CN101487992B - 一种硅片标记捕获系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅片标记捕获系统与方法，所述硅片标记捕获系统包括：光源与照明模块、成像模块、捕获标记、参考光栅、位置采集与运动控制模块、光电探测与信号采集处理模块以及对准操作与管理模块，通过所述捕获标记的成像扫描所述参考光栅获得捕获信号，通过所述捕获信号的相位信息和幅值信息确定所述捕获标记的位置，以实现上片后标记对准位置的大范围捕获，确保在上片预对准误差超出硅片对准系统的捕获范围的情况下，能够准确、迅速地实现标记对准位置的捕获，从而提高生产效率，且所述硅片标记捕获系统的各模块与所述硅片对准系统共用，节省安装空间，降低生产成本。

Description

一种硅片标记捕获系统与方法

技术领域

本发明涉及集成电路或其它微型器件制造领域，特别涉及一种硅片标记捕获系统与方法。

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，在曝光前，其余层次的光刻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。套刻误差通常只允许在光刻分辨力的1/3范围之内。影响套刻精度的因素众多，包括工件台的定位精度、位置测量系统的测量误差、掩模与硅片的对准误差、机器的安装误差等，其中硅片不同工艺层之间的对准精度也是重要的影响因素之一。由于硅片在光刻设备上完成一层图形曝光之后，需要下片进行烘焙、显影等后续半导体工艺的处理，然后再重新上片到光刻设备，进行下一层图形的光刻。在进行该层图形光刻之前，首选需要通过对准系统，建立本层标记和上一层标记之间的位置坐标关系，才能保证两图形之间准确的套刻关系。实际生产中，为了避免层与层之间标记对准的误差传递，常采用零层标记作为基准标记。各层标记与零层标记进行对准，即建立各层标记与零层标记之间的位置坐标关系。

层与层之间的对准误差一般只允许为套刻误差的1/3左右，甚至更小。对于100nm工艺节点的光刻设备而言，套刻误差要求不超过33nm，而层与层之间的对准误差要求可达7nm左右。显然，硅片不同层之间的对准精度和对准分辨率要求非常高，对准测量范围即捕获范围就难以做到很大。为此，在进行硅片精对准之前，需要首先进行硅片预对准，以保证上片后的标记对准位置能够在对准系统的测量范围之内，即在对准系统的捕获范围之内，能够获得标记的对准位置。一般而言，硅片预对准依次由机械预对准和光学预对准两步操作组成。机械预对准是通过硅片的外形进行对准，即通过外圆和切边进行对准，测量采用机械定位法或光电二极管、四象限探测器、CCD等光电定位法。光学预对准是通过硅片上的对准标记进行对准，测量采用光电定位方法。光学预对准完成后，确保硅片标记对准位置进入硅片对准的测量范围之内。

中国专利CN03164859.2、200710044152.1、200710044153.6、200710045495.X以及美国专利US6297876、US6864956等公布了一类光栅式硅片对准方法，该类方法采用两个存在微小周期差的光栅的相位信号进行标记的捕获，两个信号之间的最大公约数即为捕获范围，具体请参考图1，图中所示8微米信号为8微米线宽光栅的正弦周期信号，其周期为8微米，图中所示8.8微米信号为8.8微米线宽光栅的正弦周期信号，其周期为8.8微米，在88微米内，两个正弦周期信号存在唯一的峰值重合点。当机械预对准或光学预对准后的标记位置位于实际对准位置(峰值重合点)的±44微米之内，即位于捕获范围之内，光栅式硅片对准方法就能准确地捕获到该标记对准位置。如果超出了捕获范围之外，获得的对准位置可能就是88微米后的峰值重合点，即错误的对准位置，因此无法准确捕获到标记对准位置。

对于光栅式硅片对准方法，其捕获范围的大小与光栅标记的周期直接相关，一个可选择的方法是通过扩大光栅标记的周期来扩大捕获范围。然而，光栅标记的周期的大小又决定着硅片对准的最小分辨率，即与精对准的精度直接相关。直接扩大光栅标记的周期，将降低对准最小分辨率，增大对准误差。此外，光栅标记周期的增大也将导致标记对硅片工艺的适应性下降，例如CMP、金属沉积等工艺会使得标记发生更大的非对称变形，进而影响对准精度。另外一个可选择的方法就是提高硅片预对准的精度，确保硅片预对准后，硅片的标记对准位置能够在捕获范围之内，但是，对于机械预对准，很难达到更高的上片精度，以满足光栅式硅片对准方法的要求，而对于光学预对准，需要一整套的预对准系统，不但提高了成本，而且需要占用光刻设备宝贵的安装设计空间。

具体请参考图2，并结合图1，光栅式硅片对准系统包括：光源与照明模块1、成像模块、位置采集与运动控制模块、光电探测与信号采集处理模块以及对准操作与管理模块14。其中，成像模块包括前组透镜3、后组透镜7以及光阑6，位置采集与运动控制模块包括位置数据采集单元12以及运动控制单元13，光电探测与信号采集处理模块包括光电探测器9以及信号采集与处理单元10。硅片5位于硅片台4上，光源与照明模块1的照明光束通过半透半反射镜2和前组透镜3照射到硅片5的对准标记上，携带对准标记结构信息的衍射光束通过前组透镜3，并由光阑6滤除不需要级次的衍射光后，通过后组透镜7相干成像到参考光栅8上，并由放置于参考光栅8后的光电探测器9将光学信号转换电信号。信号采集与处理单元10对获得的电信号进行采集与处理，并将处理后的对准信号传送到对准操作与管理模块14中，位置数据采集单元12用于采集运动台11的位置信息，并将位置数据实时地提供给对准操作与管理模块14和运动控制单元13，运动控制单元13用于控制运动台11实现X向或Y向的直线往复运动和高精度的定位，对准操作与管理模块14根据获得的对准光强信号和位置数据，计算得到硅片5的标记对准位置，即硅片5的对准标记的位置坐标。但是，在上述对准过程中，为了确保获得标记对准位置是唯一的，对准扫描长度通常设定为略大于1个捕获范围，如捕获范围为88微米对准系统，扫描长度为100微米左右。由于光栅式硅片对准系统的标记对准位置的捕获是基于两个不同周期信号的峰值重合点，故要求上片预对准误差必须在捕获范围之内，否则将无法获得正确的标记对准位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光刻设备的硅片标记捕获系统与方法，可实现上片后标记对准位置的大范围捕获，以解决上片预对准误差超出硅片对准系统的捕获范围的情况下，无法准确捕获到标记对准位置的问题。

为了实现上述的目的，本发明提供一种用于光刻设备的硅片标记捕获系统，用于实现光刻设备的标记对准位置捕获，所述硅片标记捕获系统包括：光源与照明模块、成像模块、捕获标记、参考光栅、位置采集与运动控制模块、光电探测与信号采集处理模块以及对准操作与管理模块；其中，所述捕获标记设置于硅片上，所述光源与照明模块提供照明光束照射到所述捕获标记上，形成携带所述捕获标记信息的衍射光，所述衍射光通过所述成像模块成像；所述位置采集与运动控制模块采集承载所述硅片的运动台的位置信息，将所述位置信息提供给所述对准操作与管理模块，以控制所述运动台的运动，所述运动台的运动使得所述捕获标记的成像扫描所述参考光栅并产生光学信号；所述光电探测与信号采集处理模块采集并处理所述光学信号，产生捕获信号，并将所述捕获信号传输至所述对准操作与管理模块，所述捕获信号包括第一捕获信号与第二捕获信号；所述对准操作与管理模块通过所述第一捕获信号的相位信息与幅值信息和第二捕获信号的相位信息与幅值信息确定所述捕获标记的位置；所述捕获标记具有栅条，所述栅条在其延伸方向的尺寸大于或者等于硅片上片重复误差；所述捕获标记包括第一光栅分支和第二光栅分支，所述第一光栅分支与所述第二光栅分支的周期不同；所述参考光栅包括第一参考光栅分支和第二参考光栅分支，所述第一参考光栅分支与所述第一光栅分支的成像的周期相同，所述第二参考光栅分支与所述第二光栅分支的成像的周期相同。

进一步的，所述相位信息为所述捕获信号的谐波相位信息，所述幅值信息为所述捕获信号的幅值包络线信息。

进一步的，所述对准操作与管理模块通过所述相位信息和所述幅值信息获取所述捕获信号的峰值重合点以及所述捕获信号的极值点，并通过所述捕获信号的峰值重合点以及所述捕获信号的极值点确定所述捕获标记的位置。

进一步的，所述第一捕获信号为所述第一光栅分支的成像扫描所述第一参考光栅分支获得的捕获信号，所述第二捕获信号为所述第二光栅分支的成像扫描所述第二参考光栅分支获得的捕获信号。

进一步的，所述光电探测与信号采集处理模块包括光电探测器以及信号采集与处理单元，所述光电探测器用于探测所述光学信号，所述信号采集与处理单元对所述光学信号进行增益放大以及离散采样处理以产生所述捕获信号，并将所述捕获信号传输到所述对准操作与管理模块。

进一步的，所述增益放大为固定增益放大，即所述光电探测器的通道的信号增益值在扫描过程中保持不变。

进一步的，所述位置采集与运动控制模块包括位置数据采集单元以及运动控制单元，所述位置数据采集单元采集所述运动台的位置信息，并将所述位置信息提供给所述对准操作与管理模块和所述运动控制单元，所述运动控制单元用于控制所述运动台的运动。

进一步的，所述光源与照明模块提供至少一个分立波长的照明光束。

进一步的，所述成像模块包括前组透镜、后组透镜以及位于所述前组透镜与所述后组透镜之间的光阑。

进一步的，所述光刻设备还包括对准系统，所述光源与照明模块、所述成像模块、所述参考光栅、所述位置采集与运动控制模块、所述光电探测与信号采集处理模块以及所述对准操作与管理模块为所述对准系统与所述硅片标记捕获系统共用。

本发明还提供了一种硅片标记捕获方法，包括如下步骤：将照明光束照射在一捕获标记上；所述捕获标记的成像扫描参考光栅并产生光学信号；采集并处理所述光学信号并产生捕获信号；以及通过所述捕获信号的相位信息中包含的峰值重合点以及幅值信息中包含的极值点确定所述捕获标记的位置；其中，所述捕获标记具有栅条，所述栅条在其延伸方向的尺寸大于或者等于硅片上片重复误差；所述捕获标记包括第一光栅分支和第二光栅分支，所述第一光栅分支与所述第二光栅分支的周期不同；所述参考光栅包括第一参考光栅分支和第二参考光栅分支，所述第一参考光栅分支与所述第一光栅分支的成像的周期相同，所述第二参考光栅分支与所述第二光栅分支的成像的周期相同。

进一步的，所述相位信息为所述捕获信号的谐波相位信息，所述幅值信息为所述捕获信号的幅值包络线信息。

进一步的，所述捕获信号包括第一捕获信号和第二捕获信号，所述第一捕获信号为所述第一光栅分支的成像扫描第一参考光栅分支获得的捕获信号，所述第二捕获信号为所述第二光栅分支的成像扫描第二参考光栅分支获得的捕获信号。

进一步的，所述硅片标记捕获方法具体包括如下步骤：1)设定扫描的起始位置和终止位置；2)获得所述扫描后的光强离散信号，提取所述第一捕获信号和所述第二捕获信号；3)对所述第一捕获信号和所述第二捕获信号分别进行相位拟合，以获得所述第一捕获信号和所述第二捕获信号的谐波相位信息，并进一步获得第一捕获信号的峰值点以及第二捕获信号的峰值点；4)根据所述第一捕获信号的峰值点和所述第二捕获信号的峰值点，确定所述第一捕获信号与所述第二捕获信号的峰值重合点；5)根据所述第一捕获信号的峰值点和所述第二捕获信号的峰值点，提取第一捕获信号的包络线和第二捕获信号的包络线；6)获得第一捕获信号的滑动平均信号和第二捕获信号的滑动平均信号，并对所述滑动平均信号分别进行拟合，得到第一捕获信号的极值点和第二捕获信号的极值点；7)通过所述捕获信号的极值点以及所述峰值重合点，确定所述捕获标记的位置，并以所述捕获标记的位置为基准，实现标记对准位置的捕获。

进一步的，在所述步骤4)中，所述峰值重合点为所述第一捕获信号和所述第二捕获信号的峰值位置完全重合的点，或者为所述第一捕获信号和所述第二捕获信号的峰值位置最接近的点。

进一步的，在所述步骤6)中，所述滑动平均信号采用如下的滑动平均方法求得：

$L\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{I(x-\mathrm{k\Δt})}{k}$

其中，I(x)代表x位置处的信号强度，k为参与的点数，Δt为两采样点之间的间隔，kΔt为滑动平均窗口长度，L(x)为滑动平均后x位置处信号强度。

进一步的，所述第一捕获信号的极值点采用抛物线模型对所述第一捕获信号的滑动平均信号进行拟合获得，所述第二捕获信号的极值点采用抛物线模型对所述第二捕获信号的滑动平均信号进行拟合获得。

进一步的，在所述步骤7)中，所述捕获信号的极值点为所述第一捕获信号的极值点，所述捕获信号的极值点或者为所述第二捕获信号的极值点，所述捕获信号的极值点或者为所述第一捕获信号的极值点与所述第二捕获信号的极值点的平均值。

进一步的，在所述步骤7)中，距离所述捕获信号的极值点最近的峰值重合点的位置为所述捕获标记位置。

综上所述，本发明所提供的硅片标记捕获系统与方法，通过所述捕获标记的成像扫描所述参考光栅获得捕获信号，通过所述捕获信号的相位信息和幅值信息确定所述捕获标记的位置，实现上片后标记对准位置的大范围捕获，可确保在上片预对准误差超出硅片对准系统的捕获范围的情况下，能够准确、迅速地实现标记对准位置的捕获，从而提高生产效率，且所述硅片标记捕获系统的各模块与所述硅片对准系统共用，节省安装空间，降低生产成本。

附图说明

图1为现有技术实现标记对准位置捕获的信号示意图；

图2为现有技术的光栅式硅片对准系统示意图；

图3为本发明一实施例所提供的硅片标记捕获系统示意图；

图4为硅片上片重复误差范围与捕获标记尺寸的关系示意图；

图5为捕获标记的成像扫描参考光栅的示意图；

图6为参考光栅条数不等于捕获标记成像的明暗条纹数时的信号示意图；

图7为捕获信号的信号段判别示意图；

图8为原信号峰值点和滑动平均后的信号示意图；

图9为拟合抛物线和极值点示意图；

图10为本发明一实施例所提供的判断捕获标记位置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的硅片标记的捕获系统和方法作进一步详细说明。

本发明一实施例提出了一种硅片标记的捕获系统和方法，可确保硅片上片重复误差超出硅片对准系统的捕获范围的情况下，仍能够获得正确的硅片标记对准位置，从而提高生产效率。

在硅片的套刻过程中，光刻设备首先进行机械预对准，若硅片上片重复误差超出所述光刻设备的硅片对准系统的捕获范围时，则无法准确捕获到标记对准位置，因此使用所述用于光刻设备的硅片标记捕获系统进行扫描，以获取捕获标记的位置，并以所述捕获标记的位置为基准，间接实现硅片对准标记的捕获，以确保所述光刻设备的硅片对准系统可进行接下来的精对准扫描。

具体请参考图3，本发明一实施例所提供的硅片标记捕获系统包括：光源与照明模块10、成像模块、捕获标记、参考光栅80、位置采集与运动控制模块、光电探测与信号采集处理模块以及对准操作与管理模块140；其中光源与照明模块10、成像模块、参考光栅80、光电探测与信号采集处理模块、位置采集与运动控制模块、对准操作与管理模块140与所述硅片对准系统共用，从而节省安装空间，降低生产成本。

其中，所述捕获标记设置于硅片5上，光源与照明模块10提供照明光束照射到所述捕获标记上，形成携带所述捕获标记信息的衍射光，所述衍射光通过所述成像模块成像；所述位置采集与运动控制模块采集承载硅片5的运动台110的位置信息，将所述位置信息提供给对准操作与管理模块140，以控制运动台110的运动，运动台110的运动使得所述捕获标记的成像扫描参考光栅80并产生光学信号；所述光电探测与信号采集处理模块采集并处理所述光学信号产生捕获信号，并将所述捕获信号传输至对准操作与管理模块140；对准操作与管理模块140通过所述捕获信号的相位信息和幅值信息确定所述捕获标记的位置。

进一步的，光源与照明模块10提供至少一个分立波长的照明光束，例如，633nm和532nm。所述照明光束经半透半反射镜20和前组透镜30照射到硅片50的捕获标记上，携带所述捕获标记信息的相应级次的衍射光通过成像模块相关成像到参考光栅80上，所述成像模块为4f成像系统，其包括前组透镜30、后组透镜70以及位于前组透镜30与后组透镜40之间的光阑60，光阑60用于滤除不需要级次的衍射光，保留所需级次的衍射光。所述位置采集与运动控制模块包括位置数据采集单元120以及运动控制单元130，所述位置数据采集单元120用于采集运动台110的位置信息，并将所述位置信息实时地提供给对准操作与管理模块140和运动控制单元130，运动控制单元130用于控制运动台110实现X向或Y向的直线往复运动和高精度的定位。由于运动台110的匀速运动，所述捕获标记的成像将扫描过参考光栅80，并由光电探测与信号采集处理模块进行信号采集与处理。所述光电探测与信号采集处理模块包括光电探测器90以及信号采集与处理单元100，光电探测器90将光学信号转换为电信号，信号采集与处理单元100将所述电信号进行固定增益放大以及离散采样处理，处理为所述捕获信号后，将所述捕获信号传输到所述对准操作与管理模块140。对准操作与管理模块140通过所述捕获信号的相位信息和幅值信息确定所述捕获标记的位置，所述相位信息为所述捕获信号的谐波相位信息，所述幅值信息为所述捕获信号的幅值包络线信息。

请继续参考图4，其中，阴影部分为硅片上片重复误差范围，阴影区Y向的大小代表了硅片的Y向上片重复误差范围。图中的标记为X方向上的捕获标记，所述捕获标记包括第一光栅分支P1和第二光栅分支P2，其中，第一光栅分支P1的周期为P10，第二光栅分支P2的周期为P20，第一光栅分支P1和第二光栅分支P2存在微小的周期差。为确保在硅片上片重复误差影响下，捕获标记依然能够部分成像在参考光栅上，捕获标记的栅条在其延伸方向的尺寸大于或者等于所述硅片上片重复误差，即X方向上的捕获标记在光栅条延伸方向的长度大于或者等于Y向硅片上片重复误差。此外，为确保一次扫描即可捕获到捕获标记，扫描长度应大于硅片上片重复误差。例如X向硅片上片重复误差为300微米左右，那么X向扫描的长度可设定为350微米，这样即便X向上片误差达到最大值300微米左右，通过扫描依然能够捕获到X方向上的捕获标记。

请继续参考图5，并结合图3至图4，所述捕获标记的成像为明暗条纹，参考光栅80包括第一参考光栅分支R1和第二参考光栅分支R2，在扫描过程中，随着运动台110的匀速移动，所述捕获标记所成的明暗条纹将扫描过第一参考光栅分支R1和第二参考光栅分支R2，其中第一参考光栅分支R1的周期与P1所成明暗条纹周期相同，第二参考光栅分支R2的周期与P2所成明暗条纹周期相同。参考光栅80包括透光和不透光部分，第一参考光栅分支R1后面放置有第一光电探测器，第二参考光栅分支R2后放置有第二光电探测器，分别用于探测透过第一参考光栅分支R1和第二参考光栅分支R2的光学信号。

信号采集与处理单元100将第一光电探测器和第二光电探测器获得的光学信号进行固定增益放大以及离散采样处理。不同扫描可以有不同的固定增益值，但在每一次扫描过程中，每一个探测器通道的信号增益值从扫描过程开始至扫描过程结束保持固定不变，以确保在一次扫描过程中，获得的对准信号是相同增益放大的。

请继续参考图6，其为参考光栅条数不等于捕获标记成像的明暗条纹数时的信号示意图，在扫描过程中，第一光电探测器获得捕获信号S1，捕获信号S1存在两个明显信号区，即第一捕获信号S1_1和第三捕获信号S1_2，分别对应捕获标记的第一光栅分支P1的成像和第二光栅分支P2的成像扫描过第一参考光栅分支R1时的信号。第二光电探测器获得捕获信号S2，捕获信号S2存在两个明显信号区，即第四捕获信号S2_1和第二捕获信号S2_2，分别对应捕获标记的第一光栅分支P1的成像和第二光栅分支P2的成像扫描过第二参考光栅分支R2时的信号。

由于第二光栅分支P2的明暗条纹的周期与第一参考光栅分支R1的周期存在微小差值，S2_1为类正弦信号形式，而非标准正弦信号形式，第一光栅分支P1的明暗条纹的周期与第一参考光栅分支R1的周期相同，S1_1为标准的正弦信号形式。同理，第二参考光栅分支R2后的第二光电探测器获得信号S2，信号S2上也存在两个明显信号区S2_1和S2_2，分别对应捕获标记的第一光栅分支P1的成像和第二光栅分支P2的成像扫描过第二参考光栅分支R2时的信号。由于参考光栅条数不等于捕获标记成像的明暗条纹数，信号区域的包络线为梯形。需要说明的是，若参考光栅条数等于捕获标记成像的明暗条纹数时，信号区域的包络线则为三角形，根据扫描的起点位置和扫描长度的不同，在本发明的其它实施例中，获得的捕获信号也可为图6中所示信号的一段。

在捕获信号S1和捕获信号S2中，仅第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2参与捕获，即第一光栅分支P1的成像匀速扫描过第一参考光栅分支R1获得的信号，和第二光栅分支P2的成像匀速扫描过第二参考光栅分支R2获得的信号参与捕获。

请继续参考图7，并结合图6，第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2为两个捕获信号。通过判别阈值，可获得每一信号中的两处信号区域，再根据第一参考光栅分支R1和第二参考光栅分支R2的布局、扫描方向、以及捕获标记的第一光栅分支P1和第二光栅分支P2的布局，可容易地抽取出S1_1和S2_2信号段。判别阈值可以设定为整个扫描信号最大值的一半，大于该阈值的信号明显处在两个区域，即大于阈值的信号区域1和大于阈值的信号区域2。参考光栅的布局从左到右依次为第一参考光栅分支R1和第二参考光栅分支R2，捕获标记的布局从左到右依次为第一光栅分支P1和第二光栅分支P2，扫描方向为从左到右，那么获得的第一捕获信号S1_1在捕获信号S1中的后一处信号区域，而第二捕获信号S2_2在捕获信号S2中的前一处信号区域。

在本发明一实施例所提供的硅片标记捕获方法中，将照明光束照射在所述捕获标记上；所述捕获标记的成像扫描参考光栅并产生光学信号；采集并处理所述光学信号并产生捕获信号；以及通过所述捕获信号的相位信息中包含的峰值重合点以及幅值信息中包含的极值点确定所述捕获标记的位置，其中，所述相位信息为所述捕获信号的谐波相位信息，所述幅值信息为所述捕获信号的幅值包络线信息。本发明一实施例所提供的硅片标记捕获方法具体包括如下步骤：

步骤一、设定扫描的起始位置和终止位置；

步骤二、获得所述扫描后的光强离散信号，提取出第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2；

步骤三、对第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2分别进行相位拟合，以获得第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2的谐波相位信息，并进一步获得第一捕获信号S1_1的峰值点以及第二捕获信号S2_2的峰值点；

步骤四、根据第一捕获信号S1_1的峰值点和第二捕获信号S2_2的峰值点，确定第一捕获信号S1_1与第二捕获信号S2_2的峰值重合点；

步骤五、根据第一捕获信号S1_1的峰值点和第二捕获信号S2_2的峰值点，提取第一捕获信号S1_1的包络线和第二捕获信号S2_2的包络线；

步骤六、获得第一捕获信号S1_1的滑动平均信号和第二捕获信号S2_2的滑动平均信号，并对所述滑动平均信号分别进行拟合，得到第一捕获信号S1_1的极值点和第第二捕获信号S2_2的极值点；

步骤七、结合所述捕获信号的极值点以及所述峰值重合点，确定所述捕获标记的位置，并以所述捕获标记的位置为基准，实现硅片对准标记的捕获。

详细的说，本发明一实施例所所提供的硅片标记捕获方法包括如下过程：

首先，扫描的起始位置和终止位置的设置确保覆盖捕获标记的实际位置，扫描长度大于硅片上片重复误差。其中，所述硅片上片重复误差即在进行硅片预对准后，硅片将被放置在硅片台上，进行下一工序的处理，即进行硅片精对准，硅片预对准存在一个对准误差，即硅片的实际位置和通过预对准获得的测量位置之间存在一个误差，该误差即为硅片上片重复误差，即统计意义下的多次上片预对准误差。

然后，对第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2进行相位拟合，以获得第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2的谐波相位信息，并进一步获得第一捕获信号S1_1的峰值点以及第二捕获信号S2_2的峰值点。拟合的模型可采用如下余弦模型中的任意一个：

(式1)

(式2)

(式3)

其中，I(x)代表x位置处的信号强度，p_i为信号的周期，对于第一捕获信号S1_1，信号的周期为第一光栅分支P1的成像的周期，对于第二捕获信号S2_2，信号的周期即为第二光栅分支P2成像的周期。a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆为待拟合的多项式参数，

是待拟合的相位参数。采用最小二乘或者牛顿迭代方法，容易地求解出a_i和

值。为保证拟合的准确性，第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2中参与拟合的信号段可取中间一部分，或者幅值大于判别阈值的信号段。

根据拟合所得的a_i和

值，可确定信号的峰值点，亦即

时，对应的x坐标附近信号采样点。由两个捕获信号的拟合获得的参数，可以计算出第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2上的峰值位置完全重合点，或者峰值位置最接近的点。

其次，对第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2进行幅值拟合，以获得第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2的幅值信息。在第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2上，信号的峰值点组成捕获信号的包络线。分别获取所述第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2的包络线的滑动平均信号，得到抛物线形式的信号。如图8所示，其中实心点为原信号峰值点，空心点为滑动平均后信号。所述滑动平均信号采用如下的滑动平均方法求得：

$L\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{I(x-\mathrm{k\Δt})}{k}$ (式4)

其中，I(x)代表x位置处的信号强度，k为参与的点数，Δt为两采样点之间的间隔，kΔt即为滑动平均窗口长度，而L(x)即为滑动平均后x位置处信号强度。

对滑动平均后的信号进行拟合，拟合模型采用抛物线模型，即：

L(x)＝b₀+b₁x+b₂x²  (式5)

其中，L(x)为x位置处的滑动平均信号强度，b₀，b₁，b₂，为待拟合抛物线参数。由最小二乘法，可以容易地获得的b₀，b₁，b₂，值。那么，抛物线的极值点即为 $x=-\frac{b_1}{{2b}_2}$ 处。

请继续参考图9，第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2分别可获得一个抛物线的极值点，与两个极值点最近的第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2相位信号峰值重合点，即为捕获标记的位置。

请继续参考图10，第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2的相位拟合信号存在多处的峰值重合点，包括第一峰值重合点A、第二峰值重合点B和第三峰值重合点C，第一捕获信号S1_1和第二捕获信号S2_2的幅值拟合信号各有一极值点，即第一捕获信号S1_1的极值点a和第二捕获信号S22的极值点b，显然，距离第一捕获信号S1_1的极值点a和S2_2的极值点b最近位置处的第二峰值重合点B的位置即为捕获标记的位置，也即能够捕获到标记的位置。

在本发明一实施例中，捕获标记和硅片对准标记通过掩模曝光在硅片上，捕获标记和硅片对准标记的位置关系是固定且已知的，获得所述捕获标记的位置后，以所述捕获标记的位置为基准，从而可间接实现硅片对准标记的捕获，即可保证准确、迅速地实现标记对准位置的捕获。

另外，由于在实际中制造、装配等误差，两个捕获信号的峰值点可能并非完全重合，可寻找其中的一系列峰值最接近点。根据实际情况，所述极值点可以是所述第一捕获信号的极值点，所述极值点或者是所述第二捕获信号的极值点，所述极值点也可以是所述第一捕获信号的极值点与所述第二捕获信号的极值点的平均值。

综上所述，本发明所提供的硅片标记捕获系统与方法，通过所述捕获标记的成像扫描所述参考光栅获得捕获信号，通过所述捕获信号的相位信息和幅值信息确定所述捕获标记的位置，以实现上片后标记对准位置的大范围捕获，可确保在上片预对准误差超出硅片对准系统的捕获范围的情况下，能够准确、迅速地实现标记对准位置的捕获，从而提高生产效率，且所述硅片标记捕获系统的各模块与所述硅片对准系统共用，节省安装空间，降低生产成本。

显然，本领域的技术人员可以对本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 (19)

1.一种硅片标记捕获系统，用于实现光刻设备的标记对准位置捕获，其特征在于，所述硅片标记捕获系统包括：光源与照明模块、成像模块、捕获标记、参考光栅、位置采集与运动控制模块、光电探测与信号采集处理模块以及对准操作与管理模块；

其中，所述捕获标记设置于硅片上，所述光源与照明模块提供照明光束照射到所述捕获标记上，形成携带所述捕获标记信息的衍射光，所述衍射光通过所述成像模块成像；所述位置采集与运动控制模块采集承载所述硅片的运动台的位置信息，将所述位置信息提供给所述对准操作与管理模块，以控制所述运动台的运动，所述运动台的运动使得所述捕获标记的成像扫描所述参考光栅并产生光学信号；所述光电探测与信号采集处理模块采集并处理所述光学信号，产生捕获信号，并将所述捕获信号传输至所述对准操作与管理模块，所述捕获信号包括第一捕获信号与第二捕获信号，所述对准操作与管理模块通过所述第一捕获信号的相位信息与幅值信息和所述第二捕获信号的相位信息与幅值信息确定所述捕获标记的位置；

所述捕获标记具有栅条，所述栅条在其延伸方向的尺寸大于或者等于硅片上片重复误差；所述捕获标记包括第一光栅分支和第二光栅分支，所述第一光栅分支与所述第二光栅分支的周期不同；所述参考光栅包括第一参考光栅分支和第二参考光栅分支，所述第一参考光栅分支与所述第一光栅分支的成像的周期相同，所述第二参考光栅分支与所述第二光栅分支的成像的周期相同。

2.如权利要求1所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述相位信息为所述捕获信号的谐波相位信息，所述幅值信息为所述捕获信号的幅值包络线信息。

3.如权利要求2所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述对准操作与管理模块通过所述相位信息和所述幅值信息获取所述捕获信号的峰值重合点以及所述捕获信号的极值点，并通过所述捕获信号的峰值重合点以及所述捕获信号的极值点确定所述捕获标记的位置。

4.如权利要求1所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述第一捕获信号为所述第一光栅分支的成像扫描所述第一参考光栅分支获得的捕获信号，所述第二捕获信号为所述第二光栅分支的成像扫描所述第二参考光栅分支获得的捕获信号。

5.如权利要求1所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述光电探测与信号采集处理模块包括光电探测器以及信号采集与处理单元，所述光电探测器用于探测所述光学信号，所述信号采集与处理单元对所述光学信号进行增益放大以及离散采样处理以产生所述捕获信号，并将所述捕获信号传输到所述对准操作与管理模块。

6.如权利要求5所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述增益放大为固定增益放大，即所述光电探测器的通道的信号增益值在扫描过程中保持不变。

7.如权利要求1所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述位置采集与运动控制模块包括位置数据采集单元以及运动控制单元，所述位置数据采集单元采集所述运动台的位置信息，并将所述位置信息提供给所述对准操作与管理模块和所述运动控制单元，所述运动控制单元用于控制所述运动台的运动。

8.如权利要求1所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述光源与照明模块提供至少一个分立波长的照明光束。

9.如权利要求1所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述成像模块包括前组透镜、后组透镜以及位于所述前组透镜与所述后组透镜之间的光阑。

10.如权利要求1所述的硅片标记捕获系统，其特征在于，所述光刻设备还包括对准系统，所述光源与照明模块、所述成像模块、所述参考光栅、所述位置采集与运动控制模块、所述光电探测与信号采集处理模块以及所述对准操作与管理模块为所述对准系统与所述硅片标记捕获系统共用。

11.一种硅片标记捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

将照明光束照射在一捕获标记上；

所述捕获标记的成像扫描参考光栅并产生光学信号；

采集并处理所述光学信号并产生捕获信号；以及

通过所述捕获信号的相位信息中包含的峰值重合点以及幅值信息中包含的极值点确定所述捕获标记的位置；

其中，所述捕获标记具有栅条，所述栅条在其延伸方向的尺寸大于或者等于硅片上片重复误差；所述捕获标记包括第一光栅分支和第二光栅分支，所述第一光栅分支与所述第二光栅分支的周期不同；所述参考光栅包括第一参考光栅分支和第二参考光栅分支，所述第一参考光栅分支与所述第一光栅分支的成像的周期相同，所述第二参考光栅分支与所述第二光栅分支的成像的周期相同。

12.如权利要求11所述的硅片标记捕获方法，其特征在于，所述相位信息为所述捕获信号的谐波相位信息，所述幅值信息为所述捕获信号的幅值包络线信息。

13.如权利要求11所述的硅片标记捕获方法，其特征在于，所述捕获信号包括第一捕获信号和第二捕获信号，所述第一捕获信号为所述第一光栅分支的成像扫描第一参考光栅分支获得的捕获信号，所述第二捕获信号为所述第二光栅分支的成像扫描第二参考光栅分支获得的捕获信号。

14.如权利要求13所述的硅片标记捕获方法，其特征在于：所述硅片标记捕获方法具体包括如下步骤：

1)设定扫描的起始位置和终止位置；

2)获得所述扫描后的光强离散信号，提取所述第一捕获信号和所述第二捕获信号；

3)对所述第一捕获信号和所述第二捕获信号分别进行相位拟合，以获得所述第一捕获信号和所述第二捕获信号的谐波相位信息，并进一步获得第一捕获信号的峰值点以及第二捕获信号的峰值点；

4)根据所述第一捕获信号的峰值点和所述第二捕获信号的峰值点，确定所述第一捕获信号与所述第二捕获信号的峰值重合点；

5)根据所述第一捕获信号的峰值点和所述第二捕获信号的峰值点，提取第一捕获信号的包络线和第二捕获信号的包络线；

6)获得第一捕获信号的滑动平均信号和第二捕获信号的滑动平均信号，并对所述滑动平均信号分别进行拟合，得到第一捕获信号的极值点和第二捕获信号的极值点；

7)通过所述捕获信号的极值点以及所述峰值重合点，确定所述捕获标记的位置，并以所述捕获标记的位置为基准，实现标记对准位置的捕获。

15.如权利要求14所述的硅片标记捕获方法，其特征在于：在所述步骤4)中，所述峰值重合点为所述第一捕获信号和所述第二捕获信号的峰值位置完全重合的点，或者为所述第一捕获信号和所述第二捕获信号的峰值位置最接近的点。

16.如权利要求14所述的硅片标记捕获方法，其特征在于：在所述步骤6)中，所述滑动平均信号采用如下的滑动平均方法求得：

$L\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{I(x-\mathrm{k\Δt})}{k}$

其中，I(x)代表x位置处的信号强度，k为参与的点数，Δt为两采样点之间的间隔，kΔt为滑动平均窗口长度，L(x)为滑动平均后x位置处信号强度。

17.如权利要求14所述的硅片标记捕获方法，其特征在于：所述第一捕获信号的极值点采用抛物线模型对所述第一捕获信号的滑动平均信号进行拟合获得，所述第二捕获信号的极值点采用抛物线模型对所述第二捕获信号的滑动平均信号进行拟合获得。

18.如权利要求14所述的硅片标记捕获方法，其特征在于：在所述步骤7)中，所述捕获信号的极值点为所述第一捕获信号的极值点，所述捕获信号的极值点或者为所述第二捕获信号的极值点，所述捕获信号的极值点或者为所述第一捕获信号的极值点与所述第二捕获信号的极值点的平均值。

19.如权利要求18所述的硅片标记捕获方法，其特征在于：在所述步骤7)中，距离所述捕获信号的极值点最近的峰值重合点的位置为所述捕获标记位置。

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