半導体産業においては、複数の基板、特にウェハを相互にアライメントし、それによって、さらなるプロセスステップにおいて相互に接合させるために、アライナ(英語:aligner)が使用される。接合プロセスは、ボンディングと称される。基板相互のアライメントは、基板の表面に設けられているアライメントマークによって行われる。対向する基板の対向する面におけるアライメントマークは、特に相互に相補的である。

接合すべき基板表面にアライメントマークが設けられるアライメント過程は、フェース・ツー・フェースのアライメントと称される。測定すべき電磁放射に対して基板が非透過性である限り、基板が相互に接近される前にマークを測定するためには、方法を発展させる必要がある。

非常に長い期間にわたり実践された方式では、基板間にカメラが挿入され、このカメラが基板の接近の前に取り除かれていた。これは多くの欠点を伴っていた。第1に、カメラが少なくとも下部基板において、粒子によって汚染される結果となっており、第2に、2つの基板間にカメラを位置付けるためには、基板間の距離を比較的長く選定しなければならなかった。長い距離によって、カメラを取り除いた後の、2つの基板の接近時の移動距離も非常に長くなっており、また基板が相互に接近する際に横方向にずれ、したがってその先行の最適な相互のアライメントから偏差するという欠点を有していた。

フェース・ツー・フェースのアライメントの改善形態は、刊行物、米国特許第6214692号明細書のアライナである。開示されているアライナでは、基板間に差し込まれるカメラの使用が完全に省略されていた。その代わりに、基板を相互に位置決めする際の基準となる、2つの基準点を備えたシステムを作製するために、相互に対向する2つの光学系をそれぞれ備えている2つの光学系群が使用されていた。基準点は、相互に対向する2つの光学系の光軸の交点であった。この種の光学系を較正するための相応のプロセスは、刊行物、国際公開第2014202106号の図2cおよび図2e、または刊行物、国際公開第2015082020号の図5aおよび図5bに十分に開示および説明されていた。

従来技術での問題は、特に、刊行物、国際公開第2014202106号の図2cおよび図2e、または刊行物、国際公開第2015082020号の図5aおよび図5bによる較正方法での問題は、光学系の光軸の較正を実施する際の基準となる較正基板が必要とされるということである。上部光学系および下部光学系は、特に透明な基板におけるアライメントマークに合わせて較正される。つまり、左側の光軸は左側の焦点に合わせて調整され、右側の光軸は右側の焦点に合わせて調整される。したがって本発明の課題は、従来技術の欠点を有しておらず、特に2つの光学系を簡単に相互にアライメントまたは較正をすることができる、方法およびシステムを提供することである。

この課題は、独立請求項に記載の特徴によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。本発明の枠内には、明細書、特許請求の範囲および/または図面に記載されている特徴のうちの少なくとも2つの特徴のあらゆる組み合わせも含まれる。値の範囲が指定されている場合、記載した境界内にある値も、境界値として開示されているものとし、また任意の組み合わせについても権利主張することができるものとする。

本発明は、特に、相互に対向する2つの光学系の2つの像面および/または2つの光学系の光軸を相互にどのようにアライメントできるかを説明する。

有利には、刊行物、国際公開第2014202106号による較正基板の使用を省略することができる。

本発明によれば、対向して配置された、特に上下に重ねて配置された、光学システムの2つの光学サブシステムをアライメントするための方法が提供され、この方法は以下のステップを有している: −第1の光学サブシステムの、特に下部光学サブシステムの像面にアライメントマークを投影するステップ、 −第1の像面から、第2の光学サブシステムの、特に上部光学サブシステムの感応面に、アライメントマークを投影するステップ、 −光学サブシステムを相互にアライメントし、それにより、感応面の被写界深度におけるアライメントマークの投影を、理想的な位置に結像させるステップ。

全ての光学素子、特に光学系の焦点深度および/または被写界深度は、1nmから10mmの間、とりわけ10nmから1mmの間、より好適には50nmから500μmの間、特に好適には500nmから250μmの間、極めて好適には1μmから100μmの間にある。

1つの好適な実施形態においては、アライメントマークを照明するための光が、少なくとも1つの光源、特にランプ、好適にはハロゲンランプ、より好ましくはLED、特に好適にはレーザ光源と、少なくとも1つのミラーと、を介して、第1の光学サブシステムおよび/または第2の光学サブシステムに入力結合される。そのような外部光源を用いて、有利には、アライメントマークの特に明るい照明を達成することができる。

1つの別の好適な実施形態によれば、光学サブシステムの少なくとも1つの箇所、特に第1のカメラおよび/またはミラーにおいて、アライメントマークを照明するための周囲光が入力結合され、この場合、好適には光学サブシステムの遮蔽部は設置されない。これによって有利には、付加的な外部光源なしでアライメントマークを照明することが実現される。

1つの別の特に好適な実施形態によれば、特にLEDフィールドを含む、かつ/またはマスクとして形成されているアライメントマークが、アライメントマーク投影システムによって、第1のカメラの第1のカメラチップの第1の感応面に投影される。これによって、有利には、アライメントマークをカメラチップに導入する必要はなくなる。

1つの別の好適な実施形態によれば、光学サブシステムは、対向して配置された2つの光学系を含んでおり、それら2つの光学系の像面および/または光軸が相互にアライメントされる。これによって、有利には、光学サブシステムないし光学系の特に効率的なアライメントが実現される。

1つの別の好適な実施形態によれば、少なくとも、光学系は、基板、特にウェハをアライメントするための装置の一部である。これによって、有利には、基板をアライメントするための装置の著しい改善が実現される。

1つの別の好適な実施形態によれば、本発明による方法は以下のシーケンスを有している: −第1のカメラの第1のカメラチップの第1の感応面の近傍にならびに/または第1の感応面にアライメントマークを配置する、かつ/もしくは第1のカメラの第1のカメラチップの第1の感応面にアライメントマークを投影する、 −第1のカメラチップから、第1の光学系を有している第1の光学サブシステムを介して、光学系間に配置されている第1の像面にアライメントマークを投影する、 −第1の像面から、第2の光学系を有している第2の光学サブシステムを介して、第2のカメラの第2のカメラチップの第2の感応面にアライメントマークを投影する、 −特に、アライメントマークの投影されたアライメントマークが、第2のカメラに鮮明に結像され、投影されたアライメントマークの位置が、所望のかつ/または理想的な位置と一致するように、光学系を相互にアライメントする。

1つの別の好適な実施形態によれば、光学系は、アライメントのために、相互的な並進運動かつ/または回転運動によって移動される。これによって、有利には、特に正確なアライメントが実現される。

1つの別の好適な実施形態によれば、光学系は、アライメントのために、第1の光学系の第1の像面が第2の光学系の第2の物体面の被写界深度に存在するように接近される。これによって、有利には、アライメントマークの特に鮮明な結像が実現される。

1つの別の好適な実施形態によれば、アライメントマークが、特にリソグラフィ法によって、第1のカメラの第1のカメラチップの第1の感応面に直接的に設けられる。これによって、有利には、アライメントマークの特に効率的な形成が実現される。

1つの別の好適な実施形態によれば、特に十字形を示す非機能ピクセルの集合体を有しているアライメントマークが、第1のカメラチップの第1の感応面に直接的に設けられる。これによって、有利には、アライメントマークの特に簡単な形成が実現される。

1つの別の好適な実施形態によれば、アライメントマークが、第1のカメラの第1のカメラチップにおける別個のマーキングプレートに設けられており、この場合、アライメントマークと第1のカメラチップの第1の感応面との距離は、1mm未満、とりわけ100μm未満、より好適には10μm未満、特に好適には1μm未満、極めて好適には0.1μm未満である。これによって、有利には、アライメントマークを形成するためのカメラチップの加工は不要である。

本発明の別の対象は、特に特許請求の範囲における方法に関する請求項のいずれか1項に記載の方法によって、対向して配置された、特に上下に重ねて配置された、光学システムの2つの光学サブシステムをアライメントするためのシステムに関し、このシステムは、以下の構成要素を有している: −第1の光学サブシステムの、特に下部光学サブシステムの像面にアライメントマークを投影するための第1のカメラチップを備えた第1のカメラ、 −第1の像面から、第2の光学サブシステムの、特に上部光学サブシステムの感応面に、アライメントマークを投影するための手段、 −光学サブシステムを相互にアライメントし、それにより、感応面の被写界深度におけるアライメントマークの投影を、理想的な位置に結像可能にする手段。

方法に関する実施形態は、本発明によるシステムにも関係する。

本発明の別の対象は、特に特許請求の範囲におけるシステムおよび/または方法に関する請求項のいずれか1項に記載のシステムおよび/または方法のための、カメラチップの感応面の近傍にかつ/または感応面にアライメントマークを有するカメラチップに関する。方法についての説明は、本発明によるカメラチップにも関係する。

光学システム 本発明による実施形態は、少なくとも、第1の下部光学サブシステムおよび第2の上部光学サブシステムから成る光学システムに関する。本開示の以下の記載において、好適な構造を考慮する際に、全てのエンティティは、「上部」または「下部」のみによって表される。下部光学サブシステムおよび上部光学サブシステムは、少なくとも一つの光学素子、特に複数の光学素子を有している。光学素子として、特に以下のものが挙げられる: ミラー、特に、 〇平面鏡 〇凸面鏡 〇凹面鏡 レンズ 〇凸レンズ ・両凸レンズ ・平面凸レンズ ・凹凸レンズ 〇凹レンズ ・両凹レンズ ・平面凹レンズ ・凸凹レンズ 〇フレネルレンズ プリズム 回折素子 〇回折格子 など。

ミラーは、好ましくは、光学システムの不必要かつ不所望な加熱を阻止するために、入力結合された光から赤外線光をフィルタリングして除去する冷光ミラー(以下ではコールドミラーとも記す)である。特に、1000μmから0.8μmの間、とりわけ750μmから0.8μmの間、より好適には500μmから0.8μmの間、特に好適には100μmから0.8μmの間、極めて好適には50μmから0.8μmの間の波長の光がフィルタリングされる。

本発明による実施形態を、投影すべき対象物、特にアライメントマークが、下部カメラチップから、特に下部カメラチップの感応面から、上部カメラチップに、特に上部カメラチップの感応面に投影されることについて例示的に説明する。アライメントマークが、上部カメラチップから、特に上部カメラチップの感応面から、下部カメラチップに、特に下部カメラチップの感応面に投影されることも考えられる。完全を期すために、極端な場合についても言及すると、アライメントマークはいずれのカメラチップにも、特にいずれのカメラチップの感応面にも設けられており、それぞれ交互に、それぞれ反対側に位置するカメラチップに、ないしそれぞれ反対側のカメラチップの感応面に投影される。本明細書の以下の記載から分かるように、本発明による効果を生じさせるためには、投影方向のみが重要である。

本開示の以下の記載においては、下部アライメントマークが上部カメラチップの感応面に投影される例示的なケースについてのみ論じる。

本発明による実施形態は、自身の感応面の近傍に、とりわけ自身の感応面に直接的にアライメントマークを有している下部カメラチップを前提とする。アライメントマークは、実際に存在していてもよい、またはアライメントマークは、単に下部カメラチップに投影されたアライメントマークである。後者の場合、アライメントマークは、アライメントマーク投影システムによって、下部カメラチップの感応面に投影される。この実施形態は、全ての実施形態の中で最も好適な実施形態である。何故ならば、相応のアライメントマークを有しているカメラチップが必要とされるのではなく、アライメントマークをあらゆる市販のチップに投影することができるからである。

本発明による第1の実施形態においては、アライメントマークが、下部カメラチップに直接的に作製される。特に、アライメントマークは、下部カメラチップの感応面に設けられる。下部カメラチップにおけるアライメントマークの製造は、とりわけ、チップ製造業者によって実施されることが望ましく、その種のチップを購入する顧客によって実施することはほぼ不可能である。取得した下部カメラチップを分解し、下部カメラチップの感応面を完全に露出させることも考えられる。その後、周知のリソグラフィ法を用いて、相応の下部アライメントマークを設けて、分解された下部カメラチップをその後、再び組み立てることも考えられる。もっとも、感応面のための保護ガラスを取り外すことで、カメラチップが、特にカメラチップの感応面自体が破壊されることも頻繁に起こるので、大抵の場合、保護ガラスの取り外しを非破壊的に実施することは不可能である。

本発明による好適な第2の実施形態においては、下部アライメントマークが、下部カメラチップに直接的に作製されるのではなく、封止された下部カメラチップの上に固定手段を介して取り付けることができる支持体(マーキングプレートとも記す)に作製される。光学的な経路の反対側に設けられている、記録を行う下部カメラの被写界深度に下部アライメントマークが確実に存在するようにするために、下部アライメントマークは、下部カメラチップの感応領域の面の可能な限り近傍に存在していなければならないことに注意されたい。

アライメントマークと感応面との距離は、1mm未満、とりわけ100μm未満、より好適には10μm未満、特に好適には1μm未満、極めて好適には0.1μm未満である。封止されたカメラチップは、大抵の場合、感光領域の最後のカバープレートを除いて、比較的容易に分解することができるので、感光面の近傍における、アライメントマークを有する本発明による支持体の位置決めを実現することができる。

やや好適な本発明による第3の実施形態においては、下部アライメントマークが、下部カメラチップの感光面に投影される。これは、あらゆる任意の下部カメラチップに、下部アライメントマークを設けることができるという利点を有している。下部カメラチップに投影された下部アライメントマークが理想的な位置に存在するためには、アライメントマーク投影システムによって投影された、下部カメラチップにおける下部アライメントマークの較正は、それらの投影された下部アライメントマークを、光学システムの光学的な経路を介して、上部カメラチップに投影でき、それによって2つのカメラチップが相互にアライメントされるようになる前に、実施されなければならない。

ここで、本質的な本発明による態様では、下部カメラチップの下部アライメントマークが、光学的な経路において下部カメラチップとは反対側に位置する上部カメラチップの感光面に投影される。上部カメラチップにおける下部アライメントマークの正確で鮮明な投影を達成するために、すなわち鮮明に投影された上部アライメントマークを取得するために、光学素子を、特に下部光学サブシステムおよび上部光学サブシステムを、相互に較正する必要がある。較正の終了は、投影された上部アライメントマークが、理想的な位置で上部カメラチップに存在することによって確認される。

2つの光学サブシステムはそれぞれ、相互に共役の物体面および像面を有している。共役な面とは、フーリエ変換の結像規則によって相互に算術的に結ばれている面と解される。2つの面が光学的なビーム路の光軸に対して垂直であり、対象物を物体空間から画像空間に結像し、またそれとは逆に対象物を画像空間から物体空間に結像する場合に、2つの面は相互に共役である。

例示的に、下部カメラチップの下部アライメントマークの上部カメラチップへの投影を考察するので、下部カメラチップの下部感光面は、第1の物体面である。

下部カメラチップの下部感光面におけるアライメントマーク投影システムの実際のまたは投影されたアライメントマークは、とりわけ、物体面に位置している。一般的に、実際のアライメントマークは、物体面付近の被写界深度に存在することだけが必要とされる。

ここで、下部光学サブシステムは、それらのアライメントマークを自身の像面に投影する。この像面は、第1の下部像面である。この下部像面は、いずれの場合にも、その光学的な経路が相互に較正されなければならない2つの光学系間に存在している。第2の光学サブシステムも同様に、光学系間に光学面を有している。しかしながら、それらの光学面は、ここでは物体面として機能し、また下部像面に投影された、下部カメラチップの感光面のアライメントマークを、上部光学サブシステムの第2の上部像面に投影するタスクを有している。したがって、上部像面は、上部カメラチップの感応面と一致する。下部像面に投影されたアライメントマークの像も可能な限り損失なく、また特に鮮明に上部像面に結像されるようにするために、下部像面および上部物体面が可能な限り合同でなければならない。

下部光学サブシステムの下部像面と上部光学サブシステムの上部物体面は、一般的に合同ではなく、またはそれぞれ他方の光学面の被写界深度ですらないという事実に基づき、光学サブシステムの、特に光学素子の変化が必要になる。この変化は、特に下部光学サブシステムおよび/または上部光学サブシステムの光学素子の並進運動および/または回転運動による適合、特に光学系の並進運動および/または回転運動による変化を必要とする。本発明による実施形態の目的は、下部カメラチップの下部アライメントマークを、上部カメラチップの感光面に鮮明に投影することだけでなく、投影されたアライメントマークの位置が理論的に所望される理想的な位置と一致するまで、光学システムにおける光学素子も適合させるということである。とりわけ、下部光学サブシステムおよび上部光学サブシステムにおいて同一のカメラチップが使用される。したがって、理想的に投影されたアライメントマークの位置は、投影すべきアライメントマークも下部カメラチップに有している、同一の検出器座標系である。光学システムは、理想的な位置に関して自由に選択された許容範囲内にマークが位置するように、変化および適合される。

プロセス 本発明によるプロセスは、特に、刊行物、米国特許第6214692号明細書、国際公開第2011042093号、国際公開第2014202106号および国際公開第2015082020号の装置における光学系を較正するために使用することができる。もっともこれによって、プロセスの一般性が限定されることはない。一般的に、本発明によるプロセスは、任意の2つの光学系を特に全自動で較正するために使用することができる。

本発明による第1のプロセスステップにおいては、下部像面が上部物体面の被写界深度に存在するように、または上部物体面が下部像面の被写界深度に存在するように、2つの光学面が相互に接近される。本発明による第1のプロセスステップにおいては、投影された左側の上部アライメントマークまたは右側の上部アライメントマークは、まだ必ずしも鮮明ではない。特に、2つの上部アライメントマークは、まだ必ずしも上部カメラの視野(英語:field of view)に存在していなくてもよい。カメラの視野は、10μmから50mmの間、とりわけ50μmから25mmの間、より好適には100μmから15mmの間、特に好適には250μmから10mmの間、極めて好適には300μmから5mmの間にある。

本発明による第2のプロセスステップにおいては、少なくとも、2つの投影されたアライメントマークが上部カメラの視野に存在するように、下部光学サブシステムおよび/または上部光学サブシステムの変化が行われる。下部光学サブシステムおよび/または上部光学サブシステムの変化とは、特に、下部光学サブシステムおよび/または上部光学サブシステムの少なくとも1つの光学素子の並進運動による、かつ/または回転運動による、かつ/または機能的な変化と解される。ここでは特に、下部光学系および/または上部光学系の並進運動かつ/または回転運動による移動と解される。

本発明による第3のプロセスステップにおいては、2つの光学面間のウェッジエラー補償が行われるか、もしくは光軸間の角度の低減が行われる。ウェッジエラー補償は、下部光学サブシステムおよび/または上部光学サブシステムにおける少なくとも1つの光学素子が変化され、2つの光学サブシステムの2つの光軸間の傾斜が低減されるように実施される。特に、ウェッジエラーは、2つの光学系のうちの少なくとも一方の回転によって低減される。

本発明による第4のプロセスステップにおいては、全てのアライメントマークが上部カメラチップの視野および被写界深度に存在し、ウェッジエラーが十分に低減された後に、上部カメラチップにおける投影されたアライメントマークが理想的な位置にもたらされることによって、アライメントマーク間の精密アライメントが行われる。このことは、特に、下部光学系および/または上部光学系の並進運動による移動かつ/または回動によって行われる。

特に、本発明による第1のプロセスステップから第4のプロセスステップを任意の順序で、かつ/または同時に行うことができる。本発明による全てのプロセスステップを特に同時に実施することは、2つの光学サブシステムを特に全自動でアルゴリズムによって相互に較正することができる相応のファームウェアおよび/またはハードウェアおよび/またはソフトウェアによって保証される。特に、制御ループによって較正を自動的に行うことができる。

本発明による第1のプロセスステップから第3のプロセスステップは、特に粗い較正のプロセスステップであり、これは、非常に稀に、特に本発明による実施形態のメンテナンス後、構築後または位置の変更後に、完全に実施されるだけでよい。粗い較正が実施された後は、大抵の場合、より長い時間にわたり、第4のプロセスステップによる精密な較正だけが必要になる。

本発明に従い較正された光学システムは、その後、表面の測定のために使用することができる。特に、システムは、2つの基板を相互にアライメントすることに適している。1つの非常に好適な実施形態においては、システムが、2つの基板を相互にフェース・ツー・フェースでアライメントするために使用される。

本発明に従い較正された光学システムを使用するための別の可能性の本質は、基板または基板スタックの上面および下面の測定にある。光学システムは、この特別なケースでは、計測ツール(英語:metrology tool)の一部として使用される。基板または基板スタックの上面および下面を同時に測定することは、大抵の場合、2つの表面特徴間の水平方向の距離を測定するために実施される。

カメラチップ カメラチップは、特に、面積検出器として構成されている。とりわけ、カメラチップは、CCD検出器、CMOS検出器、アナログ検出器、四象限検出器またはいわゆる位置検出素子(PSD:Position Sensing Device)である。カメラチップは、特に、1Hzから1MHzの間、とりわけ10Hzから100,000Hzの間、より好適には20Hzから10,000Hzの間、特に好適には30Hzから1,000Hzの間、極めて好適には40Hzから100Hzの間の読み出し周波数を有している。ここで、読み出し周波数とは、カメラチップが毎秒読み出すことができる、完全な干渉像の数であると解される。

カメラチップの水平方向のピクセル分解能は、特に、10ピクセル/cmより高い、とりわけ100ピクセル/cmより高い、より好適には1,000ピクセル/cmより高い、特に好適には10,000ピクセル/cmより高い、極めて好適には100,000ピクセル/cmより高い。

カメラチップの垂直方向のピクセル分解能は、特に、10ピクセル/cmより高い、とりわけ100ピクセル/cmより高い、より好適には1,000ピクセル/cmより高い、特に好適には10,000ピクセル/cmより高い、極めて好適には100,000ピクセル/cmより高い。

2つのピクセル間の距離は、0.1μmから100μmの間、とりわけ0.5μmから50μmの間、より好適には1μmから25μmの間、特に好適には2.5μmから10μmの間、極めて好適には5μmである。

本発明による1つの特別な実施形態においては、光学システムが、2つの異なるカメラチップを含む2つのカメラを有することができる。カメラチップは、例えばその大きさが異なっていてもよい。それどころか、その場合には、アライメントマークの使用を省略することができる。本発明による較正は、一方のカメラチップの輪郭が、それぞれ他方のカメラチップに投影されるように行われる。スケーリングを実現する光学素子によって、投影が行われるカメラチップを、他方のカメラチップの表面に合同に結像させることができる。すなわち一般的には、一方のカメラチップの、他方のカメラチップへのアフィン変換が行われ、このアフィン変換は、カメラチップの面が合同になることを特徴としている。その種のアフィン変換は、常に、算術演算による移動、回動およびスケーリングによって達成することができ、これは光学システムにおいて光学素子によって現実に物理的に実施される。異なる大きさの2つのチップは、とりわけ、同じピクセルサイズおよび/またはピクセル分解能、すなわちピクセル間の同じ距離を有している。この本発明による実施形態は、特に好適である。何故ならば、この実施形態では、アライメントマークをチップ表面に投影する必要すらない、またはカメラチップの輪郭をアライメントマークとみなすことができるからである。チップ、特にその輪郭自体がアライメントマークであって、これによって、アライメントマーク投影システムが必要なくなるので、本発明による装置を構成する際のコストがさらに節約される。さらにこれによって、本発明による装置は、チップ製造業者から完全に独立する。何故ならば、チップ製造業者はアライメントマークを設ける必要はないが、しかしながらチップの輪郭がアライメントマークの構造の内在的な部分だからである。チップの輪郭がアライメントマークとして使用される場合、チップは光学システムによって、可能な限りセンタリングされて検出されるべきである。つまりチップの重心が、可能な限り、光軸の近傍に位置しているべきである。特に、光軸とチップの重心との距離は、1mm未満、とりわけ0.5mm未満、より好適には0.1mm未満、特に好適には0.01mm未満、極めて好適には0.001mm未満である。

2つの光学サブシステムを相互に較正する前述の本発明による全ての実施形態については、実際には、完全な較正が不可能または特に経済的な理由から所望されていないということが当てはまる。極めて正確な較正は、相当な期間にわたり継続する可能性があり、その間は、装置によって行われる別のプロセスを実施することができない。一般的に、既定の限界値に達すると、または限界値を超えると、較正プロセスを即座に中断することができる。本発明による1つの別の拡張形態では、相互に完全には較正されていない2つのアライメントマークの座標が1つの共通の座標系に関して記憶されることも考えられる。この共通の座標系は、例えば、下部検出器座標系であってもよく、または上部検出器座標系であってもよい。また、相互に完全には較正されていない2つのアライメントマークの座標が、任意の他の座標系で記憶されることも考えられる。したがって、アライメントマークの完全な重畳は実現されない、かつ/または所望されないことによって、アライメントマークは、較正プロセス後に、一般的にはさらに僅かに相互に移動かつ/または相互に回動される。この相互の移動かつ/または回動を測定し、記憶し、また後続のプロセスにおいて、特に2つの基板相互のアライメント(英語:alignment)プロセスにおいて使用することができ、これによって基板において求められたアライメントマークの座標の補正が実施される。

本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、好適な実施例の以下の説明から、また図面に基づき明らかになる。

第1の光入力結合部を備えた本発明による第1の光学システムの縮尺通りではない概略図を示す。

第2の光入力結合部を備えた本発明による第2の光学システムの縮尺通りではない概略図を示す。

第3の光入力結合部を備えた本発明による第3の光学システムの縮尺通りではない概略図を示す。

本発明による第1のプロセスステップの縮尺通りではない簡略化された概略図を示す。

本発明による第2のプロセスステップの縮尺通りではない簡略化された概略図を示す。

本発明による第3のプロセスステップの縮尺通りではない簡略化された概略図を示す。

本発明による第4のプロセスステップの縮尺通りではない簡略化された概略図を示す。

下部感応面の、縮尺通りではない簡略化された概略的拡大図を示す。

開始状態での、本発明による第4のプロセスステップの縮尺通りではない簡略化された概略的拡大図を示す。

最終状態での、本発明による第4のプロセスステップの縮尺通りではない簡略化された概略的拡大図を示す。

本発明による第1のカメラチップの縮尺通りではない簡略化された等尺性の概略的展開図を示す。

本発明による第2のカメラチップの縮尺通りではない簡略化された等尺性の概略的展開図を示す。

図中、同一の構成要素または同じ機能を有する構成要素には、同一の参照番号が付されている。

図示した図面において、全ての光学経路7、7’、8は単に概略的に図示されたものであり、光学系の原理に厳密に対応する経路と解されるべきではない。さらに、光学経路7、7’、8および光学サブシステム12u、12u’、12u’’、12o、12o’、12o’’は、カメラチップ2u,2oへの相互的で鏡像を成す投影が行われないように図示されている。これによって、特に、合同の検出器座標系の理解が容易になる。当該技術分野における当業者には、実際の実施形態においては、カメラチップ2u、2oの相互的な結像が、相互に鏡像を成すように行われる可能性があること、好適には鏡像を成すように行われることも明らかである。

図1aは、2つの光路7、8を含む2つの光学サブシステム12u、12oを有している、本発明による第1の光学システム11の縮尺通りではない概略図を示す。光路7は、下部カメラ1uの下部カメラチップ2uに対する照明路を表す。光路8は、アライメントマーク9l、9rの結像路である。

光学システム11は、複数のミラー3および光学素子4、4’、例えばミラー、レンズ、プリズム等を有している。光源10から、光7が光学システム11に入力結合される。光7は、ミラー3および光学素子4、4’を備えた光学システム11を通過し、光学システム11から再び出射して、下部カメラ1uの下部カメラチップ2uの感光面14suに入射する。

本発明によるこの第1の実施形態においては、照明路7の光は、光源10、特にランプ、さらに好適にはハロゲンランプと、ミラー3と、を介して、光学システム11に入力結合される。照明路7の光は、2つの光学系6o、6uを通過し、別の光学素子、特に別のミラー3を介して、下部カメラ1uのカメラチップ2uに投影される。

もちろん、特に上部カメラ1oのカメラチップ2oを集中的に照明することが重要である場合には、光学システム11における他のあらゆるミラー3による、光学システム11への光の入力結合も考えられる。複数の光源10および複数のミラー3を介する光学システム11への光の入力結合も考えられる。

図1aは、結像路8も示しており、この結像路8は、カメラチップ2uの表面ないしカメラチップ2uの周囲を、光学素子4、4’、3を介して、カメラチップ2oに結像する。この具体的なケースでは、カメラチップ2uが、物体面を表しており、カメラチップ2oが、光学システム11全体の像面を表している。断面図A−Aにおいては、2つのアライメントマーク9l、9rが見てとれる。

本発明による第1の実施形態においては、アライメントマークは、例えば、下部カメラチップ2uの感光面14suに直接的に設けられた、図4aによるアライメントマーク9l、9rである。ここではとりわけ、アライメントマーク9l、9rが、特に十字形に作製された、非機能ピクセルの集合体である。それらのピクセルは、コーティングされている、接続されていない、破壊されている、不活性化されているなどの理由から、それらのピクセルは非機能性である。

アライメントマークが図4bによるアライメントマーク9l、9rであることも考えられる。この場合、アライメントマーク9l、9rは、下部カメラチップ2uの感光面14suに直接的に設けられていないが、しかしながら少なくともその近傍に設けられている。いずれの場合にも、アライメントマーク9l、9rは、実際の物理的なエンティティである。

ここで、アライメントマーク9l、9rは、結像路8を介して、上部カメラチップ2oに投影され、上部カメラチップ2oの感光面14soには、そのようにして投影されたアライメントマーク9pl、9prが生じる。図1aにおいては、カメラ1u、1oないし投影路8における光学素子は既に完全に相互に較正されているので、その結果、断面B−Bにおける、投影されたアライメントマーク9pl、9prは、正確で理想的な位置に鮮明に現れる。特に、下部光学サブシステムの12uの像面5uおよび上部光学サブシステム12oの物体面5oは、相互に距離dを有していることが見てとれる。距離dは、分かりやすくするために、十分に大きく選定されているが、像面5uならびに物体面5oは、相互に顕著に異なっていてもよい。鮮明に投影されたアライメントマーク9pl、9prを生成するためには、像面5uならびに物体面5oの各面は、それぞれ他方の面の被写界深度に位置していなければならない。

図1bは、2つの光路7’、8を含む2つの光学サブシステム12u’、12o’を有している、本発明による第2の光学システム11’の縮尺通りではない概略図を示す。光路7’は、下部カメラ1uの下部カメラチップ2uに対する照明路を表す。本発明によるこの実施形態においては、照明路7’の光は、光源10を介してではなく、簡潔に周囲から、特に直接的に光学システム11’に入力結合される。光は、特に少なくとも1つの箇所において、さらに好適にはカメラ1uにおいて、光学システム11’の相応の遮蔽部が意図的に設置されないことによって、光学システム11’に入射することができる散乱光である。光学システム11’における他のあらゆる箇所からの、特にミラー3における、光学システム11’への光の入力結合も考えられる。光学システム11’の複数の箇所における光の入力結合も考えられる。代替的に、カメラの周囲に、とりわけ光源としてのLEDを備えた照明を設けることも考えられる。

図1bは、結像路8も示しており、この結像路8は、カメラチップ2uの表面ないしカメラチップ2uの周囲を、光学素子4、4’、3を介して、カメラチップ2oに結像する。この具体的なケースでは、カメラチップ2uが、物体面を表しており、カメラチップ2oが、像面を表している。断面A−AおよびB−Bは、図1aにおいて既に説明したように、最適な結像状況を示している。

図1cは、2つの光路7’’、8を含む2つの光学サブシステム12u’’、12o’’から成る、光学システム11’’の縮尺通りではない概略図を示す。

光路7’’は、本発明による第1の実施形態においては、表面19におけるアライメントマーク9l、9rによって形成され、これらのアライメントマーク9l、9rは、それと同時に、光源10としても機能する(図A−Aを参照されたい)。例えば、アライメントマーク9l、9rが、特に十字形のLEDフィールドから成ることも考えられる。

本発明による別の第2の実施形態においては、アライメントマーク9l、9rが設けられている表面19が光を放射し、アライメントマーク9l、9rが能動的な光源10として機能するのではなく、単にマスクとして機能する。この場合、アライメントマーク9l、9rは、シャドーマークとして照明路7’’を介して投影される。

本発明による実施形態は、表面19のアライメントマーク9l、9rをカメラチップ2uに投影する(図B−Bを参照されたい)。カメラチップ2uの感光面14suは、ここでもまた、カメラ1oについての物体面を表している。すなわち、アライメントマーク投影システム21によって投影されたアライメントマーク9l’、9r’は、光学システム11’’を介して、アライメントマーク9pl、9prとして、上部カメラ1oの上部カメラチップ2oの感光面14soに投影される。

図1aおよび図1bによる実施形態との相違は、2つのカメラチップ2u,2oのいずれも、それ自体でアライメントマーク9l、9rを有している必要はなく、その代わりに、それらのアライメントマーク9l、9rは、本発明によるアライメントマーク投影システム21を介して、投影されたアライメントマーク9l’および9r’として、下部カメラ1uの感光面2uに投影され、したがって光学システム11’’に導入されるという点である。

図1aから図1cには、光学素子3、3o、3u、4、4’、6u、6o、1u、1oが既に完全に相互にアライメントされているという点で、理想的な状態にあることが示されている。別の図2aから図2dならびに図3a、図3bには、この理想的な状態を達成し、光学システム11、11’、11’’を較正するために実施されなければならない個々のプロセスステップが記載されている。特に、図面を見やすくするために、光路、特に照明路7、7’および結像路8および光学素子の大部分が省略されている。図2aから図2dには、例示的に、また代表として、図1aに記載した光学システム11が図示されている。図2aは、図1aに記載した2つの光学サブシステム12u、12oから成る、本発明による第1のプロセスステップ101における本発明による光学システム11の縮尺通りではない簡略化された概略図を示す。この図における特徴的な構成は、特に、下部光学系6uの下部像面(光学面とも称する)5uと、上部光学系6oの上部像面5oとの間の距離dにある。

アライメントマーク9l、9rは、相互にx方向における距離dxおよびy方向における距離dyを置いて、感光面14suに設けられている。

光学面5uと光学面5oとの距離dは、上部光学面5oが、下部光学面5uの下部被写界深度tuと交差しないか、もしくは下部光学面5uが上部光学面5oの上部被写界深度toと交差しない大きさである。光学面5uは、下部光学サブシステム12uの像面である。

しかしながら、像面5uに投影されたアライメントマーク9l、9rは、上部光学サブシステム12oを介して、上部カメラチップ2oの感光面14soに投影されなければならない。もっとも下部光学システム12uの像面5uに投影されたアライメントマーク9l、9rを鮮明に感光面14soに結像できるようにするためには、光学面5uが、上部光学面5oの被写界深度toに位置していなければならず、この上部光学面5oは、それと同時に、上部光学サブシステム12oについての物体面も表している。図2aに示すように、そうでない場合には、投影されたアライメントマーク9pl、9prは、感光面14soにおいて不鮮明に結像される(図B−Bを参照されたい)。すなわち、図2aのプロセスステップで重要なことは、2つの光学面5uおよび5oを相互に接近させることである。

図2bは、2つの光学サブシステム12u、12oから成る、本発明による第2のプロセスステップ102における、光学システム11の縮尺通りではない簡略化された概略図を示し、ここでは、光学面5uおよび光学面5oが相互に十分に接近されており、その一方で光学系6uの光軸13uおよび光学系6oの光軸13oは、光学系6u、6o間で交差しないように、相互に十分に大きくずらされている。

光軸13u、13oがこのように大きく偏差していることによって、アライメントマーク9plしか上部カメラ1uの視野に存在しない(図B−Bを参照されたい)。アライメントマーク9lが一時的に投影される光学面5uの一部が、上部光学面5oについての被写界深度toに位置しているので、アライメントマーク9lは鮮明に結像される。

光軸13uおよび光軸13oが相互にずれている結果、上部カメラチップ2oの上部感光面14soにおけるアライメントマーク9plおよび9prを含む投影された像のずれが生じる。このずれは、アライメントマーク9pl、9prのうちの一方が感光面14soに投影されないことから、その一方のアライメントマークが見えなくなるほど大きくなる可能性がある。ここでは、その見えなくなるアライメントマークは、アライメントマーク9prである。すなわち、図2bのプロセスステップにおいて重要なことは、2つのアライメントマーク9pl、9prを、上部カメラ1oの視野内にもたらすことである。

図2cは、2つの光学サブシステム12u、12oから成る、本発明による第3のプロセスステップ103における光学システム11の縮尺通りではない簡略化された概略図を示し、ここでは、2つの投影されたアライメントマーク9pl、9prが確かに上部カメラ1oの視野に存在しているが、もっとも、2つの光学面5uおよび5oは、依然として相互に大きく傾斜している。ここでは、下部光学面5uの一部が、上部光学面5oの上部被写界深度to内に位置しており、他の部分は、上部被写界深度to外に位置している。

したがって、図2bの説明と同様の考察に従い、アライメントマーク9lは、アライメントマーク9plとして鮮明に結像され、それに対し、アライメントマーク9rは、アライメントマーク9prとして不鮮明に結像される。下部光学サブシステム12uおよび/または上部光学サブシステム12o、特に光学系6u、6oの相応の移動によって、投影されたアライメントマーク9plおよび9prのいずれも鮮明に表されるように、光学面5uおよび5oを相互にアライメントすることができる。

上記の記載から、本発明による方法でもってかろうじて測定することができ、したがって調整することができる最小限のウェッジエラーをどのように計算できるかを算術的に導出することができる。分かりやすくするために、計算に関しては、2つの光学面5u、5oは、x軸に平行な傾斜軸20についてのみ傾斜していることを前提とする。toは上部光学面5oの被写界深度とし、dxは、アライメントマーク9l、9r間の距離とする。この場合、 tanα=t_o/d_x が成り立つ。

したがって、補正可能な最小限のウェッジエラーは、 α=arctan(t_o/d_x) である。

補正可能なウェッジエラーは、アライメントマーク9l、9r間の距離dxが大きくなるほど、かつ上部光学面5oの被写界深度toが小さくなるほど、小さくなることが分かる。すなわち、図2cのプロセスステップで重要なことは、2つの光学面5u、5o間のウェッジエラーを十分に最小限にすることである。

図2dは、最適な状態にある、2つの光学サブシステム12u、12oから成る、本発明による第4のプロセスステップ104における光学システム11の縮尺通りではない簡略化された概略図を示し、ここでは、投影されたアライメントマーク9lおよび9rについての像面を表す光学面5uが、上部光学面5oの被写界深度toに位置しており、この上部光学面5oは、それと同時に、上部光学サブシステム12o、ひいては投影されたアライメントマーク9plおよび9prのための物体面として使用される。とりわけ、2つの面5uおよび5oは相互に平行である。しかしながら実際には、2つの面は、0に成ることはない角度を常に相互に有している。ここで、2つの面5u、5o間の角度は、5°未満、とりわけ1°未満、さらに好適には0.1°未満、特に好適には0.01°未満、極めて好適には0.001°未満である。当業者には、2つの面間の角度は、2つの面法線間の角度と同一であることが分かる。

下部光学面5uは上部光学面の被写界深度toに位置しているので、アライメントマーク9lおよび9rは、鮮明なアライメントマーク9plおよび9prとして結像される(図B−Bを参照されたい)。

このプロセスステップにおいては、所望の理想的な位置9il、9irを基準にして、アライメントマーク9pl、9prのさらに精密な較正が行われる(図3bを参照されたい)。すなわち、図2dのプロセスステップにおいて重要なことは、特にx方向および/またはy方向におけるアライメントマーク9pl、9prの精密な較正を実施することである。

図3aは、下部カメラチップ2uの感光領域14suの縮尺通りではない簡略化された概略的拡大図を示す。相応のアライメントマーク9l、9rを見てとることができる。アライメントマーク9l、9rの位置を、下部検出器座標系(xdu、ydu)を基準にして、最善に表すことができる。下部検出器座標系(xdu、ydu)の原点は、例えば、感光面14suの左上隅に位置している。

図3bは、本発明による第4のプロセスステップ104の開始時における上部カメラチップ2oの感光領域14soの縮尺通りではない簡略化された概略的拡大図を示す。

投影されたアライメントマーク9pl、9prは、理想的な位置9il、9irとは合同ではないことが見てとれる。上部感光面14soは、上部検出器座標系(xdo、ydo)を有している。上部検出器座標系(xdo、ydo)の原点は、感光面14soの左上隅に位置している。

検出器座標系(xdo、ydo)における理想的な位置9il、9irの座標は、とりわけ、感光領域14su、14soが同じ特性、例えば長さ、幅、x方向における解像度、y方向における解像度などを有する限り、または端的に言えば同一のカメラチップ2u、2oが使用される限りは、下部検出器座標系(xdu、ydu)におけるアライメントマーク9l、9rの座標に対応する。もちろん、別の条件は、検出器座標系(xdu、ydu)および(xdo、ydo)の原点を正確に、また常に同一に選択することである。

光学システム11、11’、11’’における光学素子のさらなる適合によって、アライメントマーク9pl、9prを、理想的な位置9il、9irを基準にして較正することができる。この際、検出器座標系(xdo、ydo)を基準にして、アライメントマーク9pl、9prの並進運動による移動および/または回転を生じさせることができる。

完全な較正が一切不可能である、かつ/または完全な較正に過度に時間が掛かることから、経済的に所望されない場合には、アライメントマーク9pl、9ilないし9pr、9irが相互に完全に合同になるのではなく、並進運動かつ/または回転運動によって相互に移動される。アライメントプロセスは、このステップで終了することになる。本発明によれば、システムは、検出器座標系(xdo、ydo)を基準にして、アライメントマーク9pl、9il、9pr、9irの座標を記憶する。そのようにして較正された光学システムが、後続のプロセスにおいて、例えば、第1の基板の第1の基板表面の第1のアライメントマークが、第2の基板の第2の基板表面の第2のアライメントマークと相互にアライメントされなければならないようにするために使用される場合には、測定されて記憶されている、並進運動かつ/または回転運動による移動が補正のために使用されなければならない。

図3cは、本発明による第4のプロセスステップ104の終了時における、上部カメラチップ2oの感光領域14soの縮尺通りではない簡略化された概略的拡大図を示す。アライメントマーク9pl、9prは、理想的な位置9il、9irに位置している。したがって、光学システム11、11’、11’’は較正されている。本発明によるプロセスの上述した好適な目的は、投影されたアライメントマーク9pl、9prを理想的な位置9il、9irと合同にすることであるにもかかわらず、投影されたアライメントマーク9pl、9prを理想的な位置9il、9irと合同にするのではなく、その代わりに、投影されたアライメントマーク9pl、9prと理想的な位置9il、9irとの間での回転運動による回動かつ/または並進運動による移動を記憶する可能性が開示される。この記憶された情報によって、座標補正および/または画像補正をいつでも実施することができる。そのような座標補正および/または画像補正の実施は、計算能力に関連付けられる。特に光学システム11、11’、11’’の光学的な構成部材および/または機械的な構成部材における公差に起因して、アライメントマーク9pl、9prを、理想的な位置9il、9irと完全に合同にすることができないことも考えられる。この場合、回転運動による回動かつ/または並進運動による移動が、とりわけ同様に記憶される。座標補正および/または画像補正は、とりわけ、可能な限り正確な結果を得るために、常に実施されるべきである。

図4aは、本発明の第1の実施形態による、分解されたカメラチップ2uの縮尺通りではない等尺性の概略的な展開図を示す。カメラチップ2uは、感光面14suを有しているチップキャリア14から成る。

チップキャリア14は、大抵の場合、保護プレート15、特にガラスプレートによってシーリングされている。この場合、シーリングは極端な力が加わると割れてしまい、通常は、チップキャリア14、特に感光面14suが破壊されることになる。したがって、アライメントマーク9l、9rは、とりわけ、保護プレート15によるシーリングの前に、チップ製造業者によって作製されなければならない。

保護プレート15には、別のガラスプレート16、特に光学的なフィルタを取り付けて固定することができる。大抵の場合、全ての構成部材14、15、16がフレーム17によって固定される。

図4bは、本発明の別の実施形態による、分解されたカメラチップ2uの縮尺通りではない等尺性の概略的な展開図を示し、ここでは、アライメントマーク9l、9rを有する本発明による別個のマーキングプレート18が、特に保護プレート15に直接的に続いて、すなわち感光面14suの可能な限り近くに固定される。とりわけアライメントマーク9l、9rは、それらのアライメントマーク9l、9rと感光面14suとの距離をより一層短くするために、マーキングプレート18の、感光面14suに対向している側に設けられている。

マーキングプレート18の挿入は、大部分のカメラチップ2uにおいて比較的簡単に実施することができる。何故ならば、保護プレート15の上にある全ての構成部材は容易に、それどころか特に意図的に取り除くことができるからである。これによって、この種のカメラチップ2uは、特にフィルタによって、特殊な場合にはマーキングプレート18によって拡張することができる。

1o、1u カメラ 2o、2u カメラチップ 3、3o、3u ミラー 4、4’ レンズ 5o、5u 光学面、特に物体面または像面 6o、6u 光学系 7、7’、7’’ 照明路 8 結像路 9l、9r、9l’、9r’ アライメントマーク 9pl、9pr 投影されたアライメントマーク 9il、9ir 理想的なアライメントマーク 10 光源 11、11’、11’’ 光学システム 12u、12u’、12u’’ 光学サブシステム 12o、12o’、12o’’ 光学サブシステム 13u、13o 光軸 14 チップキャリア 14so、14su 感光面 15 保護プレート 16 ガラスプレート、特にフィルタ 17 フレーム 18 マーキングプレート 19 表面 20 傾斜軸 21 アライメントマーク投影システム α 光学面間の角度 A−A 断面図 B−B 断面図 d 距離 dx、dy 距離 tu、to 被写界深度 xdu、ydu 座標