CN105022239A - 背面对准装置及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背面对准装置及对准方法，该装置包括：偏振照明组件，产生照明光束；中继镜头，安装于工件台内部，所述照明光束经中继镜头后照射硅片背面对准标记；和离轴镜头，设置于工件台上方，配合所述中继镜头对所述对准标记进行透射式对准或反射式对准。本发明采用偏振照明组件与中继镜头结合的方式，既提高了能量效率，又使得反射式和透射式对准相互结合，扩展了背面对准装置的功能，又使得其结构简单紧凑。

Description

背面对准装置及对准方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种背面对准装置及对准方法。

背景技术

在半导体加工制造中，硅片双面光刻技术已应用于微电子机械***、射频器件制造以及先进封装技术领域。微机电***加工的典型产品包括：惯性加速度计、压力传感器、光学可变衰减片、喷墨打印头。射频器件制造过程中通过双面光刻可减小因厚金属沉积导致的信号衰减；先进封装技术借助贯穿硅片通孔工艺制造垂向高密度跨芯片的连接线，可以实现多层堆叠二维平面器件的三维集成。

双面处理技术直接决定上述产品加工质量。例如压力传感器制造过程中，器件性能及质量取决于前面与背面工艺层二者间定位精度；先进封装器件内连接管道需任意布置，也对硅片前面与背面的对准提出高精度需求。

背面对准可分为红外离轴对准和硅片底面对准两种方式。如图1a和1b所示，现有一种硅片底面背面对准的成像光学***，与传统的中继成像镜头相比，其在光路中间加了一块带楔角的长条棱镜，从而使硅片背面对准标记与中继镜头的像在光轴方向上保持一致来减少测量误差。

然而，在光路中***带楔角的长条棱镜会引入非对称像差，影响成像质量；另外，硅片背面的对准标记经棱镜倒像后仍与原标记为镜像关系，两者不能彻底一致，这为该***的功能扩展带来很大的问题。再者，即使通过倒像使得标记物像位置一致，但在加工装配过程中引入的光轴误差，若不进行合理的标定，仍会对测量精度产生恶劣的影响。

发明内容

本发明提供一种背面对准装置及对准方法，以克服现有技术中硅片背面对准装置存在非对称像差，影响成像质量的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种背面对准装置，沿光传播方向依次包括：偏振照明组件，产生照明光束；中继镜头，安装于工件台内部，所述照明光束经中继镜头后照射硅片背面对准标记；和成像镜头，设置于工件台上方，配合所述中继镜头对所述对准标记进行透射式对准或反射式对准。

作为优选，所述中继镜头包括屋脊棱镜、透镜组件和反射镜。

作为优选，所述偏振照明组件与所述中继镜头中的屋脊棱镜和透镜组件组成柯勒照明***，为硅片的对准标记提供均匀照明。

作为优选，所述反射镜采用平面反射镜或棱镜。

作为优选，所述偏振照明组件沿光传播的方向依次包括：光源、偏振分光棱镜和λ/4相位延迟片。

作为优选，所述光源采用可见光、近红外光或红外光。

作为优选，所述成像镜头采用CCD、CMOS或红外传感器。

作为优选，所述中继镜头成像光路的物像方均为远心结构。

作为优选，所述背面对准装置还包括水平向运动机构，所述水平向运动机构带动所述中继镜头进行水平向视场扫描。

作为优选，所述偏振照明组件设置于所述工件台内。

作为优选，所述偏振照明组件集成在成像镜头内部。

作为优选，所述离轴镜头为物方远心成像镜头。

本发明还提供一种对准方法，应用于上述对准装置中，该对准装置包括偏振照明组件、中继镜头及成像镜头，对硅片背面的对准标记进行反射式对准或透射式对准，该对准方法包括：当所述对准标记与所述硅片正面之间形成金属工艺层时，使用中继镜头与成像镜头配合进行透射式对准；以及当所述对准标记与所述硅片之间未形成金属工艺层时，使用成像镜头和/或中继透镜进行反射式对准或透射式对准。

作为优选，所述偏振照明组件与所述中继镜头安装于承载所述硅片的工件台内部。

作为优选，所述偏振照明组件集成在所述成像镜头内部。

作为优选，所述偏振照明组件包括红外光源，所述透射式对准包括：红外光源发出的红外光束经所述中继镜头照射所述对准标记，经所述对准标记透射的光入射至所述成像镜头。

作为优选，所述偏振照明组件包括可见光源，所述反射式对准包括：可见光源发出的可见光束经所述中继镜头照射所述对准标记，所述对准标记反射后的可见光束经所述中继镜头入射至所述成像镜头。

作为优选，还包括在执行反射式或透射式对准时，透过一水平运动机构带动所述中继镜头进行水平向视场扫描。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在中继镜头中采用屋脊棱镜和透镜组件配合的方式进行物像关系转换，相较现有技术中的楔形棱镜，没有额外的非对称像差引入，且使物像关系保持完全的一致，减少对中继镜头水平运动机构的定位精度要求。采用偏振照明组件与中继镜头结合的方式，既提高了能量效率，又使得反射式和透射式对准相互结合，扩展了背面对准装置的功能，又使得其结构简单紧凑。

附图说明

图1a～1b为现有技术中背面对准装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中背面对准结构的结构示意图；

图3为本发明实施例1中中继镜头的结构示意图；

图4为本发明实施例1中中继镜头的物像关系示意图；

图5为本发明实施例1中背面对准装置中光路偏振态关系示意图；

图6为本发明实施例2中背面对准装置的结构示意图；

图7为本发明实施例2中中继镜头的结构示意图；

图8为本发明实施例2中中继镜头的物像关系示意图。

图2～5中：

110-中继镜头、111-屋脊棱镜、112-透镜组件、120-工件台、130-硅片、140-离轴镜头、150-对准标记、160-像面、170-偏振照明组件、171-光源、172-偏振分光棱镜、173-λ/4相位延迟片。

101-自然光、102-P偏振光、103-左旋圆偏振光、104-右旋圆偏振光、105-S偏振光。

图6～8中：210-中继镜头、211-屋脊棱镜、212-透镜组件、213-反射镜、220-工件台、230-硅片、240-离轴镜头、250-对准标记、260-像面、270-中继镜头水平向运动机构。

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。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

如图2所示，本实施例的背面对准装置，包括：中继镜头110、离轴镜头140和偏振照明组件170。其中，所述中继镜头110和偏振照明组件170均安装在工件台120的内部，所述工件台120带动所述中继镜头110、偏振照明组件170和工件台120表面的硅片130做水平向和垂向运动，以实现硅片130背面对准的功能。具体地，所述偏振照明组件170产生照明光束，所述照明光束经中继镜头110后照射硅片背面的对准标记150。所述离轴镜头140设置于工件台

120上方，用于对中继镜头110所成的对准标记150的像进行二次成像或对硅片130的对准标记150进行成像。

如图3～4所示，所述中继镜头110沿工件台120中心向边缘方向依次包括：屋脊棱镜111和透镜组件112。

所述中继镜头110成像光路的物像方均为远心结构，屋脊棱镜111、透镜组件112和偏振照明组件170组成柯勒照明***，为对准标记150提供均匀的照明光。

所述偏振照明组件170包括光源171、偏振分光棱镜(PBS)172和λ/4相位延迟片173。其中，光源171可以采用普通的照明光源，也可以采用LED光源或者激光光源，相应的，光源171采用的光为可见光、近红外光或红外光。

如图5所示，下面以普通照明光源为例，说明所述偏振照明组件170的工作原理：普通的照明光源所发出的光为自然光101，有P、S两种偏振状态，经过偏振分光棱镜172后S偏振光被反射，P偏振光102透射。P偏振光102经λ/4相位延迟片173后变成左旋圆偏振光103，左旋圆偏振光103被对准标记150反射后，旋向发生改变，变为右旋圆偏振光104；该右旋圆偏振光104经λ/4相位延迟片173后变为S偏振光105再被偏振分光棱镜172反射后出射。无论采用何种方式对准，光耦合进***的损失均为50％，若光源171为偏振光源则理论上的分光损失为0。

需要说明的是，背面对准时，硅片130上的对准标记150处于硅片130的下表面。需要背面对准装置穿透硅片130或从硅片130底部对对准标记150进行对准。因此，本实施例的背面对准装置可采用的对准方法有反射式对准和透射式对准两种，其各自适用的情况如下：

1、当硅片130背面的对准标记150与上表面之间仅为硅材料时，可用红外的离轴镜头140从上方穿透硅片130后进行反射式对准，也可用中继镜头110与离轴镜头140配合，从硅片130下方进行反射式对准；

2、当硅片130上表面与对准标记150之间具有金属工艺层时，离轴镜头140无法从硅片130上方直接穿透硅片130，仅能够使用中继镜头110与离轴镜头140配合进行反射式对准；

3、在硅片130上表面与对准标记150之间无金属层的情况下，还可以通过中继镜头110对对准标记150进行照明，同时与离轴镜头140配合，进行透射式对准。

较佳的，所述反射式对准的过程为：光源171发出的光经偏振分光棱镜172、λ/4相位延迟片173、透镜组件112、屋脊棱镜111照亮对准标记150，反射光由原路返回到偏振照明组件170后，因偏振态的改变被反射，形成像150’。工件台120带动硅片130水平运动，此时离轴镜头140对中继镜头110的像面160进行扫描，直到搜寻到对准标记150的像150’为止，对准完成。

透射式对准的过程为：光源171发出的红外光经偏振分光棱镜172、λ/4相位延迟片173、透镜组件112、屋脊棱镜111照亮对准标记150，工件台120带动硅片130的对准标记150水平运动到离轴镜头140的视场中，红外光穿透硅片130后进入离轴镜头140，对准标记150成像在离轴镜头140的像面上，对准完成。透射式对准的优点为所需能量较小，对准标记150所成图像对比度高。

作为优选，所述离轴镜头140采用CCD、CMOS或红外传感器。

实施例2

如图6所示，由于中继镜头210的视场不能无限做大，一方面会增加中继镜头210的体积及复杂性，另一方面工件台220内部空间有限，实施困难。本实施例采用中继镜头水平向运动机构270，可带动中继镜头210进行水平向视场扫描，以扩大中继镜头210的对准范围。然而，当对准标记250的物像成镜像关系时，少许的定位精度误差将会导致对准标记250成像往相反方向的2倍位移，这对中继镜头水平向运动机构270的定位精度提出了更高的要求，同时也增加了其复杂程度。本实施例则通过采用如图6～8所示的物像关系一致的中继镜头210来解决上述问题。

如图6所示，本实施例的扫描式背面对准装置，包括中继镜头210、中继镜头水平向运动机构270和离轴镜头240，其中，中继镜头210由屋脊棱镜211、透镜组件212和反射镜213组成。同样地，中继镜头210安装在工件台220内部，工件台220上吸附有硅片230，硅片230底部设置有对准标记250，所述中继镜头水平向运动机构270带动中继镜头210进行水平向视场扫描的作用。

所述中继镜头210的成像光路物像方均为远心结构，可采用平面反射镜，也可以采用棱镜作为反射镜213。

所述离轴镜头240本身带有同轴柯勒照明光路，其工作同样在可见光、近红外或红外波段。进一步的，所述离轴镜头240为物方远心成像镜头，具有一定的放大倍率，其可采用CCD、CMOS或红外传感器作为探测器。

如图6～8所示，背面对准装置的工作流程为：

离轴镜头240带有的同轴柯勒照明光经反射镜213、透镜组件212和屋脊棱镜211，均匀照亮对准标记250。对准标记250的反射光原路返回成像在工件台220上表面上，像250’被离轴镜头240成像在其像面。若离轴镜头240遍历整个中继镜头240的像面260而没有发现对准标记250时，中继镜头水平向运动机构270带动中继镜头210按一定路线移动一个位置，直到离轴镜头240找到对准标记250为止。采用本实施例的背面对准装置在背面对准时，中继镜头210的定位精度不佳并不会影响硅片230对准的精度。

综上所述，本发明的背面对准装置及对准方法，该装置沿光传播方向依次包括：偏振照明组件，产生照明光束；中继镜头，安装于工件台内部，所述照明光束经中继镜头后照射硅片背面对准标记；和成像镜头，设置于工件台上方，配合所述中继镜头对所述对准标记进行透射式对准或反射式对准。本发明在中继镜头中采用屋脊棱镜和透镜组件配合的方式进行物像关系转换，相较现有技术中的楔形棱镜，没有额外的非对称像差引入，且使物像关系保持完全的一致，减少对中继镜头水平运动机构的定位精度要求。采用偏振照明组件与中继镜头结合的方式，既提高了能量效率，又使得反射式和透射式对准相互结合，扩展了背面对准装置的功能，又使得其结构简单紧凑。

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 (18)

1.一种背面对准装置，其特征在于，沿光传播方向依次包括：

偏振照明组件，产生照明光束；

中继镜头，安装于工件台内部，所述照明光束经中继镜头后照射硅片背面对准标记；和

成像镜头，设置于工件台上方，配合所述中继镜头对所述对准标记进行透射式对准或反射式对准。

2.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述中继镜头包括屋脊棱镜、透镜组件和反射镜。

3.如权利要求2所述的背面对准装置，其特征在于，所述偏振照明组件与所述中继镜头中的屋脊棱镜和透镜组件组成柯勒照明***，为硅片的对准标记提供均匀照明。

4.如权利要求2所述的背面对准装置，其特征在于，所述反射镜采用平面反射镜或棱镜。

5.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述偏振照明组件沿光传播的方向依次包括：光源、偏振分光棱镜和λ/4相位延迟片。

6.如权利要求5所述的背面对准装置，其特征在于，所述光源采用可见光、近红外光或红外光。

7.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述成像镜头采用CCD、CMOS或红外传感器。

8.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述中继镜头成像光路的物像方均为远心结构。

9.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述背面对准装置还包括水平向运动机构，所述水平向运动机构带动所述中继镜头进行水平向视场扫描。

10.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述偏振照明组件设置于所述工件台内。

11.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述偏振照明组件集成在成像镜头内部。

12.如权利要求1所述的背面对准装置，其特征在于，所述离轴镜头为物方远心成像镜头。

13.一种对准方法，应用于一对准装置，该对准装置包括偏振照明组件、中继镜头及成像镜头，对硅片背面的对准标记进行反射式对准或透射式对准，该对准方法包括：

当所述对准标记与所述硅片正面之间形成金属工艺层时，使用中继镜头与成像镜头配合进行透射式对准；以及

当所述对准标记与所述硅片之间未形成金属工艺层时，使用成像镜头和/或中继透镜进行反射式对准或透射式对准。

14.如权利要求13所述的对准方法，其特征在于，所述偏振照明组件与所述中继镜头安装于承载所述硅片的工件台内部。

15.如权利要求13所述的对准方法，其特征在于，所述偏振照明组件集成在所述成像镜头内部。

16.如权利要求13所述的对准方法，其特征在于，所述偏振照明组件包括红外光源，所述透射式对准包括：红外光源发出的红外光束经所述中继镜头照射所述对准标记，经所述对准标记透射的光入射至所述成像镜头。

17.如权利要求13所述的对准方法，其特征在于，所述偏振照明组件包括可见光源，所述反射式对准包括：可见光源发出的可见光束经所述中继镜头照射所述对准标记，所述对准标记反射后的可见光束经所述中继镜头入射至所述成像镜头。

18.如权利要求13-17中任一权利要求所述的对准方法，其特征在于，还包括在执行反射式或透射式对准时，透过一水平运动机构带动所述中继镜头进行水平向视场扫描。