一种调焦对准装置及对准方法与流程

本发明涉及光刻机技术领域，具体涉及一种调焦对准装置及对准方法。

背景技术：

投影光刻机是将掩模上的图案通过投影物镜投影到工件表面的装置。在投影光刻设备中，fls(focusandlevelingsensor，调焦传感器)用于对被测工件(即基底)的垂向位置测量，即调焦测量，以确保基底上表面位于投影物镜的焦深范围内，mvs(machinevisionsensor机器视觉传感器)用于对被测工件的水平向位置测量，即对准测量，以实现基底表面标记的对准。垂向测量与水平向测量结果用于对基底台进行伺服控制，将基底表面精确地移动到指定的曝光位置。

目前实现调焦测量主要采用基于光电式三角测量技术，如现有技术中披露的一种大角度三角测量的调焦调平装置和方法等。实现对准测量则主要采用基于机器视觉的图像边缘检测技术，该技术要求光路垂直入射到被测工件表面，否则被测工件的垂向位置变化会导致水平向位置检测的偏差，也即离焦倾斜现象。如现有技术中披露了一种垂直入射的对准方案，利用同轴对准方式实现基底表面的对准，之后又提出了一种大视场物体微观表面三维形貌的测量系统，水平运动载物台，利用干涉条纹记录每个位置的高度。

然而上述两个方案都存在以下两方面的问题：一是由于光刻机空间布局紧凑，在实际应用中，采用垂直入射的对准传感器容易受到空间限制，且由于基底上方布有物镜等装置，导致对准传感器无法在其上方布置；二是调焦测量与对准测量采用两个独立的测量系统，占用了较大的空间，影响了光刻机的空间紧凑性。

技术实现要素：

本发明提供了一种调焦对准装置及对准方法，用于基底的调焦和水平向对准，以解决上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种调焦对准装置，用于基底台上基底的调焦和对准，包括第一探测支路，所述第一探测支路沿光路方向依次包括：

光源，产生均匀的照明光；

投影狭缝阵列，所述照明光经所述投影狭缝阵列后产生调焦光斑和对准光斑，投射至所述基底表面；

分光棱镜，分离经所述基底反射的调焦光斑和对准光斑；

探测单元，包括调焦探测器和对准探测器，所述调焦探测器对所述调焦光斑成像得到调焦信号，所述对准探测器对所述对准光斑成像得到对准信号；

以及信号处理单元，根据所述调焦信号获得所述基底的垂向高度变化，根据所述对准信号获得所述基底的水平向位置变化；

所述第一探测支路满足scheimpflug成像条件。

进一步的，所述基底上设有标记，所述标记包括第一线条和相对所述第一线条正交分布的第二线条，所述第一线条平行于所述照明光的光轴在所述基底上的投影方向。

进一步的，所述第一探测支路同时探测所述第一线条和所述第二线条。

进一步的，所述调焦对准装置还包括与所述第一探测支路完全相同的第二探测支路，所述第一探测支路探测所述第一线条，所述第二探测支路探测所述第二线条。

进一步的，所述光源和投影狭缝阵列之间设有光阑，所述光阑为椭圆形，所述椭圆形的短轴平行于所述照明光的光轴在所述基底上的投影方向，所述椭圆形的长轴垂直于所述椭圆形的短轴。

进一步的，所述投影狭缝阵列后方设有投影单元，将所述投影狭缝阵列产生的调焦光斑和对准光斑汇聚并投射至所述基底表面。

进一步的，所述分光棱镜前方设有探测前组透镜，接收经过所述基底表面反射的光斑束。

进一步的，所述投影狭缝阵列的中心设有圆形视场，所述照明光经过所述圆形视场后形成所述对准光斑，所述圆形视场外周设有若干组投影狭缝，所述照明光经过所述投影狭缝后形成所述调焦光斑。

进一步的，所述投影单元沿光路依次包括第一投影透镜、第二投影透镜和第三投影透镜，所述第一投影透镜、第二投影透镜和第三投影透镜共焦面。

进一步的，所述分光棱镜与所述调焦探测器之间还设有调焦透镜组，所述分光棱镜与所述对准探测器之间还设有对准透镜组。

进一步的，所述对准透镜组沿光路依次包括第一对准透镜和第二对准透镜，所述第一对准透镜和第二对准透镜共焦面。

本发明还提供一种调焦对准方法，包括以下步骤：

s1：设置标记于基底上，所述标记包括第一线条，及相对所述第一线条正交分布的第二线条；

s2；设置第一探测光路探测所述标记，获得对准信号及调焦信号，所述第一探测光路相对所述第一线条或所述第二线条平行设置；

s3；根据所述调焦信号获得所述基底的垂向高度变化，根据所述对准信号获得所述基底的水平向位置变化，进而对所述基底进行姿态调整。

进一步的，所述步骤s2具体为：所述第一探测光路满足scheimpflug成像条件，照明光通过投影狭缝阵列产生调焦光斑和对准光斑，将所述调焦光斑和对准光斑汇聚投射至所述标记上，并被所述标记反射，通过分光棱镜从反射光中分离出调焦光斑和对准光斑，调焦探测单元对所述调焦光斑成像得到调焦信号，对准探测单元对所述对准光斑成像得到对准信号。

进一步的，所述步骤s3中获得所述基底的水平向位置变化具体为：

s31：以沿着所述第一线条的方向为x轴，以沿着所述第二线条的方向为y轴，在所述基底上建立坐标系；

s32：从所述对准信号中探测所述第一线条，得到所述第一线条的y坐标值，计算所述第一线条的y坐标值与预设的第一线条的y坐标值的差值，得到所述基底的y向变化值δy；

s33：从所述对准信号中探测所述第二线条，得到所述第二线条的x坐标值，将所述第二线条的x坐标值减去离焦干扰量x'＝tanα·δz得到所述第二线条真实的x坐标值，计算所述第二线条真实的x坐标值与预设的第二线条的x坐标值的差值，得到所述基底的x向变化值δx，其中，δz为所述基底的垂向高度变化，α为所述照明光在所述基底表面的入射角。

进一步的，所述步骤s3中获得所述基底的垂向高度变化δz的计算式如下：

其中，α为所述调焦光斑在所述基底表面的入射角，δp为所述调焦光斑在所述调焦探测单元上的位置变化值，m为所述调焦探测单元的倍率。

进一步的，采用模版匹配法从所述对准信号中探测所述第一线条和所述第二线条。

本发明还提供一种调焦对准方法，包括以下步骤：

s1，设置标记于基底上，所述标记包括第一线条，及相对所述第一线条正交分布的第二线条；

s2，设置第一探测光路探测所述第一线条，获得第一对准信号及第一调焦信号，所述第一探测光路相对所述第一线条平行设置；

s3，设置第二探测光路探测所述第二线条，获得第二对准信号及第二调焦信号，所述第二探测光路相对所述第二线条平行设置；

s4，根据所述第一调焦信号和/或第二调焦信号获得所述基底的垂向高度变化，根据所述第一对准信号和所述第二对准信号获得所述基底的水平向位置变 化，进而对所述基底进行姿态调整。

进一步的，所述第一探测光路满足scheimpflug成像条件，照明光通过投影狭缝阵列产生调焦光斑和对准光斑，将所述调焦光斑和对准光斑汇聚投射至所述第一线条上，并被所述第一线条反射，通过分光棱镜从反射光中分离出调焦光斑和对准光斑，调焦探测单元对所述调焦光斑成像得到第一调焦信号，对准探测单元对所述对准光斑成像得到第一对准信号，所述第二探测光路与所述第一探测光路完全相同。

进一步的，所述步骤s4中获得所述基底的水平向位置变化具体为：

s41：以沿着所述第一线条的方向为x轴，以沿着所述第二线条的方向为y轴，在所述基底上建立坐标系；

s42：从所述第一对准信号中探测所述第一线条，得到所述第一线条的y坐标值，计算所述第一线条的y坐标值与预设的第一线条的y坐标值的差值，得到所述基底的y向变化值δy；

s43：从所述第二对准信号中探测所述第二线条，得到所述第二线条的x坐标值，计算所述第二线条的x坐标值与预设的第二线条的x坐标值的差值，得到所述基底的x向变化值δx。

进一步的，所述步骤s4中获得所述基底的垂向高度变化δz的计算式如下：

其中，α为所述调焦光斑在所述基底表面的入射角，δp为所述调焦光斑在所述调焦探测单元上的位置变化值，m为所述调焦探测单元的倍率。

进一步的，采用模版匹配法从所述第一对准信号中探测所述第一线条，从所述第二对准信号中探测所述第二线条。

本发明提供的调焦对准装置及其方法，通过设置投影狭缝阵列使投射至其表面的照明光产生调焦光斑和对准光斑，经基底表面反射后通过分光棱镜将两种光斑分离，并分别通过调焦探测器和对准探测器进行成像和探测，将调焦测 量与对准测量集合在同一个装置中，减少了占用空间，提高了光刻机的空间紧凑性，节约了成本；光源、投影狭缝阵列、分光棱镜以及探测单元满足sc成像条件，保证基底表面与两个探测器的探测面为物象关系，使基底上的标记清晰成像到两个探测器上，提高了调焦和对准测量精度；在光源和投影狭缝之间设置光阑，光阑为椭圆形，通过检测平行于椭圆形短轴方向的标记位置，可以避免垂向对该水平向的串扰，检测平行于椭圆形长轴方向的标记位置，并通过垂向对该水平向位置进行补偿，有效消除了垂向对水平向的串扰，提高了对准精度。

附图说明

图1是本发明实施例1中调焦对准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中投影狭缝阵列的结构示意图；

图3是本发明实施例1中垂向高度变化的计算示意图；

图4是本发明实施例1中光阑的结构示意图；

图5是本发明实施例1中对准标记的成像示意图；

图6是本发明实施例1中对准测量中模板匹配示意图；

图7是本发明实施例1中针对不同平面中对准标记的成像示意图；

图8是本发明实施例1中针对不同平面中对准标记的成像示意图；

图9是本发明实施例2中调焦对准装置的结构示意图。

图中所示：1、基底；100、第一探测支路；2、光源；201、调焦光斑；202、对准光斑；3、光阑；4、投影狭缝阵列；401、投影狭缝；402、圆形视场；5、投影单元；51、第一投影透镜；52、第二投影透镜；53、第三投影透镜；6、探测前组透镜；7、分光棱镜；801、调焦探测器；802、对准探测器；9、调焦透镜组；10、对准透镜组；101、第一对准透镜；102、第二对准透镜；200、第一探测支路；line1、x轴方向线条；line2、y轴方向线条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种调焦对准装置，用于基底台上基底1的调焦和对准，所述基底1上设有标记，所述标记包括第一线条和相对所述第一线条正交分布的第二线条，具体地，本实施例采用十字标记，第一线条为x轴方向线条line1，第二线条为y轴方向线条line2，如图5所示。

所述调焦对准装置包括第一探测支路100，所述第一探测支路100同时探测所述第一线条和所述第二线条，所述第一探测支路100沿光路方向依次包括：

光源2，产生均匀的照明光，所述第一线条平行于所述照明光的光轴在所述基底1上的投影方向。

投影狭缝阵列4，所述照明光经所述投影狭缝阵列4后产生调焦光斑201和对准光斑202，投射至所述基底1的表面，具体的，所述投影狭缝阵列4上设有用于产生调焦光斑201的投影狭缝401和用于产生对准光斑202的圆形视场402，如图2所示，所述圆形视场402位于投影狭缝阵列4的中心，所述投影狭缝401设有若干组，且位于所述圆形视场402的外周，本实施例中，投影狭缝401设有四组，每一组投影狭缝401包括三个狭缝，且均匀分布在所述圆形视场402的外周。

分光棱镜7，分离经基底1表面反射的调焦光斑201和对准光斑202；以及

探测单元，包括调焦探测器801和对准探测器802，所述调焦探测器801对所述调焦光斑201进行成像得到调焦信号，所述对准探测器802对所述对准光斑202进行成像得到对准信号；具体的，所述调焦探测器801和对准探测器802均为ccd或均为cmos，其中对准探测器802的探测过程包括对准标记成像、ccd将其转换成数字图像、采集ccd输出的图像、软件系统使用图像处理算法计算出对准标记的像素坐标。

以及信号处理单元，根据所述调焦信号获得所述基底1的垂向高度变化， 根据所述对准信号获得所述基底1的水平向位置变化；

所述第一探测支路满足scheimpflug(倾斜的物成倾斜的像)成像条件，具体的，如图3所示，假设系统k的倍率为m则有：

δl'＝m·δl(1)

其中，δl和δl'分别为基底1高度变化时，光线经系统k放大前后的变化间距。

同时基底1表面的光线入射角α与探测器t的探测面的光线入射角θ应满足：

tanα＝m·tanθ(2)

此外，还应保证光线在基底1表面的法线与光线在探测面的法线共面。

请继续参照图1，所述光源2和投影狭缝4之间设有光阑3，所述光阑3中部的通孔呈椭圆形，所述椭圆形的短轴平行于所述照明光的光轴在所述基底1上的投影方向，所述椭圆形的长轴垂直于所述椭圆形的短轴。如图4所示，即长度方向(x轴)为短轴，对应小的na(numericalaperture，数值孔径)，即na1，宽度方向(y轴)为长轴，对应大的na，即na2，如图5所示，针对基底1表面的十字标记，y轴方向线条line2的na较大，使得x轴方向线条line1分辨率更高，且x轴方向线条line1的y坐标不受垂向串扰，用于y向对准测量；x轴方向线条line1的na较小，使得y轴方向线条line2分辨率较低，该y轴方向线条line2可用于调焦测量，同时得到y轴方向线条line2的x坐标用于x向对准，虽然得到的x坐标会受垂向串扰，但由于该垂向串扰与垂向高度及照明光在基底1上的入射角相关，通过计算串扰量进而补偿x坐标位置，从而提高x向对准精度。

请继续参照图1，所述投影狭缝阵列4后方设有投影单元5，将所述投影狭缝阵列4产生的调焦光斑201和对准光斑202汇聚并投射至所述基底1表面，优选的，投影单元5包括第一投影透镜51、第二投影透镜52和第三投影透镜53，所述第一投影透镜51、第二投影透镜52和第三投影透镜53共焦面。

请继续参照图1，所述分光棱镜7前方设有探测前组透镜6，接收经过基底1表面反射的光斑束，包括调焦光斑201和对准光斑202，并将接收的光斑束投射至分光棱镜7进行分离。

请继续参照图1，分光棱镜7与所述调焦探测器801之间还设有调焦透镜组9，用于汇聚经分光棱镜7透射出的调焦光斑201，并将其投射至调焦探测器801，所述分光棱镜7与所述对准探测器802之间还设有对准透镜组10，用于汇聚经分光棱镜7反射出的对准光斑202，并将其投射至对准探测器802，优选的，所述对准透镜组10包括第一对准透镜101和第二对准透镜102，所述第一对准透镜101和第二对准透镜102共焦面。

本发明还提供一种采用以上调焦对准装置的调焦对准方法，包括以下步骤：

s1：设置标记于基底1上，所述标记包括第一线条，及相对所述第一线条正交分布的第二线条；

s2：设置第一探测光路100探测所述标记，获得对准信号及调焦信号，所述第一探测光路100相对所述第一线条或所述第二线条平行设置；具体的，所述第一探测光路100满足scheimpflug成像条件，照明光通过投影狭缝阵列4产生调焦光斑201和对准光斑202，使照明光束通过投影狭缝阵列4，产生调焦光斑201和对准光斑202，投射至基底1表面，接着经过分光棱镜7分离出调焦光斑201和对准光斑202，分别被调焦探测器801和对准探测器接收802，进行成像；具体的，照明光经过光阑3进行x轴的小na和y轴的大na配比，并通过投影狭缝阵列4产生调焦光斑201和对准光斑202后经过投影单元5的第一投影透镜51、第二投影透镜52和第三投影透镜53汇聚后将所述调焦光斑201和对准光斑202汇聚投射至所述标记上，并被所述标记反射，通过分光棱镜7从反射光中分离出调焦光斑201和对准光斑202，调焦探测器801对所述调焦光斑201成像得到调焦信号，对准探测器802对所述对准光斑202成像得到对准信号。

s3:根据所述调焦信号获得所述基底1的垂向高度变化，根据所述对准信号 获得所述基底1的水平向位置变化，进而对所述基底1进行姿态调整。具体包括以下步骤：

s31：以沿着所述第一线条的方向为x轴，以沿着所述第二线条的方向为y轴，在所述基底1上建立坐标系；

s32：从所述对准信号中探测所述第一线条，得到所述第一线条的y坐标值，计算所述第一线条的y坐标值与预设的第一线条的y坐标值的差值，得到所述基底1的y向变化值δy；

s33：从所述对准信号中探测所述第二线条，得到所述第二线条的x坐标值，将所述第二线条的x坐标值减去离焦干扰量x'＝tanα·δz得到所述第二线条真实的x坐标值，计算所述第二线条真实的x坐标值与预设的第二线条的x坐标值的差值，得到所述基底1的x向变化值δx，其中，δz为所述基底1的垂向高度变化，α为所述照明光在所述基底1表面的入射角。

如图7所示，对基底1在水平向的位置变化进行计算，针对基底1上正交的十字标记，x轴方向线条line1为平行于对准光斑202在基底1上投影方向的标记线。针对两个不同高度的平面1和平面2，十字标记在探测器上的位置发生了偏移，但x轴方向线条line1的y坐标未发生变化，说明该方向的y坐标不受垂向的串扰，可对x轴方向线条line1的y坐标进行探测，将其与该方向的参考值做差，得到y方向的变化值δy，用于y向的对准。针对x向进行对准测量时，测量y轴方向线条line2的x坐标，如图8所示，由于x坐标受到垂向的串扰，而且与垂向高度及对准光斑202在基底1上的入射角α相关，且该影响量x'可以通过下式计算得到：

x'＝tanα·δz(3)

将测量得到的x坐标减去x'即为真实的坐标位置，将该坐标位置与该方向的参考值做差，得到x方向的变化值δx。最终通过δx和δy进行水平向的对准。

请重点参照图3，获得所述基底的垂向高度变化δz的计算式如下：

其中，α为所述调焦光斑201在所述基底1表面的入射角，m为所述调焦透镜组9的倍率，δp为所述调焦光斑201在所述调焦探测器801上的位置变化值，即当前位置与参考位置的差值，该差值可以将当前调焦光斑201在探测面上沿x轴坐标与参考位置下调焦光斑201在探测面上沿x轴坐标做差得到，由于投影狭缝401的宽度与y轴方向一致，由于y轴方向的na较高，使调焦光斑201沿x轴的分辨率较低，因此有效降低基底表面的工艺影响，由于四组投影狭缝401可以得到四个垂向高度变化值，将四个值进行拟合得到最终的δz。

具体的，采用模版匹配法从所述对准信号中探测所述第一线条和所述第二线条。如图6所示，模板匹配法首先需要对对准标记进行学习，产生标记模板数据；然后按照一定的匹配度函数，使用模板在检测图像中进行搜索，找出匹配度最大的位置，该位置就是标记(即图中的十字标记)的位置。

实施例2

如图9所示，本实施例与实施例1不同的是，本调焦对准装置中还包括与所述第一探测支路100完全相同的第二探测支路200，所述第二探测支路200与所述第一探测支路100呈十字交叉分布，所述第一探测支路100的光轴在所述基底1上的投影方向平行于x轴方向线条line1，所述第二探测支路200的光轴在所述基底1上的投影方向平行于y轴方向线条line2，在进行对准测量时，通过第一探测支路100对x轴方向线条line1的y坐标进行探测，x轴方向线条line1的y坐标不受垂向串扰，可用于y向对准；通过第二探测支路200对y轴方向线条line2的x坐标进行探测，同理，y轴方向线条line2的x坐标也不受垂向变化的串扰，因此无需做补偿处理，直接将测量的得到的x坐标与该方向的参考值做对比就可以得到x方向的变化值δx，最后结合第一探测支路100测量得到的δy进行水平向的对准，通过该方法可以完全避免垂向的串扰，提 高对准精度。

综上所述，本发明提供的调焦对准装置及其方法，通过设置投影狭缝阵列4产生调焦光斑201和对准光斑202，经基底表面反射后通过分光棱镜7将两种光斑分离，并分别通过调焦探测器801和对准探测器802进行成像和探测，将调焦测量与对准测量集合在同一个装置中，减少了占用空间，提高了光刻机的空间紧凑性，节约了成本；光源3、投影狭缝阵列4、分光棱镜7以及探测单元满足sc成像条件，保证基底1表面与两个探测器801、802的探测面为物象关系，使基底1上的标记清晰成像到两个探测器801、802上，提高了调焦和对准测量精度；在光源3和投影狭缝阵列4之间设置光阑3，光阑3为椭圆形，通过检测平行于椭圆形短轴方向的标记位置，可以避免垂向对该水平向的串扰，检测平行于椭圆形长轴方向的标记位置，并通过垂向对该水平向位置进行补偿，有效消除了垂向对水平向的串扰，提高了对准精度。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。