随着集成电路特征尺寸的不断减小, I/O引脚数日益增加。对于高密度封装, 尤其是2.5D/3D封装中, 电子元件和基底快速而准确的对准十分关键。利用高性能CCD搭建了一套精密的光学视觉对准系统, 并采用Hough变换算法对芯片和基底进行对准试验。采集的图像经过去噪预处理后采用形态学边缘检测方法提取对齐标记, 并通过Hough变换得到4组平行直线, 然后计算基底的位移和旋转角度并完成对准。使用Matlab编程配准, 程序运行时间约为 4.2 s, 旋转参数的误差小于1.2°, x和y轴的平移误差均小于1 pixel。试验结果表明基于Hough变换算法的光学视觉对准系统可以快速而精确地实现芯片和基底对准, 满足IC封装需求。

本文根据分层制造对准系统的精度要求，研究了改善精度的软件补偿措施: 设计了 SUSAN和多帧平均降噪结合的无损滤波算法以减小滤波过程对标记图像产生的畸变；以频域能量谱函数作为系统的聚焦测度函数实现自动聚焦，消减了由离焦引入的对准误差；以校正残差均方差的大小和稳定性为依据确定了三次多项式畸变模型，校正后畸变引入标记定位误差小于 0.25 μm；通过对摆动轨迹的拟合和误差补偿使系统机械不稳定性造成的对准精度损失小于 1.3 μm。通过 Delphi和 Matlab混合编程完成了上述功能的软件实现和集成。

为了消减压印对准系统焦平面调整过程中由于机构机械不稳定性产生的对准误差, 提出了拟合调整架摆动轨迹来进行软件补偿的方法。通过亚像素模板匹配算法对调焦过程中标记图像的坐标进行定位运算并分析了算法的有效性，结果说明该算法的理论误差<0.1 μm。采用该算法计算随调整架摆动的标记坐标，对调整架的摆动轨迹进行了实验标定。分别考察调整架上升和下降时的摆动特性，结果显示，实验具有较好的重复性。以此为基础，建立了调整架的摆动轨迹模型及误差补偿方法，并对模型的预测补偿精度进行了实验研究。结果表明，通过预测调整架摆动轨迹并进行补偿，调焦系统机械不稳定性误差从2.84 μm减小到1.29 μm，可以满足2 μm的总体对准精度要求。

贴片机对准系统的精度标定是视觉定位的关键环节，直接影响贴片精度与贴片质量。为提高对准系统标定精度,提出了基于光栅的精度标定方法。将光栅图像灰度值之和形成一组周期固定的准正弦信号，通过像元平移把图像条纹灰度值变为李萨如图。对李萨如图及其数据进行分析与处理，直接计算出光学系统的分辨率，从而实现光学系统的精度标定。采用上述方法得到了与理论计算比较吻合的贴片机对准系统精度标定结果，并且利用标准大刻尺进行了标定验证实验。获取了标准大刻尺的图像，通过图像处理计算出刻线间的像素坐标差，将像素坐标差值与成像系统分辨率相乘计算出代表实测的刻线间距。对实验数据的误差分析表明，这种标定方法精度高，偏差＜0.2 μm,满足贴片机的对准精度要求。

提出了一种用于光刻装置的对准系统。该对准系统所用的标记包含多个相位子光栅。其中，标记±1级衍射光的光强信息用于产生粗对准信号。在粗对准信号上，通过峰值检测和信号拟合获得最大峰值点，该峰值点即为粗对准位置。同时，在另一光路中，精细子光栅的±1级衍射光的光强信息用于产生精对准信号。利用余弦或正弦曲线对该精对准信号进行拟合，得到一系列的波峰点。距离粗对准位置最近的波峰点即为精对准位置。当精细子光栅的周期足够小时，该对准系统可获得5 nm级的重复精度。

针对基于微压印成形三维MEMS器件制造工艺多层压印的需要,开发了一套基于视频图像对正原理的压印光刻对准系统.硬件系统以显微镜头、CCD、图像采集卡和精密工作台为核心组成.为了使系统能适应不同厚度器件的对准,设计了长工作距离的显微镜头并使用透明模板.软件中采用亚像素相关模板匹配算法进行定位运算,算法误差小于0.2μm.通过采用选择有效区域和粗-细搜索法的策略对算法进行优化,提高了运算效率.系统性能实验分析表明,系统分辨精度达到0.2μm,能够满足2μm的对准精度要求.

提出了用于提高X射线光刻对准系统自动对准效率和对准精度的图像边缘增强技术,并进行了数值分析.采用先单个再整体的分析方法,通过三种不同的图像边缘增强技术,即索贝尔(SOBEL)算子、拉普拉斯(LAPLAC)算子以及卷积等方法对CCD系统采集的对准标记图像进行处理,得到了每个方法相对应的处理结果,并对于处理结果进行了比较分析.分析比较得出:采用卷积和LAPLAC算子相结合的方法,即先卷积,再利用7个算子的LAPLAC方法进行处理,可以将对准系统的自动对准效率提高约50%,使得自动对准时间由原来的20 min缩短到10 min左右;系统对准精度的方差可由0.10 μm提高至0.08 μm.