CN101303533B - 用于光刻设备的对准系统、对准方法及增强型对准标记 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于光刻设备的对准系统、对准方法及增强型对准标记。利用所设计的特定对准标记结构，通过对准成像系统，获得对准标记的图像信号；然后通过傅立叶变换，将对准标记的图像信号转换到频域空间，以提取标记的不同级次频率的信息，并由傅立叶逆变换，获得相应的各级次频率的对准信号，这些信号包含对准标记的内在结构与相位信息；最后利用原始信号或获得的低级次频率对准信号做粗对准，利用高级次频率对准信号做精对准，提高对准的分辨率和对准精度。此外，本发明还提供了两种类型的增强型对准标记，增强特定级次频率成分的信号强度，提高该级次信号的信噪比，降低对准误差。

Description

用于光刻设备的对准系统、对准方法及增强型对准标记

技术领域

本发明与集成电路或其它微型器件制造领域的光刻装置有关，特别涉及一种用于光刻设备的对准系统、对准方法及增强型对准标记。

背景技术

在半导体IC集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行精确定位，以保证两层图形之间的正确相对位置，即套刻的精度。套刻精度是投影光刻机的关键技术指标之一。影响套刻精度的因素众多，其中掩膜与硅片之间的对准精度是其中一个重要的影响因素。

早期的光刻对准系统采用的是掩模-硅片直接对准的方式，由于对准光源需经过投影物镜，这就要求投影物镜要同时考虑曝光光源和对准光源的透过率。当曝光光源采用深紫外光源(波长193nm或248nm)以提高光刻分辩力时，即使投影物镜只镀深紫外单峰增透膜已经非常困难了，几乎没有可能再保证对准光源的透过率。因此，深紫外光刻对准系统通常采用掩模对准加硅片对准的间接对准方式。具体而言，通过在工件台基准板上设置对准标记，采用曝光光源作为对准光源，实现掩模对准标记与基准板标记之间的对准；同时采用专用对准光源，实现硅片标记与基准板标记之间的对准；从而间接地建立硅片标记与掩模标记之间的位置坐标关系，即实现了掩模硅片的对准。

硅片对准系统通常采用激光分布对准方式(Laser Step Alignment，LSA)、场像对准方式(Field Image Alignment，FIA)和激光干涉对准方式(LaserInterferometric Alignment，LIA)。场像对准方式使用宽带光源，通过探测对准标记和参考标记的明场图像，由图像处理的方法得到对准标记的边缘位置，从而得到对准标记相对于参考标记的位置，该硅片对准系统包括一个照明光源、一个传导光纤，光源采用卤素灯照明或者其它宽带照明系统；照明光束从反射镜1上方入射，经过透镜1、反射镜2、透镜2和反射镜3垂直入射到硅片对准标记记上，从对准标记反射的光束经过透镜2和透镜3组成的双远心成像系统成像；像面位置为参考标记平面，参考标记平面是由刻有不透光的参考标记的透明介质构成，这些标记由一些相互垂直的横线和竖线组成，分别用于X和Y方向的对准。参考标记的位置以基准标记作为参考。经参考标记平面透过的光束包含了对准标记和参考标记的信息，标记和参考标记再经成像透镜3同时成像在用于X方向信号探测的CCD相机1和用于Y方向信号探测的CCD相机2上。两个CCD相机线性扫描输出X和Y方向的视频信号，输入到对准信号处理单元。信号处理单元根据获得信号强度(或图像灰度)曲线，求解出标记所成像的中心X_c(或Y_c)，并通过参考标记所成像的X_1和X_r(或Y_l和Y_r)与基准板建立坐标关系，实现硅片与基准板之间的对准。

进一步地，美国专利US 6876946公布了一种基于场像对准方式的硅片对准系统，该对准系统采用图1所示的对准装置，根据获得的标记图像信号确定标记中心，并通过参考标记图像信号，建立硅片标记与基准板标记之间的位置关系。此外，美国专利US 7038777、US 712670也采用了类似的装置和方法实现硅片对准。本质上，这些发明中确定对准位置的方法是利用标记所成像的灰度或信号强度曲线，通过获取曲线的中心位置或曲线上某个特定位置确定标记的位置坐标，而并不关心标记结构关系和相位关系。当需要提高对准的分辨率时，就通过缩小标记线宽或提高成像系统的放大倍率来实现。然而，通过缩小标记线宽或提高成像系统的放大倍率将带来一些问题，如受限于图像传感器的分辨率和标记制造加工能力，标记的线条不可能无限制的缩小，另外标记的线宽越小越易受半导体工艺影响而变形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光刻设备的对准系统和对准方法，以提高对准分辨率和对准精度。

本发明的另一目的在于提供了两种类型的增强型对准标记，该增强型标记可以提高特定级次的信号强度，从而提高该级次对准信号的信噪比，降低对准的误差。

为了达到上述目的，本发明提供一种用于光刻设备的对准系统，包括：光源模块、对准标记、照明与成像单元、图像采集单元、图像处理单元、对准操作单元和位置采集与运动控制单元。所述对准标记由线宽和槽宽相等的刻蚀线条组成。所述图像处理单元将对标记成像进行傅立叶变换，并提取出不同频率级次的对准信号。所述对准操作单元利用原始信号或获得的某一特定级次的对准信号确定粗对准位置，利用获得的比所述特定级次更高级次的对准信号确定精对准位置。

该光源模块是波长为500nm～800nm的宽带照明光源。照明光源可采用卤素灯。

该对准标记包括位于硅片上的硅片对准标记和位于基准板上的基准板标记。

该对准标记包括两组相互正交的标记，每组标记由一组等距线条与沟槽构成。

该照明与成像单元包括中继透镜、半透半反镜、物镜、反射镜，以及透镜，其中该物镜和透镜组成双远心成像系统。

该图像采集单元包括图像传感器和图像采集卡，用于获取硅片标记和基准板标记的高分辨率成像。其特征在于：该图像传感器可采用面阵CCD，也可以采用其它图像探测器件。该图像采集卡实时采集图像传感器中输出的视频数据，并通过高速接口，传输给图像处理单元。

该图像处理单元包括图像预处理环节、傅立叶变换环节、带通滤波环节和傅立叶逆变换环节，该图像处理单元提取不同频率的对准信号。该图像预处理环节去除标记图像的背景，提取标记区域，对图像噪声进行滤波。该傅立叶变换环节采用傅立叶变换模型，将标记区域图像转换为空间频域。该带通滤波环节包括了一组并列的窗口滤波器，分别对应标记图像的不同级次的傅立叶频谱，通过该级次频率而滤除其它频率成分。

该带通滤波环节可采用如下滤波器函数H(u，v)为：

式中，u、v为正交方向上的频率分量，u1、u2和v1、v2用于确定滤波窗口的大小与位置。

该傅立叶逆变换环节包括与该带通滤波器数量相同的傅立叶逆变换器，分别对不同的带通滤波器输出的频率进行傅立叶逆变换，将对准图像由频域空间转换为时域空间。

该图像处理单元将将标记的原始信号和各级频率对准信号传送给对准操作单元。

该对准操作单元包括对准信号拟合环节、对准位置求解环节、对准控制环节。该对准信号拟合环节对获得对准信号进行拟合处理。该对准信号拟合环节首先对原始信号进行滑动平均滤波处理，转换为抛物线形式，然后再采用二次曲线模型进行拟合。该对准信号拟合环节对非原始信号直接采用二次曲线模型进行拟合。

所述对准位置求解环节根据所述原始信号或获得的某一特定级次的对准信号确定粗对准位置，根据获得的比所述特定级次更高级次的对准信号确定精对准位置。所述对准位置求解环节可以采用原始信号或者1级频率对准信号确定粗对准位置，采用3级频率对准信号或者5级频率对准信号确定精对准位置；所述对准位置求解环节可以采用3级频率对准信号确定粗对准位置，采用5级频率对准信号或者7级频率对准信号确定精对准位置；所述对准位置求解环节还可以其他特定级次的对准信号确定粗对准位置，采用比所述其他特定级次更高级次的对准信号确定精对准位置。所述对准控制环节将获得的精对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储所述位置坐标。所述对准控制环节控制和操作所述对准系统。

该位置采集与控制单元包括位置数据采集模块、运动台和运动控制模块，实现工件台位置的采集与运动台的运动与控制。该位置采集模块采集工件台的位置信息，并将位置数据实时地提供给对准操作单元和运动控制模块。该运动控制模块控制工件台运动到特定的位置，使硅片标记或基准板标记位于对准成像系统的光轴位置，成像于图像传感器的中心附近区域。该运动台由直线电机驱动，在运动控制模块的控制下，可实现水平面上正交方向的直线往复运动和高精度的定位。

本发明还提供一种用于光刻设备的对准方法，包括如下具体步骤：

步骤1、对准操作单元下发标记的位置到运动控制模块；

步骤2、运动控制模块控制工件台移动标记到指定位置，使得对准标记能够成像于图像传感器的中心区域；

步骤3、打开对准光源，图像采集单元采集对准标记的成像，并将所采集的标记的数字图像传输给图像处理单元；

步骤4、图像处理单元对获得的标记图像进行处理，获得不同级次频率的对准信号；

步骤5、对准操作单元对不同级次的对准信号进行拟合处理、求解对准位置，并根据当前工件台的坐标，将获得的对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储起来；

步骤6、对准操作单元根据所存储的基准板标记的位置坐标，以及硅片标记的位置坐标，建立二者之间的坐标位置关系。

步骤4进一步包含以下步骤：

步骤4.1、图像处理单元中的预处理环节对标记图像进行背景去除、标记区域的提取、图像噪声滤波处理；

步骤4.2、图像处理单元中的傅立叶变换环节对经预处理后的标记图像进行傅立叶变换，将标记图像由时域空间转换到频域空间；

步骤4.3、图像处理单元中的带通滤波环节对频域空间的标记图像进行滤波，提取出不同级次的频率成分；

步骤4.4、图像处理单元中的傅立叶逆变换环节分别对不同级次频率成分的标记图像进行傅立叶逆变换，转换为时域空间不同周期的对准信号；

步骤4.5、图像处理单元将不同级次的对准信号，连同原始信号曲线，传输给对准操作单元。

步骤4.1中，可以采用边缘探测法确定和分割出所采集的图像中对准标记所在的区域；也可以采用模板匹配法确定和分割出所采集的图像中对准标记所在的区域。

步骤4.2中，针对不同级次频率，带通滤波器可采用如下窗口滤波函数，实现特定级次频谱的保留，其它频率成分的滤除：

式中，u、u为正交方向上的频率分量，u1、u2和v1、v2用于确定滤波窗口的大小与位置。

步骤5进一步包含以下步骤：

步骤5.1、对准操作单元中的对准信号拟合环节对获得对准信号进行拟合，获得拟合模型的参数；

步骤5.2、对准操作单元中的对准位置求解环节根据求得拟合模型参数，以及求得的各级对准信号的拟合模型参数，确定粗对准位置和精对准位置；

步骤5.3、对准操作单元中的对准控制环节根据当前工件台的位置坐标，将对准位置求解单元求得的精对准位置坐标转换为工件台坐标系下的坐标，并存储。

步骤5.1中，对于原始信号，先采用滑动平均方法，对信号进行处理，然后采用二次曲线模型进行拟合；对于非原始信号，直接采用二次曲线模型进行拟合。

所述步骤5.2中，根据原始信号或获得的某一特定级次的对准信号的中心峰值位置或者中心位置确定粗对准位置，根据获得的比所述特定级次更高级次的对准信号上距离所述粗对准位置最近的峰值位置确定精对准位置。

本发明还提供一种增强型对准标记，标记的沟槽被更小周期的线条与沟槽细分，细分结构的线宽和槽宽相等，为该标记的线宽除以增强级次的商。

本发明还提供了另外一种增强型对准标记，标记的线条被更小周期的线条与沟槽细分，细分结构的线宽和槽宽相等，为该标记的槽宽除以增强级次的商。

本发明所提供的用于光刻设备的对准系统与对准方法，利用所设计的特定对准标记结构，通过对准成像系统，获得对准标记的图像信号；然后通过傅立叶变换，将对准标记的图像信号转换到频域空间，以提取标记的不同级次频率的信息，并由傅立叶逆变换，获得相应的各级次频率的对准信号，这些信号包含对准标记的内在结构与相位信息；最后利用原始信号或获得的低级次频率对准信号做粗对准，利用高级次频率对准信号做精对准，从而提高对准的分辨率和对准精度。本发明提供的增强型对准标记，可以提高特定级次频率成分的信号强度，从而提高该级次对准信号的信噪比，降低对准的误差。

附图说明

图1为现有技术中的基于场像对准方式的硅片对准系统示意图；

图2为本发明对准系统结构示意图；

图3a为本发明的一种对准标记示意图；

图3b为本发明的对准标记横截面示意图；

图3c为光刻胶覆盖层下对准标记横截面示意图；

图4a为对准标记经成像系统所成的像；

图4b为对准标记所成像的光强分布示意图；

图5为本发明采用的图像处理单元结构示意图；

图6a为对准标记图像的傅立叶频谱示意图；

图6b为对准标记图像的傅立叶频谱横截面示意图；

图7a为带通滤波器的示意图；

图7b为经带通滤波器滤波后的傅立叶频谱示意图；

图8为经傅立叶逆变换后图像和强度分布示意图；

图9为对准操作单元的结构示意图；

图10a为采用原始信号和3级信号确定对准位置的示意图；

图10b为采用1级信号和3级信号确定对准位置的示意图；

图11为本发明所示的对准方法的主要步骤；

图12a为本发明给出的一种增强型对准标记；

图12b为一种增强型对准标记的横截面示意图；

图12c为一种增强型对准标记的傅立叶频谱示意图；

图12d为一种增强型对准标记与非增强型对准标记的7级信号强度比较图；

图13a为本发明给出的另外一种增强型对准标记；

图13b为另外一种增强型对准标记的横截面示意图；

附图中：1、投影物镜；2、硅片；3、基准板；4、工件台；5、数据采集模块；6、运动台；7、运动控制模块；100、照明与成像单元；11、光源模块；12、中继透镜；13、半透半反镜；14、物镜；15、反射镜；16、透镜；17、图像采集单元；18、图像处理单元；181、图像预处理环节；182、傅立叶变换环节；183、带通滤波环节；184、傅立叶逆变换环节；19、对准操作单元；191、对准信号拟合环节；192、对准位置求解环节；193、对准控制环节；200、位置采集与运动控制单元、30、基底层；31、光刻胶覆盖层；WM、硅片对准标记；SM、基准板标记；DS0、原始对准信号；DS1、1级频率对准信号；DS3、3级频率对准信号；Pa、精对准位置；Pc、粗对准位置。

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详细说明。

图2为本发明提供的一实施例的结构示意图，该对准系统用于建立硅片对准标记WM和基准板标记SM之间的坐标位置关系，即实现硅片与基准板之间的对准，其包含：位于硅片2上的对准标记WM和位于基准板3上的对准标记SM，依次设置的光源模块11、照明与成像单元100、图像采集单元17、图像处理单元18、对准操作单元19，以及位置采集与运动控制单元200。

所述硅片标记WM或基准板标记SM由一组等间距线条构成，其中线条的宽度与沟槽宽度相等。X向标记的线条和沟槽沿X向排列，Y向延伸；Y向标记的线条和沟槽沿Y向排列，X向延伸。

如图2a所示，为本实施例所采用的X向硅片标记WM或基准板标记SM的结构示意图；其中，黑色线条表示标记沟槽，白色线条为标记线条，线宽d和槽宽τ之间满足关系：

d＝τ(式1)

该对准标记横截面示意图如图2b所示，其中30为基底层。图3c给出了光刻胶覆盖层31下硅片标记WM的形貌横截面示意图。对准标记设计为槽宽与线宽相等的周期性结构，目的在于使标记所成像的主要谱功率(能量)集中在有限的频率区。

所述光源模块11是波长为500nm～800nm的宽带照明光源，如卤素灯等。光源模块11所发出的照明光束经光纤输出到照明与成像单元100。

所述照明与成像单元100包括中继透镜12、半透半反镜13、物镜14和反射镜15，以及透镜16，其中对准光源模块发出的照明光束经中继透镜12、半透半反镜13、物镜14和反射镜15入射到硅片标记WM或基准板SM上，反射光束经物镜14和透镜16所组成的双远心成像系统将对准标记WM或SM成像于像平面，形成明暗相间的周期性明暗条纹。标记所成的像包含了对准标记的位置、结构与相位等信息。在下文中，为了叙述方便起见，标记经光学成像单元所成的像统称为标记图像。

如图4a所示，为本实施例所采用的对准标记所成像的示意图。由于标记为槽宽和线宽相等的周期性结构，故理论上标记图像的明条纹与暗条纹宽度相等，即：

D＝T(式2)

且满足关系

$\left\{\begin{array}{c}D=\mathrm{nd}\\ T=\mathrm{n\τ}\end{array}\right.$ (式3)

式中，n为双远心成像系统的放大倍率。对准标记所成像的光强分布如图4b所示。

所述图像采集单元17包括图像传感器和图像采集卡，用于获取硅片标记WM和基准板标记SM的高分辨率成像。其中图像传感器可采用面阵CCD或其它图像探测器件，图像采集卡实现图像传感器中输出的视频数据的实时采集，并通过高速接口传输给图像处理单元18。

所述图像处理单元18包括图像预处理环节、傅立叶变换环节、带通滤波环节和傅立叶逆变换环节，用于实现不同频率对准信号的提取。如图5所示，其中，图像预处理环节181用以实现标记图像的背景去除、标记区域的提取、图像噪声滤波等；傅立叶变换环节182对获取的标记区域图像进行傅立叶变换，将标记由时域空间转换为频域空间；带通滤波环节183包含一系列的带通滤波器，用于分别保留不同级次傅立叶频率；傅立叶逆变换环节184对不同级次的频率进行傅立叶逆变换，将频域图像信号转换为时域空间信号DS1、DS2......等输出；此外，该图像处理单元18同时将标记的原始信号DS0一并输出。在本发明中，当信号的频率等于明暗条纹的变换频率时，命名为0级信号，即原始信号；当信号的频率为明暗条纹的频率的2倍时，即信号周期等于0.5(T+D)，命名为1级信号；其它级次频率信号依次类推。

所述傅立叶变换环节182采用二维傅立叶变换模型，将标记区域图像转换为空间频域。假设标记图像为M×N的函数f(x，y)，则其二维傅立叶变换函数为：

$F(u,v)=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{x=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)e^{-j2\mathrm{\π}(\mathrm{ux}/m+\mathrm{vy}/N)}$ (式4)

这里，u、v为频率变量，x、y为空间或图像变量。在频域空间，标记图像将以傅立叶频谱的形式表现，如图6a所示。由于本实施例中采用的对准标记WM或SM为X向对准标记，标记的线条与沟槽沿X向排列，Y向延伸，故其傅立叶频率平行u向分布。

图6b给出了傅立叶频谱沿B-B切线的横截面示意图。由于对准标记为线宽与槽宽相等的周期性结构，故标记图像傅立叶变换后的频谱主要集中在1级、3级......等奇次级，其中心处的频率为直流分量，即图像的平均灰度级。

所述带通滤波环节183包括了一系列的窗口滤波器，分别对应标记图像的不同级次的傅立叶频谱，以通过该级次频率而滤除其它频率成分。滤波器函数H(u，v)为：

(式5)

式中，u、v为相互正交的频率变量，u1、u2和v1、v2确定滤波窗口的大小与位置。

图7a给出了本实施例中的一个带通滤波器，用于保留1级频谱，滤除其它频率成分。图中，黑色区域表示此区域的频率分量将被滤除，而窗口区表示该区域的频率分量将被通过。图7b给出了经过1级频谱带通滤波器滤波后，标记图像的傅立叶频率分布情况。显然，仅1级频谱被保留，其余频率成分均被滤除。

所述傅立叶逆变换环节184包括一系列的傅立叶逆变换器，分别对不同的带通滤波器输出的频率进行傅立叶逆变换，将对准图像由频域空间转换为时域空间。其傅立叶逆变换函数为：

$f(x,y)=\underset{u=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}F(u,v)e^{-j2\mathrm{\π}(\mathrm{ux}/m+\mathrm{vy}/N)}$ (式6)

通过所述傅立叶逆变换环节，可以获得标记图像的不同级次频谱图像，如图8上半部分所示，为标记的1级频谱图像，其沿横截面的灰度(信号强度)如图8下半部分所示。对于不同级次的频谱图像，k级信号周期满足如下关系：

$P_k=\frac{(D+T)}{2k}$ (式7)

式中，D和T为标记图像明暗条纹周期。通过傅立叶变换，可以获得不同级次的不同周期对准信号DS1、DS2......等，这些对准信号与原始信号DS0一起，被传输给对准操作单元19。

所述对准操作单元19包括对准信号拟合环节191、对准位置求解环节192和对准控制环节193，用于对准信号的处理、对准位置的确定、工件台位置数据的采集，以及工件台的运动控制等，如图9所示。其中，对准信号拟合环节用于对获得的对准信号DS0、DS1......分别进行拟合，获得拟合模型的参数；对准位置求解环节用于求解对准位置，并根绝工件台坐标位置，获得标记图像中心在工件台坐标系下的坐标；对准控制环节用于控制位置采集与运动控制单元，以及整个对准系统的控制与操作。

对准信号拟合环节191用于对获得的对准信号的进行拟合处理。具体地，对于原始对准信号DS0，由于该信号为非抛物线形式，首先对其进行滑动平均处理，转换为抛物线形式，然后再进行抛物线拟合；对于其它级次对准信号，直接采用抛物线模型进行拟合。拟合模型可选为如下所示的二次曲线模型：

S(x)＝a₁x²+a₂x+a₃   (式8)

式中，a₁、a₂和a₃为模型参数。由最小二乘法，容易求解出参数a₁、a₂和a₃。

对准位置求解环节192根据获得模型参数，求解出对准信号的峰值点或者信号中心点(对于DS0为信号的中心点)，并综合利用不同级次频率的对准信号，确定对准位置。

具体地，对准原理为：首先利用原始信号或低级次频率对准信号，如DS0或DS1，确定一个粗对准位置P_c，该粗对准位置可认定为原始信号或低级次频率对准信号的中心位置或者中心峰值点位置；然后根据该粗对准位置，寻找高级次频率对准信号上距离该粗对准位置最近的峰值点，如DS3、DS5、DS7，定为精对准位置P_a。

图10a给出了所述对准原理的一个实施例，首先原始对准信号DS0的中心位置处确定粗对准位置P_c，然后由对准信号DS3距离该粗对准位置最近的峰值点，确定为精对准位置P_a。

图10b给出了所述对准原理的另外一个实施例，其中，对准信号DS1用于确定粗对准位置P_c，对准信号DS3用于确定精对准位置P_a。

对准控制环节193用于将获得精对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储该位置坐标；同时，对准控制环节还用于控制位置采集与运动控制单元、图像处理采集、图像处理单元，以及整个对准系统的控制与操作。

所述位置采集与控制单元200包括位置数据采集模块5、运动台6和运动控制模块7，用于实现工件台位置的采集与运动台的运动与控制。位置采集模块5用于采集工件台的位置信息，并将位置数据实时地提供给对准操作单元19和运动控制模块7；运动控制模块7用于控制工件台6运动到特定的位置，以便于硅片标记WM或基准板标记SM能够位于对准成像系统的光轴位置，成像于图像传感器的中心附近区域；运动台5由直线电机驱动，在运动控制模块的控制下，可实现横向(X向)或竖向(Y向)的直线往复运动和高精度的定位。

如图11所示，本发明还提供了一种基于标记频谱信号的硅片对准方法，具体包含以下步骤：

步骤1、对准操作单元19下发待对准的硅片标记WM或基准板标记SM的位置到运动控制模块7；

步骤2、运动控制模块7控制工件台6移动标记到指定位置，使得对准标记能够成像于图像传感器的中心附近区域；

步骤3、打开对准光源11，图像采集单元17采集对准标记的成像，并将所采集的标记的数字图像传输给图像处理单元18；

步骤4、图像处理单元18对获得的标记图像进行处理，获得不同级次频率的对准信号；具体包括如下步骤；

步骤4.1、图像处理单元中的预处理环节对标记图像进行背景去除、标记区域的提取、图像噪声滤波等处理；

步骤4.2、图像处理单元中的傅立叶变换环节对经预处理后的标记图像进行傅立叶变换，将标记图像由时域空间转换到频域空间；

步骤4.3、图像处理单元中的带通滤波环节对频域空间的标记图像进行滤波，提取出不同级次的频率成分；

步骤4.4、图像处理单元中的傅立叶逆变换环节分别对不同级次频率成分的标记图像进行傅立叶逆变换，转换为时域空间不同周期的对准信号DS1、DS2......等；

步骤4.5、图像处理单元将不同级次的对准信号DS1、DS2......等，连同原始信号曲线DS0，传输给对准操作单元19；

步骤5、对准操作单元19对不同级次的对准信号进行拟合处理、求解对准位置，并根据当前工件台的坐标，将获得的对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储起来；具体包括如下步骤：

步骤5.1、对准操作单元中的对准信号拟合环节对获得对准信号进行拟合，获得拟合模型的参数；

步骤5.2、对准操作单元中的对准位置求解环节根据求得拟合模型参数，以及求得的各级对准信号的拟合模型参数，确定粗对准位置和精对准位置；

步骤5.3、对准操作单元中的对准控制环节根据当前工件台的位置坐标，将对准位置求解单元求得的精对准位置坐标转换为工件台坐标系下的坐标，并存储；

步骤6、对准操作单元根据所存储的基准板标记SM的位置坐标，以及硅片标记WM的位置坐标，建立二者之间的坐标位置关系。

所述步骤4.1中，采用边缘探测法或模板匹配法，确定和分割出所采集的图像中对准标记所在的区域；

所述步骤4.2中，针对不同级次频率，带通滤波器可采用如下窗口滤波函数，实现特定级次频谱的保留，其它频率成分的滤除；

所述步骤5.1中，对于对准信号DS0，先采用滑动平均方法，对信号进行处理，然后采用如下所示的二次曲线模型，进行拟合；

S(x)＝a₁x²+a₂x+a₃

所述步骤5.1中，对于非DS0对准信号，直接采用如下所述二次曲线模型进行拟合；

S(x)＝a₁x²+a₂x+a₃

所述步骤5.2中，原始信号或低级次频率对准信号的中心峰值位置(或中心位置)用于确定粗对准位置，高级次频率对准信号上距离该粗对准位置最近的峰值位置，用于确定精对准位置；

所述步骤5.2中，粗对准位置可采用DS0信号曲线的中心位置或1级信号的中心峰值点；精对准位置可采用周期更小的信号中距离粗对准位置最近的峰值点，如3级、5级......等对准信号。

由于基准板固定工件台上，二者之间的物理位置关系为固定不变，则建立了硅片标记与基准板标记之间的坐标位置关系，即可实现硅片与工件台之间的对准。

本发明另外提出了另外一种用于该对准系统的增强型对准标记，以增强特定级次的频谱信号。由于对准信号需使用高级次频谱信号，由傅立叶变换性质和图6和可以看出，高级次频率信号的功率谱密度(能量)相对微弱，必然会导致信噪比降低，从而影响对准精度。

图12a给出了一种增强型标记结构示意图，该标记的沟槽被更小周期的线条与沟槽细分，且满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{ds}=\mathrm{\τs}\\ d=\mathrm{kds}\end{array}\right.$ (式9)

式中，ds和τs分别为细分结构的线宽和槽宽，d为标记的线宽，k为增强的级次。

图12c中给出了增强型标记的傅立叶频谱图，由于实施例中给出的标记为7级增强型，故7级信号的功率谱(能量)获得了增强。

附图12d中给出了普通标记7级频率对准信号(DS7_1)和7级增强型标记的7级频率对准信号(DS7_2)比较，显然，增强型标记可以增强的特定级次信号的功率谱(能量)，从而提高信噪比。

图13a给出了另外一种增强型标记结构示意图，该标记的线条被更小周期的线条与沟槽细分，且满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{ds}=\mathrm{\τs}\\ \mathrm{\τ}=\mathrm{kds}\end{array}\right.$ (式10)

式中，ds和τs分别为细分结构的线宽和槽宽，τ为标记的槽宽，k为增强的级次。

图13b为该增强型对准标记的横截面示意图。

以上介绍的仅仅是基于本发明的优选实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (34)

1.一种用于光刻设备的对准系统，其特征在于，包括：

光源模块；

对准标记；

照明与成像单元；

图像采集单元；

图像处理单元；

对准操作单元；和

位置采集与运动控制单元；

所述对准标记由线宽和槽宽相等的刻蚀线条组成；所述图像处理单元对标记成像进行傅立叶变换，并提取出不同频率级次的对准信号；所述对准操作单元利用原始信号或获得的某一特定级次的对准信号确定粗对准位置，利用获得的比所述特定级次更高级次的对准信号确定精对准位置。

2.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述光源模块是波长为500nm～800nm的宽带照明光源。

3.根据权利要求2所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述照明光源采用卤素灯。

4.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记包括位于硅片上的硅片对准标记和位于基准板上的基准板标记。

5.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准标记包括两组相互正交的标记，每组标记由一组等距线条与沟槽构成。

6.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对准标记的沟槽被更小周期的线条与沟槽细分，细分结构的线宽和槽宽相等，为所述标记的线宽除以增强级次的商。

7.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于，所述对准标记的线条被更小周期的线条与沟槽细分，细分结构的线宽和槽宽相等，为所述标记的槽宽除以增强级次的商。

8.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述照明与成像单元包括中继透镜、半透半反镜、物镜、反射镜，以及透镜，其中所述物镜和透镜组成双远心成像系统。

9.根据权利要求4所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述图像采集单元包括图像传感器和图像采集卡，用于获取硅片对准标记和基准板标记的高分辨率成像。

10.根据权利要求9所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述图像传感器采用面阵CCD。

11.根据权利要求9所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述图像采集卡实时采集图像传感器中输出的视频数据，并通过高速接口，传输给图像处理单元。

12.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述图像处理单元包括图像预处理环节、傅立叶变换环节、带通滤波环节和傅立叶逆变换环节，所述图像处理单元提取不同频率的对准信号。

13.根据权利要求12所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述图像预处理环节去除标记图像的背景，提取标记区域，对图像噪声进行滤波。

14.根据权利要求12所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述傅立叶变换环节采用傅立叶变换模型，将标记区域图像转换为空间频域。

15.根据权利要求12所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述带通滤波环节包括一组并列的窗口滤波器，分别对应标记图像的不同级次的傅立叶频谱，通过该级次频率而滤除其它频率成分。

16.根据权利要求15所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述带通滤波环节采用的滤波器函数H(u，v)为：

式中，u、v为正交方向上的频率分量，u1、u2和v1、v2用于确定滤波窗口的大小与位置。

17.根据权利要求12所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述傅立叶逆变换环节包括傅立叶逆变换器，所述带通滤波环节包括带通滤波器，所述傅立叶逆变换器与所述带通滤波器数量相同，所述傅立叶逆变换器分别对不同的带通滤波器输出的频率进行傅立叶逆变换，将对准图像由频域空间转换为时域空间。

18.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述图像处理单元将标记的原始信号和各级频率对准信号传送给对准操作单元。

19.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准操作单元包括对准信号拟合环节、对准位置求解环节、对准控制环节。

20.根据权利要求19所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准信号拟合环节对获得的对准信号进行拟合处理。

21.根据权利要求20所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准信号拟合环节首先对原始信号进行滑动平均滤波处理，转换为抛物线形式，再采用二次曲线模型进行拟合。

22.根据权利要求20所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准信号拟合环节对非原始信号直接采用二次曲线模型进行拟合。

23.根据权利要求19所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准位置求解环节根据所述原始信号或获得的某一特定级次的对准信号确定粗对准位置，根据获得的比所述特定级次更高级次的对准信号确定精对准位置。

24.根据权利要求23所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准位置求解环节采用原始信号或者1级频率对准信号确定粗对准位置，采用3级频率对准信号或者5级频率对准信号确定精对准位置；或者所述对准位置求解环节采用3级频率对准信号确定粗对准位置，采用5级频率对准信号或者7级频率对准信号确定精对准位置；或者所述对准位置求解环节以其他特定级次的对准信号确定粗对准位置，采用比所述其他特定级次更高级次的对准信号确定精对准位置。

25.根据权利要求19所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准控制环节将获得的精对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储所述位置坐标。

26.根据权利要求19所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述对准控制环节控制和操作所述对准系统。

27.根据权利要求1所述的用于光刻设备的对准系统，其特征在于：所述位置采集与运动控制单元包括位置数据采集模块、运动台和运动控制模块，实现工件台位置的采集与运动台的运动与控制；所述位置数据采集模块采集工件台的位置信息，并将位置数据实时地提供给对准操作单元和运动控制模块；所述运动控制模块控制工件台运动到特定的位置，使对准标记位于照明与成像单元的光轴位置，成像于位于图像采集单元中的图像传感器中心附近区域；所述运动台由直线电机驱动，在运动控制模块的控制下，实现水平面上正交方向的直线往复运动和高精度的定位。

28.一种用于光刻设备的对准方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1、对准操作单元下发对准标记的位置到运动控制模块，对准标记包括位于硅片上的硅片对准标记和位于基准板上的基准板标记；

步骤2、运动控制模块控制工件台移动对准标记到指定位置，使得对准标记能够成像于位于图像采集单元中的图像传感器的中心区域；

步骤3、打开对准光源，图像采集单元采集对准标记的成像，并将所采集的标记的数字图像传输给图像处理单元；

步骤4、图像处理单元对获得的对准标记图像进行处理，获得不同级次频率的对准信号；

步骤5、对准操作单元对不同级次的对准信号进行拟合处理、求解对准位置，并根据当前工件台的坐标，将获得的对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储起来；

步骤6、对准操作单元根据所存储的基准板标记的位置坐标，以及硅片对准标记的位置坐标，建立二者之间的坐标位置关系。

29.根据权利要求28所述的对准方法，其特征在于：所述步骤4进一步包含以下步骤：

步骤4.1、图像处理单元中的预处理环节对标记图像进行背景去除、标记区域的提取、图像噪声滤波处理；

步骤4.2、图像处理单元中的傅立叶变换环节对经预处理后的标记图像进行傅立叶变换，将标记图像由时域空间转换到频域空间；

步骤4.3、图像处理单元中的带通滤波环节对频域空间的标记图像进行滤波，提取出不同级次的频率成分；

步骤4.4、图像处理单元中的傅立叶逆变换环节分别对不同级次频率成分的标记图像进行傅立叶逆变换，转换为时域空间不同周期的对准信号；

步骤4.5、图像处理单元将不同级次的对准信号，连同原始信号曲线，传输给对准操作单元。

30.根据权利要求29所述的对准方法，其特征在于：所述步骤4.1中，采用边缘探测法确定和分割出所采集的图像中对准标记所在的区域，或者采用模板匹配法确定和分割出所采集的图像中对准标记所在的区域。

31.根据权利要求29所述的对准方法，其特征在于：所述步骤4.3中，带通滤波环节包括带通滤波器，针对不同级次频率，所述带通滤波器采用如下窗口滤波函数，实现特定级次频谱的保留，其它频率成分的滤除：

式中，u、v为正交方向上的频率分量，u1、u2和v1、v2用于确定滤波窗口的大小与位置。

32.根据权利要求28所述的对准方法，其特征在于：所述步骤5进一步包含以下步骤：

步骤5.1、对准操作单元中的对准信号拟合环节对获得对准信号进行拟合，获得拟合模型的参数；

步骤5.2、对准操作单元中的对准位置求解环节根据求得拟合模型参数，以及求得的各级对准信号的拟合模型参数，确定粗对准位置和精对准位置；

步骤5.3、对准操作单元中的对准控制环节根据当前工件台的位置坐标，将对准位置求解环节求得的精对准位置坐标转换为工件台坐标系下的坐标，并存储。

33.根据权利要求32所述的对准方法，其特征在于：所述步骤5.1中，对于原始信号，先采用滑动平均方法，对信号进行处理，然后采用二次曲线模型进行拟合；对于非原始信号，直接采用二次曲线模型进行拟合。

34.根据权利要求32所述的对准方法，其特征在于：所述步骤5.2中，根据原始信号或获得的某一特定级次的对准信号的中心峰值位置或者中心位置确定粗对准位置，根据获得的比所述特定级次更高级次的对准信号上距离所述粗对准位置最近的峰值位置确定精对准位置。

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