖如圖2所示，包含：兩個反光鏡102、104，用於將第一光源81的光分別反射為兩個視場，供框架固定標記20和基準標記30進入，並為框架固定標記20和基準標記30提供成像光；以及兩個透鏡101、103，分別用於透過入射光和成像光。另外，在外部具有外殼保護結構105進行保護。第一光源81發出的光經過鏡片組的反射和折射，可以同時為框架固定標記20和基準標記30提供照明，框架固定標記20和基準標記30可以同時在相機91上成像。
本發明需要完成的標定有兩個：分光鏡10像素座標系與標記板41的物理座標關係標定；鏡頭50像素座標系與運動台60的物理座標關係標定，為避免運動台定位精度對標定精度影響，採用靜態標定方法。如圖3和圖4所示，框架固定標記20和基準標記30分別包含第一標定標記203和第二標定標記301，分別用於對分光鏡10與固定框架40的座標關係，以及鏡頭50與運動台60的座標關係進行靜態標定。分光鏡10和鏡頭50標定方法如下：
分光鏡10：框架固定標記20設計如圖3所示，其中標定標記是203，標定時標記間距名義距離已知，根據鏡頭倍率可算出實際物理距離和每個標定點相對左上角第一個點物理位置，使用圖像位置提取算法可以獲取每一個標記相對左上角第一個標記的像素座標位置，使用最小二乘法計算像素座標到物理座標的座標系轉化關係。由於標記板41和運動台60存在Rz旋轉，對準時需要先計算旋轉量Rz，計算方法如上對準流程的步驟一所示，對準時座標關係轉換需要增加Rz選裝轉換。
鏡頭50：標定流程相同，基準標記30標記設計如圖4所示。
本發明還提供一種雙層對準方法，如圖5所示，包含下列步驟：
提供固定框架以及設置於固定框架上的框架固定標記；
提供運動台以及設置於運動台上的運動台標記和測量裝置；
測量裝置測量框架固定標記和運動台標記的相對位置關係，此步驟進一步包含：由第一測量裝置測量運動台上的一基準標記和運動台標記的相對位置關係；由第二測量裝置測量基準標記和框架固定標記的相對位置關係；獲得運動台標記和框架固定標記的相對位置關係；
運動台根據相對位置關係移動至設定位置。
本實施例所述之雙層對準方法及前述雙層對準裝置的使用方法，因此可以理解的是具有雙層對準裝置的其他技術特徵，在此不再贅述。本發明的雙層對準方法的具體流程參見圖6，包含下列步驟：
分別測量框架固定標記20和基準標記30的座標關係，以及運動台標記70和基準標記30的座標關係後，得出框架固定標記20和運動台標記70的座標關係；以及
移動運動台60到計算結果位置。
其中，如圖6所示，測量框架固定標記20和基準標記30的座標關係是藉由計算標記點201相對基準標記30的座標關係和計算標記點202相對基準標記30的座標關係獲得的。測量運動台標記70和基準標記30的座標關係是藉由計算運動台標記70相對鏡頭50的座標關係和計算基準標記30相對鏡頭50座標關係獲得的。
本發明提供一種雙層對準裝置，包含固定框架及設置在固定框架上的第一測量裝置及標記板，標記板設置有框架固定標記；運動台以及設置於運動台上的基準標記、運動台標記、和第二測量裝置；藉由第一測量裝置測量基準標記和運動台標記的相對位置關係，藉由第二測量裝置測量基準標記和框架固定標記的相對位置關係，從而獲得運動台標記和框架固定標記的最終相對位置關係，並根據最終相對位置關係移動運動台至設定位置。本發明相應地還提供一種雙層對準方法，系統中只有運動台是運動部件。使用靜態標定方法實現座標關係標定，標定精度不受運動台定位精度影響，可以提高對準精度。使用雙鏡頭或多鏡頭設計，配置靈活並能提高對準效率。
顯然，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
10‧‧‧分光鏡
101、103‧‧‧透鏡
102、104‧‧‧反光鏡
20‧‧‧框架固定標記
201、202‧‧‧標記點
203‧‧‧第一標定標記
30‧‧‧基準標記
301‧‧‧第二標定標記
302‧‧‧標記點
40‧‧‧固定框架
41‧‧‧標記板
50‧‧‧鏡頭
60‧‧‧運動台
70‧‧‧運動台標記
80‧‧‧第二光源
81‧‧‧第一光源
90、91‧‧‧相機
圖1為本發明一實施例之雙層對準裝置的結構示意圖； 圖2為本發明一實施例之雙層對準裝置中第二測量裝置的結構示意圖； 圖3為本發明一實施例之雙層對準裝置中框架固定標記的結構示意圖； 圖4為本發明一實施例之雙層對準裝置中基準標記的結構示意圖； 圖5為本發明一實施例之雙層對準方法的流程圖；以及 圖6為本發明一實施例之雙層對準方法的具體流程圖。
10‧‧‧分光鏡
101、103‧‧‧透鏡
102、104‧‧‧反光鏡
20‧‧‧框架固定標記
201、202‧‧‧標記點
203‧‧‧第一標定標記
30‧‧‧基準標記
301‧‧‧第二標定標記
302‧‧‧標記點
40‧‧‧固定框架
41‧‧‧標記板
50‧‧‧鏡頭
60‧‧‧運動台
70‧‧‧運動台標記
80‧‧‧第二光源
81‧‧‧第一光源
90、91‧‧‧相機

Claims (11)

  1. 一種雙層對準裝置，其包含： 一固定框架及設置在該固定框架上的一第一測量裝置及一標記板，該標記板設置有一框架固定標記； 一運動台以及設置於該運動台上的一基準標記、一運動台標記和一第二測量裝置； 其中，該第一測量裝置用於測量該基準標記和該運動台標記的一第一相對位置關係，該第二測量裝置用於測量該基準標記和該框架固定標記的一第二相對位置關係，基於該第一相對位置關係和該第二相對位置關係獲得該運動台標記和該框架固定標記的一第三相對位置關係，並根據該第三相對位置關係移動該運動台至一設定位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙層對準裝置，其中該運動台標記為設置在該運動台上一被測對象上的標記，隨該運動台運動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雙層對準裝置，其中該第二測量裝置為分光鏡，該分光鏡允許該框架固定標記和該基準標記同時進入其兩個視場，以測量該框架固定標記和該基準標記的相對位置。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之雙層對準裝置，其中該框架固定標記包含兩個標記點，藉由該運動台的移動，分別使得該兩個標記點進入該第二測量裝置的同一個視場，據此分別計算該兩個標記點到該基準標記的距離以及上述移動的方向相對於該兩個標記點的連線的旋轉角度，以得出該框架固定標記和該基準標記的該第二相對位置關係。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之雙層對準裝置，其中藉由該運動台的移動使得該運動台標記和該基準標記分別進入該第一測量裝置的視場，該第一測量裝置分別測量該運動台標記和該基準標記在該運動台上的位置，以得出該運動台標記和該基準標記的該第一相對位置關係。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之雙層對準裝置，其中該框架固定標記和該基準標記分別包含一第一標定標記和一第二標定標記，分別用於對該第二測量裝置與該固定框架的座標關係，以及該第一測量裝置與該運動台的座標關係進行靜態標定。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之雙層對準裝置，其中該第一測量裝置的數量有複數個，複數個該第一測量裝置同時測量該運動台標記和該基準標記在該運動台上的位置。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之雙層對準裝置，其更包含分別連接該第二測量裝置和該第一測量裝置的一第一光源和一第二光源，用於為該第二測量裝置和該第一測量裝置提供照明視場。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之雙層對準裝置，其更包含連接該第二測量裝置和該第一測量裝置的兩個相機，藉由在該相機上對該框架固定標記、該運動台標記和該基準標記成像。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之雙層對準裝置，其中該第二測量裝置包含： 兩個反光鏡，用於將該第一光源的光分別反射以形成兩個視場，供該框架固定標記和該基準標記進入，並為該框架固定標記和該基準標記提供成像光；以及 兩個透鏡，分別用於透過入射光和成像光。
  11. 一種雙層對準方法，其包含下列步驟： 提供一固定框架以及設置於該固定框架上的一第一測量裝置及一標記板，該標記板設置有一框架固定標記； 提供一運動台以及設置於該運動台上的一運動台標記、一基準標記和一第二測量裝置； 該第一測量裝置測量該基準標記和該運動台標記的一第一相對位置關係； 該第二測量裝置測量該基準標記和該框架固定標記的一第二相對位置關係； 基於該第一相對位置關係和該第二相對位置關係獲得該運動台標記和該框架固定標記的一第三相對位置關係；以及 該運動台根據該第三相對位置關係移動至一設定位置。
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