一種調焦對準裝置及對準方法與流程

本發明涉及光刻機技術領域，具體涉及一種調焦對準裝置及對準方法。

背景技術：

投影光刻機是將掩模上的圖案通過投影物鏡投影到工件表面的裝置。在投影光刻設備中，fls(focusandlevelingsensor，調焦傳感器)用于對被測工件(即基底)的垂向位置測量，即調焦測量，以確保基底上表面位于投影物鏡的焦深范圍內，mvs(machinevisionsensor機器視覺傳感器)用于對被測工件的水平向位置測量，即對準測量，以實現基底表面標記的對準。垂向測量與水平向測量結果用于對基底臺進行伺服控制，將基底表面精確地移動到指定的曝光位置。

目前實現調焦測量主要采用基于光電式三角測量技術，如現有技術中披露的一種大角度三角測量的調焦調平裝置和方法等。實現對準測量則主要采用基于機器視覺的圖像邊緣檢測技術，該技術要求光路垂直入射到被測工件表面，否則被測工件的垂向位置變化會導致水平向位置檢測的偏差，也即離焦傾斜現象。如現有技術中披露了一種垂直入射的對準方案，利用同軸對準方式實現基底表面的對準，之后又提出了一種大視場物體微觀表面三維形貌的測量系統，水平運動載物臺，利用干涉條紋記錄每個位置的高度。

然而上述兩個方案都存在以下兩方面的問題：一是由于光刻機空間布局緊湊，在實際應用中，采用垂直入射的對準傳感器容易受到空間限制，且由于基底上方布有物鏡等裝置，導致對準傳感器無法在其上方布置；二是調焦測量與對準測量采用兩個獨立的測量系統，占用了較大的空間，影響了光刻機的空間緊湊性。

技術實現要素：

本發明提供了一種調焦對準裝置及對準方法，用于基底的調焦和水平向對準，以解決上述技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種調焦對準裝置，用于基底臺上基底的調焦和對準，包括第一探測支路，所述第一探測支路沿光路方向依次包括：

光源，產生均勻的照明光；

投影狹縫陣列，所述照明光經所述投影狹縫陣列后產生調焦光斑和對準光斑，投射至所述基底表面；

分光棱鏡，分離經所述基底反射的調焦光斑和對準光斑；

探測單元，包括調焦探測器和對準探測器，所述調焦探測器對所述調焦光斑成像得到調焦信號，所述對準探測器對所述對準光斑成像得到對準信號；

以及信號處理單元，根據所述調焦信號獲得所述基底的垂向高度變化，根據所述對準信號獲得所述基底的水平向位置變化；

所述第一探測支路滿足scheimpflug成像條件。

進一步的，所述基底上設有標記，所述標記包括第一線條和相對所述第一線條正交分布的第二線條，所述第一線條平行于所述照明光的光軸在所述基底上的投影方向。

進一步的，所述第一探測支路同時探測所述第一線條和所述第二線條。

進一步的，所述調焦對準裝置還包括與所述第一探測支路完全相同的第二探測支路，所述第一探測支路探測所述第一線條，所述第二探測支路探測所述第二線條。

進一步的，所述光源和投影狹縫陣列之間設有光闌，所述光闌為橢圓形，所述橢圓形的短軸平行于所述照明光的光軸在所述基底上的投影方向，所述橢圓形的長軸垂直于所述橢圓形的短軸。

進一步的，所述投影狹縫陣列后方設有投影單元，將所述投影狹縫陣列產生的調焦光斑和對準光斑匯聚并投射至所述基底表面。

進一步的，所述分光棱鏡前方設有探測前組透鏡，接收經過所述基底表面反射的光斑束。

進一步的，所述投影狹縫陣列的中心設有圓形視場，所述照明光經過所述圓形視場后形成所述對準光斑，所述圓形視場外周設有若干組投影狹縫，所述照明光經過所述投影狹縫后形成所述調焦光斑。

進一步的，所述投影單元沿光路依次包括第一投影透鏡、第二投影透鏡和第三投影透鏡，所述第一投影透鏡、第二投影透鏡和第三投影透鏡共焦面。

進一步的，所述分光棱鏡與所述調焦探測器之間還設有調焦透鏡組，所述分光棱鏡與所述對準探測器之間還設有對準透鏡組。

進一步的，所述對準透鏡組沿光路依次包括第一對準透鏡和第二對準透鏡，所述第一對準透鏡和第二對準透鏡共焦面。

本發明還提供一種調焦對準方法，包括以下步驟：

s1：設置標記于基底上，所述標記包括第一線條，及相對所述第一線條正交分布的第二線條；

s2；設置第一探測光路探測所述標記，獲得對準信號及調焦信號，所述第一探測光路相對所述第一線條或所述第二線條平行設置；

s3；根據所述調焦信號獲得所述基底的垂向高度變化，根據所述對準信號獲得所述基底的水平向位置變化，進而對所述基底進行姿態調整。

進一步的，所述步驟s2具體為：所述第一探測光路滿足scheimpflug成像條件，照明光通過投影狹縫陣列產生調焦光斑和對準光斑，將所述調焦光斑和對準光斑匯聚投射至所述標記上，并被所述標記反射，通過分光棱鏡從反射光中分離出調焦光斑和對準光斑，調焦探測單元對所述調焦光斑成像得到調焦信號，對準探測單元對所述對準光斑成像得到對準信號。

進一步的，所述步驟s3中獲得所述基底的水平向位置變化具體為：

s31：以沿著所述第一線條的方向為x軸，以沿著所述第二線條的方向為y軸，在所述基底上建立坐標系；

s32：從所述對準信號中探測所述第一線條，得到所述第一線條的y坐標值，計算所述第一線條的y坐標值與預設的第一線條的y坐標值的差值，得到所述基底的y向變化值δy；

s33：從所述對準信號中探測所述第二線條，得到所述第二線條的x坐標值，將所述第二線條的x坐標值減去離焦干擾量x'＝tanα·δz得到所述第二線條真實的x坐標值，計算所述第二線條真實的x坐標值與預設的第二線條的x坐標值的差值，得到所述基底的x向變化值δx，其中，δz為所述基底的垂向高度變化，α為所述照明光在所述基底表面的入射角。

進一步的，所述步驟s3中獲得所述基底的垂向高度變化δz的計算式如下：

其中，α為所述調焦光斑在所述基底表面的入射角，δp為所述調焦光斑在所述調焦探測單元上的位置變化值，m為所述調焦探測單元的倍率。

進一步的，采用模版匹配法從所述對準信號中探測所述第一線條和所述第二線條。

本發明還提供一種調焦對準方法，包括以下步驟：

s1，設置標記于基底上，所述標記包括第一線條，及相對所述第一線條正交分布的第二線條；

s2，設置第一探測光路探測所述第一線條，獲得第一對準信號及第一調焦信號，所述第一探測光路相對所述第一線條平行設置；

s3，設置第二探測光路探測所述第二線條，獲得第二對準信號及第二調焦信號，所述第二探測光路相對所述第二線條平行設置；

s4，根據所述第一調焦信號和/或第二調焦信號獲得所述基底的垂向高度變化，根據所述第一對準信號和所述第二對準信號獲得所述基底的水平向位置變 化，進而對所述基底進行姿態調整。

進一步的，所述第一探測光路滿足scheimpflug成像條件，照明光通過投影狹縫陣列產生調焦光斑和對準光斑，將所述調焦光斑和對準光斑匯聚投射至所述第一線條上，并被所述第一線條反射，通過分光棱鏡從反射光中分離出調焦光斑和對準光斑，調焦探測單元對所述調焦光斑成像得到第一調焦信號，對準探測單元對所述對準光斑成像得到第一對準信號，所述第二探測光路與所述第一探測光路完全相同。

進一步的，所述步驟s4中獲得所述基底的水平向位置變化具體為：

s41：以沿著所述第一線條的方向為x軸，以沿著所述第二線條的方向為y軸，在所述基底上建立坐標系；

s42：從所述第一對準信號中探測所述第一線條，得到所述第一線條的y坐標值，計算所述第一線條的y坐標值與預設的第一線條的y坐標值的差值，得到所述基底的y向變化值δy；

s43：從所述第二對準信號中探測所述第二線條，得到所述第二線條的x坐標值，計算所述第二線條的x坐標值與預設的第二線條的x坐標值的差值，得到所述基底的x向變化值δx。

進一步的，所述步驟s4中獲得所述基底的垂向高度變化δz的計算式如下：

其中，α為所述調焦光斑在所述基底表面的入射角，δp為所述調焦光斑在所述調焦探測單元上的位置變化值，m為所述調焦探測單元的倍率。

進一步的，采用模版匹配法從所述第一對準信號中探測所述第一線條，從所述第二對準信號中探測所述第二線條。

本發明提供的調焦對準裝置及其方法，通過設置投影狹縫陣列使投射至其表面的照明光產生調焦光斑和對準光斑，經基底表面反射后通過分光棱鏡將兩種光斑分離，并分別通過調焦探測器和對準探測器進行成像和探測，將調焦測 量與對準測量集合在同一個裝置中，減少了占用空間，提高了光刻機的空間緊湊性，節約了成本；光源、投影狹縫陣列、分光棱鏡以及探測單元滿足sc成像條件，保證基底表面與兩個探測器的探測面為物象關系，使基底上的標記清晰成像到兩個探測器上，提高了調焦和對準測量精度；在光源和投影狹縫之間設置光闌，光闌為橢圓形，通過檢測平行于橢圓形短軸方向的標記位置，可以避免垂向對該水平向的串擾，檢測平行于橢圓形長軸方向的標記位置，并通過垂向對該水平向位置進行補償，有效消除了垂向對水平向的串擾，提高了對準精度。

附圖說明

圖1是本發明實施例1中調焦對準裝置的結構示意圖；

圖2是本發明實施例1中投影狹縫陣列的結構示意圖；

圖3是本發明實施例1中垂向高度變化的計算示意圖；

圖4是本發明實施例1中光闌的結構示意圖；

圖5是本發明實施例1中對準標記的成像示意圖；

圖6是本發明實施例1中對準測量中模板匹配示意圖；

圖7是本發明實施例1中針對不同平面中對準標記的成像示意圖；

圖8是本發明實施例1中針對不同平面中對準標記的成像示意圖；

圖9是本發明實施例2中調焦對準裝置的結構示意圖。

圖中所示：1、基底；100、第一探測支路；2、光源；201、調焦光斑；202、對準光斑；3、光闌；4、投影狹縫陣列；401、投影狹縫；402、圓形視場；5、投影單元；51、第一投影透鏡；52、第二投影透鏡；53、第三投影透鏡；6、探測前組透鏡；7、分光棱鏡；801、調焦探測器；802、對準探測器；9、調焦透鏡組；10、對準透鏡組；101、第一對準透鏡；102、第二對準透鏡；200、第一探測支路；line1、x軸方向線條；line2、y軸方向線條。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作詳細描述：

實施例1

如圖1所示，本發明提供了一種調焦對準裝置，用于基底臺上基底1的調焦和對準，所述基底1上設有標記，所述標記包括第一線條和相對所述第一線條正交分布的第二線條，具體地，本實施例采用十字標記，第一線條為x軸方向線條line1，第二線條為y軸方向線條line2，如圖5所示。

所述調焦對準裝置包括第一探測支路100，所述第一探測支路100同時探測所述第一線條和所述第二線條，所述第一探測支路100沿光路方向依次包括：

光源2，產生均勻的照明光，所述第一線條平行于所述照明光的光軸在所述基底1上的投影方向。

投影狹縫陣列4，所述照明光經所述投影狹縫陣列4后產生調焦光斑201和對準光斑202，投射至所述基底1的表面，具體的，所述投影狹縫陣列4上設有用于產生調焦光斑201的投影狹縫401和用于產生對準光斑202的圓形視場402，如圖2所示，所述圓形視場402位于投影狹縫陣列4的中心，所述投影狹縫401設有若干組，且位于所述圓形視場402的外周，本實施例中，投影狹縫401設有四組，每一組投影狹縫401包括三個狹縫，且均勻分布在所述圓形視場402的外周。

分光棱鏡7，分離經基底1表面反射的調焦光斑201和對準光斑202；以及

探測單元，包括調焦探測器801和對準探測器802，所述調焦探測器801對所述調焦光斑201進行成像得到調焦信號，所述對準探測器802對所述對準光斑202進行成像得到對準信號；具體的，所述調焦探測器801和對準探測器802均為ccd或均為cmos，其中對準探測器802的探測過程包括對準標記成像、ccd將其轉換成數字圖像、采集ccd輸出的圖像、軟件系統使用圖像處理算法計算出對準標記的像素坐標。

以及信號處理單元，根據所述調焦信號獲得所述基底1的垂向高度變化， 根據所述對準信號獲得所述基底1的水平向位置變化；

所述第一探測支路滿足scheimpflug(傾斜的物成傾斜的像)成像條件，具體的，如圖3所示，假設系統k的倍率為m則有：

δl'＝m·δl(1)

其中，δl和δl'分別為基底1高度變化時，光線經系統k放大前后的變化間距。

同時基底1表面的光線入射角α與探測器t的探測面的光線入射角θ應滿足：

tanα＝m·tanθ(2)

此外，還應保證光線在基底1表面的法線與光線在探測面的法線共面。

請繼續參照圖1，所述光源2和投影狹縫4之間設有光闌3，所述光闌3中部的通孔呈橢圓形，所述橢圓形的短軸平行于所述照明光的光軸在所述基底1上的投影方向，所述橢圓形的長軸垂直于所述橢圓形的短軸。如圖4所示，即長度方向(x軸)為短軸，對應小的na(numericalaperture，數值孔徑)，即na1，寬度方向(y軸)為長軸，對應大的na，即na2，如圖5所示，針對基底1表面的十字標記，y軸方向線條line2的na較大，使得x軸方向線條line1分辨率更高，且x軸方向線條line1的y坐標不受垂向串擾，用于y向對準測量；x軸方向線條line1的na較小，使得y軸方向線條line2分辨率較低，該y軸方向線條line2可用于調焦測量，同時得到y軸方向線條line2的x坐標用于x向對準，雖然得到的x坐標會受垂向串擾，但由于該垂向串擾與垂向高度及照明光在基底1上的入射角相關，通過計算串擾量進而補償x坐標位置，從而提高x向對準精度。

請繼續參照圖1，所述投影狹縫陣列4后方設有投影單元5，將所述投影狹縫陣列4產生的調焦光斑201和對準光斑202匯聚并投射至所述基底1表面，優選的，投影單元5包括第一投影透鏡51、第二投影透鏡52和第三投影透鏡53，所述第一投影透鏡51、第二投影透鏡52和第三投影透鏡53共焦面。

請繼續參照圖1，所述分光棱鏡7前方設有探測前組透鏡6，接收經過基底1表面反射的光斑束，包括調焦光斑201和對準光斑202，并將接收的光斑束投射至分光棱鏡7進行分離。

請繼續參照圖1，分光棱鏡7與所述調焦探測器801之間還設有調焦透鏡組9，用于匯聚經分光棱鏡7透射出的調焦光斑201，并將其投射至調焦探測器801，所述分光棱鏡7與所述對準探測器802之間還設有對準透鏡組10，用于匯聚經分光棱鏡7反射出的對準光斑202，并將其投射至對準探測器802，優選的，所述對準透鏡組10包括第一對準透鏡101和第二對準透鏡102，所述第一對準透鏡101和第二對準透鏡102共焦面。

本發明還提供一種采用以上調焦對準裝置的調焦對準方法，包括以下步驟：

s1：設置標記于基底1上，所述標記包括第一線條，及相對所述第一線條正交分布的第二線條；

s2：設置第一探測光路100探測所述標記，獲得對準信號及調焦信號，所述第一探測光路100相對所述第一線條或所述第二線條平行設置；具體的，所述第一探測光路100滿足scheimpflug成像條件，照明光通過投影狹縫陣列4產生調焦光斑201和對準光斑202，使照明光束通過投影狹縫陣列4，產生調焦光斑201和對準光斑202，投射至基底1表面，接著經過分光棱鏡7分離出調焦光斑201和對準光斑202，分別被調焦探測器801和對準探測器接收802，進行成像；具體的，照明光經過光闌3進行x軸的小na和y軸的大na配比，并通過投影狹縫陣列4產生調焦光斑201和對準光斑202后經過投影單元5的第一投影透鏡51、第二投影透鏡52和第三投影透鏡53匯聚后將所述調焦光斑201和對準光斑202匯聚投射至所述標記上，并被所述標記反射，通過分光棱鏡7從反射光中分離出調焦光斑201和對準光斑202，調焦探測器801對所述調焦光斑201成像得到調焦信號，對準探測器802對所述對準光斑202成像得到對準信號。

s3:根據所述調焦信號獲得所述基底1的垂向高度變化，根據所述對準信號 獲得所述基底1的水平向位置變化，進而對所述基底1進行姿態調整。具體包括以下步驟：

s31：以沿著所述第一線條的方向為x軸，以沿著所述第二線條的方向為y軸，在所述基底1上建立坐標系；

s32：從所述對準信號中探測所述第一線條，得到所述第一線條的y坐標值，計算所述第一線條的y坐標值與預設的第一線條的y坐標值的差值，得到所述基底1的y向變化值δy；

s33：從所述對準信號中探測所述第二線條，得到所述第二線條的x坐標值，將所述第二線條的x坐標值減去離焦干擾量x'＝tanα·δz得到所述第二線條真實的x坐標值，計算所述第二線條真實的x坐標值與預設的第二線條的x坐標值的差值，得到所述基底1的x向變化值δx，其中，δz為所述基底1的垂向高度變化，α為所述照明光在所述基底1表面的入射角。

如圖7所示，對基底1在水平向的位置變化進行計算，針對基底1上正交的十字標記，x軸方向線條line1為平行于對準光斑202在基底1上投影方向的標記線。針對兩個不同高度的平面1和平面2，十字標記在探測器上的位置發生了偏移，但x軸方向線條line1的y坐標未發生變化，說明該方向的y坐標不受垂向的串擾，可對x軸方向線條line1的y坐標進行探測，將其與該方向的參考值做差，得到y方向的變化值δy，用于y向的對準。針對x向進行對準測量時，測量y軸方向線條line2的x坐標，如圖8所示，由于x坐標受到垂向的串擾，而且與垂向高度及對準光斑202在基底1上的入射角α相關，且該影響量x'可以通過下式計算得到：

x'＝tanα·δz(3)

將測量得到的x坐標減去x'即為真實的坐標位置，將該坐標位置與該方向的參考值做差，得到x方向的變化值δx。最終通過δx和δy進行水平向的對準。

請重點參照圖3，獲得所述基底的垂向高度變化δz的計算式如下：

其中，α為所述調焦光斑201在所述基底1表面的入射角，m為所述調焦透鏡組9的倍率，δp為所述調焦光斑201在所述調焦探測器801上的位置變化值，即當前位置與參考位置的差值，該差值可以將當前調焦光斑201在探測面上沿x軸坐標與參考位置下調焦光斑201在探測面上沿x軸坐標做差得到，由于投影狹縫401的寬度與y軸方向一致，由于y軸方向的na較高，使調焦光斑201沿x軸的分辨率較低，因此有效降低基底表面的工藝影響，由于四組投影狹縫401可以得到四個垂向高度變化值，將四個值進行擬合得到最終的δz。

具體的，采用模版匹配法從所述對準信號中探測所述第一線條和所述第二線條。如圖6所示，模板匹配法首先需要對對準標記進行學習，產生標記模板數據；然后按照一定的匹配度函數，使用模板在檢測圖像中進行搜索，找出匹配度最大的位置，該位置就是標記(即圖中的十字標記)的位置。

實施例2

如圖9所示，本實施例與實施例1不同的是，本調焦對準裝置中還包括與所述第一探測支路100完全相同的第二探測支路200，所述第二探測支路200與所述第一探測支路100呈十字交叉分布，所述第一探測支路100的光軸在所述基底1上的投影方向平行于x軸方向線條line1，所述第二探測支路200的光軸在所述基底1上的投影方向平行于y軸方向線條line2，在進行對準測量時，通過第一探測支路100對x軸方向線條line1的y坐標進行探測，x軸方向線條line1的y坐標不受垂向串擾，可用于y向對準；通過第二探測支路200對y軸方向線條line2的x坐標進行探測，同理，y軸方向線條line2的x坐標也不受垂向變化的串擾，因此無需做補償處理，直接將測量的得到的x坐標與該方向的參考值做對比就可以得到x方向的變化值δx，最后結合第一探測支路100測量得到的δy進行水平向的對準，通過該方法可以完全避免垂向的串擾，提 高對準精度。

綜上所述，本發明提供的調焦對準裝置及其方法，通過設置投影狹縫陣列4產生調焦光斑201和對準光斑202，經基底表面反射后通過分光棱鏡7將兩種光斑分離，并分別通過調焦探測器801和對準探測器802進行成像和探測，將調焦測量與對準測量集合在同一個裝置中，減少了占用空間，提高了光刻機的空間緊湊性，節約了成本；光源3、投影狹縫陣列4、分光棱鏡7以及探測單元滿足sc成像條件，保證基底1表面與兩個探測器801、802的探測面為物象關系，使基底1上的標記清晰成像到兩個探測器801、802上，提高了調焦和對準測量精度；在光源3和投影狹縫陣列4之間設置光闌3，光闌3為橢圓形，通過檢測平行于橢圓形短軸方向的標記位置，可以避免垂向對該水平向的串擾，檢測平行于橢圓形長軸方向的標記位置，并通過垂向對該水平向位置進行補償，有效消除了垂向對水平向的串擾，提高了對準精度。

雖然說明書中對本發明的實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應限定本發明的保護范圍。在不脫離本發明宗旨的范圍內進行各種省略、置換和變更均應包含在本發明的保護范圍內。