CN101246314A - 硅片对准信号采集与处理系统及使用该系统的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅片对准信号采集与处理系统，该系统能够实时完成光信号到电信号的采集、滤波、调制与解调等功能，以及位置数据的同步采集与处理，并通过采样信号的拟合处理，实现光刻装置的硅片对准功能。本发明同时还提供了一种硅片对准信号的处理方法，该方法采用高阶非线性信号拟合模型，利用分步拟合处理方法，首先获得采样信号的包络线参数，将高阶的非线性模型转化为1阶线性模型，然后在此基础上获得采样信号的相位信息。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路光刻生产设备中的一种对准技术处理方法，尤其涉及硅片对准信号采集与处理系统、处理方法。
背景技术
在集成电路IC或其它微型器件的制造过程中，通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的硅片上，例如半导体硅片或LCD板。光刻装置的对准系统，其主要功能是在套刻曝光前实现掩模-硅片对准，以满足套刻精度的要求。目前，光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指均匀照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息。高级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光(包括高级)在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准中心位置。
中国专利200510030807.0公开了一种基于线性模型的硅片信号处理方法，该发明提出了一种基于线性模型的硅片信号处理方法，并同时采用实时信号处理方法，以实现快速、精确地获取信号的暗电流、振幅和相位。然而，在对准信号振幅波动较大的情况，采用线性信号拟合模型将难以准确地描述采样信号，导致对准精度的降低。文献1(微光信号探测对准技术，杨兴平，程建瑞，电子工业专用设备，2006，140：7～12)公开了一种光刻装置中的微光信号探测对准技术，该技术在信号的采集与拟合过程，采用高阶非线性拟合模型，通过迭代求解算法，获得高对准精度。对准采样信号处理的过程中，非线性拟合模型的采用能够具有更广泛的适用性，对于振幅波动较大的采样信号，也能获得高的对准精度，但求解过程需通过迭代的方法，增加了计算时间，降低了系统的实时性和对准效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅片对准信号采集与处理系统及使用该系统的对准信号的处理方法，能够实现硅片对准信号实时采集与处理，完成对准扫描过程中的定位，在保证对准精度的前提下，缩短计算时间，提高系统的实时性和对准效率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于硅片对准的信号采集与处理系统，包括：光解调器，用于将光强信号转换为电压信号；光强模数转换器，用于提供该电压信号到数字信号的采样与输出；激光干涉仪，用于提供对准扫描过程工件台x、y向位移的测量；位置数据处理器，用于将该工件台位移转换为基底台的位置采样坐标；时序控制器，用于提供该光强采样与位置采样的同步触发信号；与对准信号处理器，用于提供硅片对准信号的处理与拟合，确定对准位置。
该光解调器用于实现光强信号到频率不变、幅值相同的电压信号的转换，包括：光电传感器，用于提供该光信号到电流信号的转换；前置放大器，用于提供该电流信号到电压信号的转换与放大；频率选择器，用于提供滤波频率；带通滤波器，用于提供该电压信号的带通滤波；自适应增益器，用于提供该电压信号的自适应增益放大；移相器，用于提供调制后的信号与原始输入信号的相位比较与移相；解调器，用于提供信号的解调；与差分输出器，用于提供信号的差分输出。该频率选择器依据光强信号的频率，选择带通频率。该自适应增益器由可变增益运算放大器构成。该移相器采用模数混合移相方式，模拟电路部分提供移相功能，数字电路部分提供相位的检测功能。该解调器采用乘法器的方式，将调制后的光信号，转换成包络线信号与基准信号相乘后的信号。
该光强模数转换器包括：差分转换器，用于提供输入的差分信号到单边信号的输出转换；模拟滤波器，用于提供该信号的多级滤波去噪功能；与A/D转换器，用于提供该模拟信号到数字信号的采样与输出。
该位置数据处理器包括：位置数据采样器；与数据坐标转换器；该位置数据采样器在该时序控制器触发信号控制下，实现与光强数据采样的同步；该数据坐标转换器通过位置数据坐标的转换，提供激光干涉仪测量位移到工件台坐标系中的坐标转化。
该对准信号处理器包括：相位计算器，用于获得对准信号的相位信息；峰值计算器，用于获得对准信号的系列峰值点的位置；与对准位置计算器，用于根据该峰值点信息，确定对准位置。
本发明还提供一种使用该硅片对准信号采集与处理系统的硅片对准信号的处理方法，该对准信号处理方法采用高阶非线性信号拟合模型，利用分步拟合处理方法，首先获得采样信号的包络线参数，然后在此基础上获得采样信号的相位信息。
该硅片对准信号的处理方法包括如下步骤：
(a)位置采样数据输入；
(b)光强采样数据输入；
(c)包络线拟合，用于获得采样信号的包络线参数；
(d)获得次级模型；
(e)相位拟合，用于获得采样信号的相位；与
(f)相位信息输出。
该包络线拟合包括如下计算步骤：
(a)波峰采样数据；
(b)波谷采样数据；
(c)上包络线拟合，获得上包络线参数；
(d)下包络线拟合，获得下包络线参数；
(e)计算包络线参数，用于提供该包络线参数。
该上包络线拟合步骤利用一系列采样信号的波峰点，基于最小二乘的方法，获得上包络线的参数。该采样信号的波峰点通过逐点比较获得。该下包络线拟合步骤利用一系列采样信号的波谷点，基于最小二乘的方法，获得下包络线的参数。该采样信号的波谷点通过逐点比较获得。该计算包络线参数步骤利用上包络线参数和下包络线参数的平均值，获得包络线的参数。
该相位拟合步骤利用采样数据和该次级模型，基于最小二乘的方法，获得采样信号的相位信息。
在保证足够的对准精度前提下，该方法能够避免迭代求解过程，有效地缩短了采样信号的处理时间，提高了系统的处理效率。此外，该方法具有更好地扩展性，即增加非线性信号拟合模型的阶数，不会显著地增加计算时间。
附图说明
图1为硅片对准系统示意图；
图2为硅片对准信号采集与处理系统结构示意图；
图3为光解调器结构示意图；
图4为光强模数转换器结构示意图；
图5为位置数据处理器结构示意图；
图6为对准信号处理器结构示意图；
图7为信号相位计算器的主要计算步骤图；
图8为包络线拟合计算步骤图；
图9为对准采样信号的波形图；
图10为对准采样信号的包络示意图。
附图中：1、照明系统；2、光栅标记；3、掩模版；4、掩模台；5、投影光学系统；6、硅片；7、硅片光栅标记；8、基底台；9、运动台；10、对准光栅标记；11、伺服运动控制系统；12、照明系统；300、硅片对准采集与处理系统；301、采集与处理模块；302、对准信号处理模块；303、采集与处理模块；310、光解调器；311、光电传感器；312、前置放大器；313、频率选择器；314、带通滤波器；315、自适应增益器；316、移相器；317、解调器；318、差分输出器；320、光强模数转换器；321、差分转换器；322、模拟滤波器；323、A/D转换器；330、激光干涉仪；340、位置数据处理器；341、位置数据采样器；342、数据坐标转换器；350、时序控制器；360、对准信号处理器；361、相位计算器；362、峰值计算器；363、对准位置计算器；370、位置采样数据输入；371、光强采样数据输入；372、包络线拟合；372_1、波峰采样数据；372_2、波谷采样数据；372_3、f1(x)上包络线拟合；372_4、f2(x)下包络线拟合；372_5、获得上包络线参数ai′和bi′值；372_6、获得下包络线参数ai″和bi″值；372_5、计算包络线参数ai和bi；373、次级模型；374、相位拟合；375、相位信息输出；IFx、测量系统；IFy、测量系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1示出了一种硅片对准系统示意图。光刻装置的构成包括：用于提供曝光光束的照明系统1；用于支承掩模版3的掩模台4，掩模版上有掩模图案和用于掩模对准的周期性结构对准光栅标记2；用于将掩模版3上的掩模图案投影到硅片6上的投影光学系统5；用于支撑硅片6的基底台8，基底台8上有刻有对准光栅标记10；用于驱动基底台x和y向直线往复移动的运动台9，运动台9由伺服运动控制系统11和测量系统IFx和IFy采集与控制；用于提供硅片对准照明的照明系统12，硅片对准照明光束用于投射到硅片光栅标记7或基底台光栅标记10上；用于对准光信号的采集与处理模块301；用于位置数据的采集与处理模块303；基于对准光强信号和位置数据，确定对准位置的对准信号处理模块302。对准光信号的采集与处理模块301，位置数据的采集与处理模块303、对准信号处理模块302、时序同步控制器(图中未示出)，构成硅片对准采集与处理系统300。
对准扫描过程中，对准照明系统12提供的多个分立波长照明光束，经传输光纤照射到硅片光栅标记7或基底台光栅标记10上，发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准光栅标记的结构信息，经对准光学成像系统(图中未示出)，在参考光栅前表面上形成明暗相间的周期性光斑条纹。随着运动台的匀速直线移动，带动硅片光栅标记7和基底台光栅标记10一起做匀速运动，周期性光斑条纹将匀速扫过参考光栅，对准光信号的采集与处理模块301将探测到具有恒定周期的正弦形式的信号曲线，结合位置数据的采集与处理303，经对准信号处理模块302，可获得随位置做正弦形式变化的光强曲线，从而确定对准位置。
图2示出了硅片对准信号采集与处理系统300的结构示意图。硅片对准信号采集与处理系统300主要由光解调器310、光强模数转换器320、激光干涉仪330、位置数据处理器340、时序控制器350和对准信号处理器360组成，能够完成光强、位置数据的采样与处理，对准信号的拟合处理，确定对准位置。
图3示出了光解调器310的结构示意图。光解调器310主要包括光电传感器311、前置放大器312、频率选择器313、带通滤波器314、自适应增益器315、移相器316、解调器317和差分输出器318等，能够将不同的连续光强信号转换为频率保持不变、幅值相同的连续电压信号，输出到光强模数转换器320。经参考光栅调制后的周期性明暗相间的光斑条纹，通过放置在参考光栅后表面的光纤，将光信号收集并传输到光电传感器311，光信号转换为连续的电流信号。微弱电流信号经过前置放大器312，实现电流到电压信号的转换与放大。根据光强信号的具体频率，由频率选择器313，选择相应频率的带通滤波器314，滤除高频和低频噪声信号，保留有用信号。光强信号经过自适应增益器315，将带通滤波后的信号转换为幅值相同的信号，自适应增益器315由可变增益运算放大器构成。移相器316采用模数混合移相方式，模拟电路部分提供移相功能，数字电路部分提供相位的检测功能，实现调制后的信号与原始输入信号的相位比较与移相。解调器318直接采用乘法器的方式，将调制后的光信号，转换成包络线信号与基准信号相乘后的信号，实现信号的解调。差分输出器318采用双运算放大器，搭建差分电路，实现信号的差分输出。
图4示出了光强模数转换器320结构示意图。光强模数转换器320主要包括差分转换器321、模拟滤波器322和A/D转换器323等，实现硅片对准光强的模拟信号到数字信号的转换。输入的光强模拟差分信号，经差分转换器321，实现差分信号到单边信号的转换，通过模拟滤波器322的多级滤波，完成信号的滤波去噪，然后由A/D转换器323，最终实现光强模拟信号到数字信号的采样与输出。
激光干涉仪330用于对准扫描过程中运动台x、y向移动的高精密测量，并将测量数据输送到位置数据处理器340中。
图5示出了位置数据处理器340结构示意图。位置数据处理器340主要包括位置数据采样器341和数据坐标转换器342等，完成激光干涉仪采集信号到光刻装置物理坐标体系中位置数据的采样与转换。激光干涉仪采集信号经过置数据采样器341，实现位置信号的离散采样，并在时序控制器350发出的触发信号控制下，实现与光强数据采样的同步。坐标转换器342，通过旋转与平移，完成位置数据的坐标转换，实现激光干涉仪测量位移到工件台坐标系中的坐标转化。
时序控制器350通过发送触发信号的方式，控制位置数据的和光强数据的采样的同步性。
图6示出了对准信号处理器360结构示意图。对准信号处理器360主要包括相位计算器361、峰值计算器362和对准位置计算器363等，实现硅片扫描过程中精确对准位置的确定。来自光强模数转换器320的光强采样数据，与来自位置数据处理器340的位置数据，通过相位计算器361，获得对准信号的相位信息，然后由信号的相位信息，经峰值计算器362，计算得到对准信号的一系列波峰点位置与光强，最后由对准位置计算器363，根据对准信号的峰值信息，确定硅片对准位置，即基底台光栅标记与硅片光栅标记的对准位置。
为提高信号模型与采样信号的吻合度，获得更为精确的对准信号相位信息，相位计算器361中的信号拟合模型采用式(1)所示的高阶非线性数学模型：
其中，x为位置数据，I(x)为对应的光强数据，ai为直流分量包络线参数，bi为幅值包络线参数，i＝0，1，2，…，n，k为信号的角频率，
为相位参数，n≥1为模型阶数。
式(1)所示的信号拟合模型的上包络线和下包络线分别为(见图9)：
f1(x)＝(a0+a1x+…+anxn)+(b0+b1x+…+bnxn)
＝(a0+b0)+(a1+b1)x+…+(an+bn)xn (式2)
f2(x)＝(a0+a1x+…+anxn)-(b0+b1x+…+bnxn)
＝(a0-b0)+(a1-b1)x+…+(an-bn)xn (式3)
采样信号的拟合处理过程在相位计算器361中完成，图7示出了信号相位计算器361的主要计算步骤，包括位置采样数据输入370、光强采样数据输入371、包络线拟合372、获得次级模型373、相位拟合374和相位信息输出375。采样信号的拟合采用分步拟合处理方法，首先，利用采样信号的一系列波峰、波谷点，基于最小二乘方法，拟合出采样信号的包络线，获得包络线参数ai和bi；其次，获得包络线参数后，高阶非线性模型将转化为线性次级模型：
(式4)，此时f1(x)和f2(x)已为已知函数；最后利用全部采样数据，基于最小二乘的方法，可拟合出采样信号曲线，获得采样信号的相位参数
图8示出了包络线拟合372的基本步骤，包括波峰采样数据372_1、波谷采样数据372_2、f1(x)上包络线拟合372_3、f2(x)下包络线拟合372_4、获得上包络线参数ai′和bi′值372_5、获得下包络线参数ai″和bi″值372_6、计算包络线参数ai和bi 372_5等。首先采用逐点比较的方法，找出采样信号中一系列的波峰点和波谷点；然后利用波峰采样点，对式(2)所示的上包络线f1(x)进行拟合，获得上包络线参数ai′和bi′值；同理利用波谷采样点，对式(3)所示的下包络线f2(x)进行拟合，获得下包络线参数ai″和bi″值；最后利用上包络线参数(ai′和bi′)和下包络线参数(ai″和bi″)的平均值，获得包络线的参数ai和bi，即：
ai＝1/2(ai′+ai″) (式5)
bi＝1/2(bi′+bi″) (式6)
图9示出了对准采样信号的波形图，其中横坐标表示位置，纵坐标表示光强。图10示出了对准采样信号的包络示意图。f1(x)为上包络线，包络信号的波峰点；f2(x)为下包络线，包络信号的波谷点。
一个硅片对准采样信号拟合过程的实施例为：采样信号的周期为8um，采样步长为137.5nm，共采集640个采样点，拟合模型采用式(1)所示的2阶非线性数学模型。采用文献1(微光信号探测对准技术，杨兴平，程建瑞，电子工业专用设备，2006，140：7～12)中的牛顿迭代求解方法，首先固定相位参数
值，求解包络线参数，然后求解
的方向导数，修正
如此循环迭代8次，直到
收敛到0.00001rad范围之内，获得采样信号的相位解为
采用本发明提出的采样信号拟合处理方法，无需迭代求解，只基于最小二乘方法，分布求解包络线参数和相位参数，获得的采样信号的相位解为
两种方法获得的相位差在0.00018rad，转换为位置误差为0.00018/(2×Pi)×8＝0.229nm。与采样信号8um长度的周期相比，可认为两种方法相位
求解结果基本一致，由于本发明所给出的信号拟合方法无需迭代，所需的计算时间约为文献1方法所需时间的三分之一，表现出更好的实时性。
Claims (18)
1、一种硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于，包括：
光解调器，用于将光强信号转换为电压信号；
光强模数转换器，用于提供所述电压信号到数字信号的采样与输出；
激光干涉仪，用于提供对准扫描过程工件台x、y向位移的测量；
位置数据处理器，用于将所述工件台位移转换为基底台的位置采样坐标；
时序控制器，用于提供所述光强采样与位置采样的同步触发信号；与
对准信号处理器，用于提供硅片对准信号的处理与拟合，确定对准位置。
2、根据权利要求1所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述光解调器用于实现光强信号到频率不变、幅值相同的电压信号的转换，其包括：
光电传感器，用于提供所述光信号到电流信号的转换；
前置放大器，用于提供所述电流信号到电压信号的转换与放大；
频率选择器，用于提供滤波频率；
带通滤波器，用于提供所述电压信号的带通滤波；
自适应增益器，用于提供所述电压信号的自适应增益放大；
移相器，用于提供调制后的信号与原始输入信号的相位比较与移相；
解调器，用于提供信号的解调；与
差分输出器，用于提供信号的差分输出。
3、根据权利要求2所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述频率选择器依据光强信号的频率，选择带通频率。
4、根据权利要求2所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述自适应增益器由可变增益运算放大器构成。
5、根据权利要求2所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述移相器采用模数混合移相方式，模拟电路部分提供移相功能，数字电路部分提供相位的检测功能。
6、根据权利要求2所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述解调器采用乘法器的方式，将调制后的光信号，转换成包络线信号与基准信号相乘后的信号。
7、根据权利要求1所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述光强模数转换器包括：
差分转换器，用于提供输入的差分信号到单边信号的输出转换；
模拟滤波器，用于提供所述信号的多级滤波去噪功能；与
A/D转换器，用于提供所述模拟信号到数字信号的采样与输出。
8、根据权利要求1所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述位置数据处理器包括：
位置数据采样器；与
数据坐标转换器；
所述位置数据采样器在所述时序控制器触发信号控制下，实现与光强数据采样的同步；所述数据坐标转换器通过位置数据坐标的转换，提供激光干涉仪测量位移到工件台坐标系中的坐标转化。
9、根据权利要求1所述的硅片对准信号采集与处理系统，其特征在于：所述对准信号处理器包括：
相位计算器，用于获得对准信号的相位信息；
峰值计算器，用于获得对准信号的系列峰值点的位置；与
对准位置计算器，用于根据所述峰值点信息，确定对准位置。
10、一种使用权利要求1所述的硅片对准信号采集与处理系统的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述对准信号处理方法采用高阶非线性信号拟合模型，利用分步拟合处理方法，首先获得采样信号的包络线参数，然后在此基础上获得采样信号的相位信息。
11、根据权利要求10所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述硅片对准信号的处理方法包括如下步骤：
(a)位置采样数据输入；
(b)光强采样数据输入；
(c)包络线拟合，用于获得采样信号的包络线参数；
(d)获得次级模型；
(e)相位拟合，用于获得采样信号的相位；与
(f)相位信息输出。
12、根据权利要求11所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于，所述包络线拟合包括如下计算步骤：
(a)波峰采样数据；
(b)波谷采样数据；
(c)上包络线拟合，获得上包络线参数；
(d)下包络线拟合，获得下包络线参数；
(e)计算包络线参数，用于提供所述包络线参数。
13、根据权利要求12所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述上包络线拟合步骤利用一系列采样信号的波峰点，基于最小二乘的方法，获得上包络线的参数。
14、根据权利要求13所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述采样信号的波峰点通过逐点比较获得。
15、根据权利要求12所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述下包络线拟合步骤利用一系列采样信号的波谷点，基于最小二乘的方法，获得下包络线的参数。
16、根据权利要求15所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述采样信号的波谷点通过逐点比较获得。
17、根据权利要求12所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述计算包络线参数步骤利用上包络线参数和下包络线参数的平均值，获得包络线的参数。
18、根据权利要求11所述的硅片对准信号的处理方法，其特征在于：所述相位拟合步骤利用采样数据和所述次级模型，基于最小二乘的方法，获得采样信号的相位信息。
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