本發(fā)明涉及光刻設備領域，尤其涉及一種具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)及對準方法。

背景技術：

在半導體IC集成電路制造過程中，一個完整的芯片通常需要經(jīng)過多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余層次的光刻在曝光前都要將該層次的圖形與以前層次曝光留下的圖形進行精確定位，這樣才能保證每一層圖形之間有正確的相對位置，即套刻精度。通常情況下，套刻精度為光刻機分辨率指標的1/3～1/5，對于100nm的光刻機而言，套刻精度指標要求小于35nm。套刻精度是投影光刻機的主要技術指標之一，而掩模與硅片之間的對準精度是影響套刻精度的關鍵因素，當特征尺寸CD要求更小時，對套刻精度的要求以及由此產(chǎn)生的對準精度的要求變得更加嚴格，如90nm的CD尺寸要求10nm或更小的對準精度。

對準系統(tǒng)為光刻機中重要的分系統(tǒng)之一，其不僅面臨著日益增加的對準精度的要求，還會受到半導體加工工藝，如涂膠、濺射、電路圖案的諸多影響，使得對準標記圖像噪聲增加、邊緣變模糊，從而影響軟件對對準位置的計算精度。

又如在半導體器件先進封裝制程中實現(xiàn)多層堆疊的二維平面器件的集成，對硅片圖案的雙面對準提出了更高的要求，目前，通常使用機器視覺的原理進行穿透式的背面對準技術，其原理如圖1所示，光源1發(fā)出的紅外光線經(jīng)對準鏡頭2入射至硅片3的表面，紅外光線穿透硅片3照射至硅片3背面的對準標記4，經(jīng)對準標記4的反射，再次經(jīng)過對準鏡頭2，并最終在CCD5上成像，根據(jù)CCD5所成的像進行硅片3的定位，但是，由于需要用紅外光線穿透硅片3的方式進行背面對準，影響對準精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)及對準方法，以解決上述技術問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)，包括：對準成像單元、信號處理及控制單元以及用于承載硅片的工件臺，所述硅片上設有對準標記，所述對準成像單元包括照明單元、具有相位差的相移標記以及探測單元，其中，所述探測單元用于探測所述硅片上的對準標記的成像信息和探測所述相移標記的成像信息，所述相移標記與最佳焦面處的硅片面為成像共軛關系；

所述信號處理及控制單元對所述相移標記的成像信息進行處理，得到所述對準成像單元的離焦信息，并根據(jù)所述離焦信息和所述對準標記的成像信息控制所述工件臺垂向運動，將工件臺上的對準標記運動至最佳焦面位置。

較佳地，所述相移標記設于玻璃基底上，所述相移標記包括不透光層和相移層，所述相移層與所述玻璃基底存在相位差。

較佳地，所述相位差優(yōu)選為π/2。

較佳地，所述探測單元包括第一探測器和第二探測器，所述對準成像單元還包括：

第一分束單元，使照明光軸與成像光軸垂直布置并分光；

第二分束單元，將所述對準標記的反射光與相移標記的反射光進行分離探測；

用于光轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向單元以及濾光片；

所述照明單元發(fā)出的光經(jīng)所述相移標記后被所述第一分束單元反射，反射光經(jīng)所述轉(zhuǎn)向單元偏置后照亮所述硅片上的對準標記，經(jīng)所述對準標記反射后再入射至所述轉(zhuǎn)向單元轉(zhuǎn)向，之后依次經(jīng)過所述第一分束單元和所述第二分束單元進行分光，一部分光被所述第一探測器所接收，用于得到所述對準標記的成像信息，另一部分光經(jīng)所述濾光片濾除所述對準標記的反射光后被所述第二探測器接收，用于得到所述相移標記的成像信息。

較佳地，所述照明單元包括第一照明組和第二照明組，所述第一照明組提供適于相移標記成像的光，所述第二照明組提供適于對準標記成像的光；

所述對準成像單元還包括：

第一分束單元；

第二分束單元，使照明光軸與成像光軸垂直布置并分光；

以及轉(zhuǎn)向單元；

所述第一照明組發(fā)出的照明光經(jīng)所述相移標記后，依次被所述第一分束單元和所述第二分束單元反射，再經(jīng)所述轉(zhuǎn)向單元偏置后入射到所述硅片上，之后經(jīng)所述硅片反射后的反射光再依次經(jīng)所述轉(zhuǎn)向單元、第二分束單元后被所述探測單元接收，得到所述相移標記的成像信息；

所述第二照明組發(fā)出的光依次經(jīng)所述第一分束單元分束、所述第二分束單元反射，之后經(jīng)所述轉(zhuǎn)向單元偏置后照亮所述硅片上的對準標記；所述對準標記的反射光再經(jīng)所述轉(zhuǎn)向單元、第二分束單元后被所述探測單元接收，得到所述對準標記的成像信息。

較佳地，所述照明單元包括照明光源、波長選擇單元及照明鏡組。

較佳地，所述照明光源為非單色光源。

較佳地，所述探測單元包括成像傳感器，所述成像傳感器為面陣列、線陣列或探測點組合的形式。

本發(fā)明還提供了一種具有調(diào)焦功能的對準方法，應用于如上所示的對準系統(tǒng)中，包括如下步驟：

A：所述工件臺運動到調(diào)焦工作位置；

B：開啟所述照明單元；

C：所述對準成像單元獲取所述硅片上的對準標記和所述相移標記的成像信息，并將所述成像信息發(fā)送至信號處理及控制單元；

D：所述信號處理及控制單元根據(jù)所述相移標記的成像信息得到所述對準成像單元的離焦量和離焦方向，并控制所述工件臺垂向運動，使所述硅片處于最佳焦面位置；

E：進行對準流程。

較佳地，所述工件臺運動到調(diào)焦工作位置具體為，水平移動所述工件臺，將所述對準標記移至所述相移標記的成像位置，使兩標記至少部分區(qū)域重合。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的一種具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)及對準方法，本發(fā)明采用具有一定相位差的相移標記以成像的方式進行自動調(diào)焦，直接把離焦 量轉(zhuǎn)化為相移標記成像的水平向移動，從而快速精準的搜索對準鏡頭的最佳物面，提高對準系統(tǒng)對復雜工藝、溫度變化等情況的適應能力。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的對準系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例一中的具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3a和3b分別為硅片對準標記的結構示意圖；

圖4a和4b分別為相移標記的結構示意圖；

圖5本發(fā)明以具體實施方式中的具有調(diào)焦功能的對準方法的流程示意圖；

圖6為利用相移標記成像測量離焦量的光路原理圖；

圖7a和7b分別為相移標記的布局圖；

圖8a和8b分別為自動調(diào)焦過程中對準標記成像和相移標記成像的位置關系示意圖；

圖9為相移標記的位移與離焦量的關系示意圖；

圖10為本發(fā)明實施例二中的具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)的結構示意圖。

圖1中：1-光源、2-對準鏡頭、3-硅片、4-對準標記、5-CCD；

圖2-8中：100-對準成像單元、200-信號處理及控制單元、300-工件臺、400-硅片、410-對準標記；

110-照明光源、111-波長選擇單元、112-第一照明鏡組、113-相移標記、113a-玻璃基底、113b-不透光層、113c-相移層、114-第二照明鏡組、115-第一分束器、116-第三照明鏡組、117-轉(zhuǎn)向單元；

121-第二分束器、122-第一成像鏡組、123-第一探測器、124-濾光片、125-第二成像鏡組、126-第二探測器。

圖10中：

524-第一照明光源、523-第一波長選擇單元、522-第一照明鏡組、521-相移標記、510-第二照明光源、511-第二波長選擇單元、512-第二照明鏡組、513-第一分束器、514-第三照明鏡組、515-第二分束器、516-第四照明鏡組、517-轉(zhuǎn)向單元、518-成像鏡組、519-探測器。

具體實施方式

為了更詳盡的表述上述發(fā)明的技術方案，以下列舉出具體的實施例來證明技術效果；需要強調(diào)的是，這些實施例用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

本發(fā)明提供的一種具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)，如圖2所示，包括：對準成像單元100、信號處理及控制單元200以及用于承載硅片400的工件臺300，硅片400上設有對準標記410，對準成像單元100包括照明光源110、相移標記113以及第一、第二探測器123、126，具體地，請參考圖4a和4b，相移標記113設置在玻璃基底113a上，相移標記113包括不透光層113b和與玻璃基底113a存在相位差的相移層113c，相位差優(yōu)選為π/2；第一探測器123用于探測硅片400上的對準標記410的成像信息，第二探測器126用于探測相移標記113(包括不透光層113b和相移層113c)的成像信息；信號處理及控制單元200對相移標記113的成像信息進行處理，得到對準成像單元100的離焦信息，并根據(jù)離焦信息和對準標記410的成像信息控制工件臺300垂向運動，將工件臺300上的對準標記410運動至最佳焦面位置，相移標記113與最佳焦面處的硅片面為成像共軛關系。本發(fā)明采用具有一定相位差的相移標記113以成像的方式進行自動調(diào)焦，直接把離焦量轉(zhuǎn)化為相移標記113成像的水平向移動，從而快速精準的搜索對準鏡頭的最佳物面，提高對準系統(tǒng)對復雜工藝、溫度變化等情況的適應能力。

較佳地，請繼續(xù)參考圖2，對準成像單元100還包括：波長選擇單元111，進行光源波長及帶寬選擇；第一、第二、第三照明鏡組112、114、116，為對準標記410提供照明；第一分束器115，使照明光軸與成像光軸垂直布置并分光；第二分束器121，將對準標記410的反射光與相移標記的反射光進行分離探測；第一、第二成像鏡組122、125；用于轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向單元117；以及用于濾光的濾光片124；具體地，

照明光源110發(fā)出的光依次經(jīng)波長選擇單元111、第一照明鏡組112、相移標記113、第二照明鏡組114后被第一分束器115反射，反射光經(jīng)第三照明鏡組116和轉(zhuǎn)向單元117照亮硅片400上的對準標記410；相移標記113被對準標記410反射，反射光與對準標記410的反射光再次經(jīng)轉(zhuǎn)向單元117、第三照明鏡組 116、第一分束器115后入射至第二分束器121分光，一部分光經(jīng)第一成像鏡組122后被第一探測器123所接收，用于得到對準標記410的成像信息，另一部分光經(jīng)濾光片124濾除對準標記410的反射光后被第二探測器126接收，用于得到相移標記113的成像信息。

較佳地，第一、第二探測器123、126為成像傳感器，具體為面陣列、線陣列或探測點組合的形式；照明光源110為具有一定帶寬的可見光光源或紅外光源等非單色光源，相對應的，濾光片124對應選取適于相移標記113成像的波段的光。

請重點參考圖3a和3b，本發(fā)明適于硅片400背面和正面的對準標記410的對準。

請重點參考圖5，本發(fā)明還提供了一種具有調(diào)焦功能的對準方法，應用于如上所述的對準系統(tǒng)中，包括如下步驟：

A：工件臺300運動到調(diào)焦工作位置；

B：開啟照明光源110；

C：對準成像單元100獲取硅片400上的對準標記410和相移標記113的成像信息，并將成像信息發(fā)送至信號處理及控制單元200；

D：信號處理及控制單元200根據(jù)相移標記113的成像信息得到對準成像單元100的離焦量和離焦方向，控制工件臺300進行自動調(diào)焦，即控制工件臺300垂向運動，使硅片400處于最佳焦面位置；

E：進行對準流程。

較佳地，工件臺300運動到調(diào)焦工作位置具體為，水平移動工件臺300，將對準標記410移至相移標記113的成像位置，使兩標記成像至少部分區(qū)域重合。具體地，相移標記113的布局如圖7a和7b所示，由圖7b可知，相移標記113上布局多個相移標記113時，可同時測量多個點的離焦位置信息，但相移標記113的排布形式包括但不限于圖7a和7b中的兩種形式。對準標記410成像與相移標記113成像至少部分區(qū)域重合的情況也包括但不限于圖8a和8b所示的兩種情況。

具體地，利用相移標記113測量對準標記的離焦的原理如下：

請重點參考圖4a和4b，玻璃基底113a其他可透光部分的相位為零，相移層113c與玻璃基底113a之間存在相位差，通過相位差與相移層113c的厚度a、 折射率n的關系，即選擇合適的相移層113c，其中λ為入射到相移標記113上光源的波長。

較佳地，相位差優(yōu)選為π/2。

繼續(xù)參考圖6，焦距分別為f₁、f₂的透鏡組成的對準成像單元100，該對準成像單元100的傳遞函數(shù)為h(x',f₂·x/f₁)，相移標記113上的不同點x₁、x₂經(jīng)過該對準成像單元100在像面上相干疊加，成像面上的一維光強分布為：

I_out(x')＝E_out(x')²＝A₁²h(x',f₂·x₁/f₁)²+A₂²h(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為對準成像單元100的離焦量，A₁為相移標記113x₁點光的振幅，A₂為相移標記113x₂點光的振幅，x'為像面點的坐標位置，h^*(x',f₂·x/f₁)為h(x',f₂·x/f₁)的復共軛函數(shù)。

通過以上原理可得到對準成像單元100離焦量Δz與相移標記113成像位置變化、成像面光強之間的關系，如圖9所示，離焦量為±3μm時成像面上的光強隨相移標記113位移量的變化情況：當對準成像單元100處于最佳焦面位置時，相移標記113在成像面上的一維光強分布是以像面固定坐標左右對稱的，當發(fā)生單方向的離焦(如+3μm或-3μm)時，相移標記113的光強分布將發(fā)生變形，相對于像面固定坐標單方向的平移(離焦+3μm時左移，離焦-3μm時右移)，其平移量與離焦量Δz相關，因此在通過系統(tǒng)標定后，實際應用中只需測量一次就可以根據(jù)相移標記113成像位置平移量獲得對準成像單元100的離焦量，從而進行最佳焦面的調(diào)整。

實施例二

本實施例與實施例一的區(qū)別在于：對準成像單元100的具體結構組成不同，實施例二的對準成像單元100包括兩個照明光源和一個探測器，具體地，如圖10所示，對準成像單元100包括：第一、第二照明光源524、510；第一、第二波長選擇單元523、511，進行波長及帶寬選擇；第一、第二、第三、第四照明鏡組522、512、514、516，為對準標記410提供照明；第一、第二分束器513、515；成像鏡組518；用于轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向單元517以及探測器519。

具體地，第一照明光源524發(fā)出的光依次經(jīng)第一波長選擇單元523、第一照 明鏡組522、相移標記521后被第一分束器513反射，反射光經(jīng)第三照明鏡組514后被第二分束器515反射，再經(jīng)第四照明鏡組516、偏向單元517偏置后入射到硅片400上，相移標記521被對準標記410反射，反射光經(jīng)轉(zhuǎn)向單元517、第四照明鏡組516、第二分束器515及成像鏡組518后被探測器519接收，用于得到相移標記521的成像信息；

第二照明光源510發(fā)出的光依次經(jīng)第二波長選擇單元511、第二照明鏡組512、第一分束器513、第三照明鏡組514后被第二分束器515反射，反射光經(jīng)第四照明鏡組516、轉(zhuǎn)向單元517偏置后照亮硅片400上的對準標記410，對準標記410的反射光經(jīng)轉(zhuǎn)向單元517、第四照明鏡組516、第二分束器515及成像鏡組518后被探測器519接收，用于探測對準標記410的成像信息。

本實施例中，相移標記521與對準標記410分別采用不同的照明單元進行照明，采用相同的探測器519進行成像接收，探測器519在對準與調(diào)焦工作時進行切換，分別得到相移標記521和對準標記410的成像信息。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種具有調(diào)焦功能的對準系統(tǒng)及對準方法，本發(fā)明采用具有一定相位差的相移標記以成像的方式進行自動調(diào)焦，直接把離焦量轉(zhuǎn)化為相移標記成像的水平向移動，從而快速精準的搜索對準鏡頭的最佳物面，提高對準系統(tǒng)對復雜工藝、溫度變化等情況的適應能力。

顯然，本領域的技術人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。