CN102141738B - 一种用于投影光刻纳米量级自动调焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于投影光刻纳米量级自动调焦系统，由光路、图像处理模块、电路控制模块组成。光路包括准直激光束、两个光栅标记、四个透镜、硅片台、CCD图像探测器；准直激光束垂直照明一光栅标记，并沿着一、二透镜的光轴对硅片台表面构成掠入射成像，投影在硅片台被测表面上并发生镜面反射，光栅像通过三、四透镜再次成像在四透镜的焦面上，一光栅标记的像与二光栅标记以一定间隙重叠，发生多次衍射，并在光栅的表面形成放大的莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器上。通过图像处理模块对图像进行处理提取出相位差，进而计算出离焦量；再通过电路控制模块判断硅片台表面的离焦情况，进而控制硅片台移动，使硅片台表面达到最佳焦面位置。

Description

一种用于投影光刻纳米量级自动调焦系统

技术领域

本发明涉及光刻中一种用于投影光刻纳米量级自动调焦系统，特别是利用双光栅进行相位提取的自动调焦系统，属于微纳加工相关技术领域。

背景技术

光学光刻一直作为大规模集成电路工业制造技术的基础，随着高集成度电路以及相关器件的研发，IC特征尺寸愈来愈小，不断地促进光刻分辨力的提高。然而随着分辨力的提高，曝光场的焦深问题日益严重，传统调焦方法的精度已经难以适应逐渐提高的光刻分辨力。

现行的调焦方法大体上可为光度调焦、CCD调焦和光栅调焦技术。其中，光度调焦多采用基于四象限探测器或二象限探测器来检测狭缝像的偏移量进而获取离焦量进行反馈。其操作与狭缝标记制作简单易行，但精度相对较低，多用于早期焦深较长的低分辨力光刻。而CCD调焦是通过CCD图像探测器来获取放大的狭缝像，并通过序列求和、滤波、插值细分等算法来计算离焦量进行反馈。该方法能达到一定的精度，但随着细分次数的增加会使得运算量增大，降低测量效率。而基于衍射光栅标记的调焦方法以光强信号大小反映硅片表面的离焦量，能达到较高的精度，但其易受到硅片工艺等因素影响，而且需经过复杂的光路设计与电路进行处理，成本也偏高，自动化程度较低。本发明立足于双光栅空间相位干涉成像原理及图像处理相位提取原理，通过提取干涉条纹的相位来获取离焦量。理论上具有较好的工艺适应性和抗干扰能力，且较低的成本和简单的装置能实现高精度并且自动化调焦。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于投影光刻的纳米量级双光栅自动调焦系统。该系统不易受到硅片工艺的影响，调焦精度较高，且操作简单易行，自动化程度高。

为达成所述目的，本发明提供一种用于投影光刻纳米量级自动调焦系统，其特征在于由光路、图像处理模块和电路控制模块组成，其中：光路包括准直激光束、第一光栅标记、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第二光栅标记、硅片台和CCD图像探测器；准直激光束垂直照明位于第一透镜前焦面的第一光栅标记，并沿着第一透镜与第二透镜组成第一4f系统的光轴对硅片台表面构成掠入射成像，成像投影在位于第二透镜焦点附近的被测表面上生成光栅像，由硅片台的被测表面的镜面反射，光栅像通过由第三透镜与第四透镜组成的第二4f系统再次成像在第四透镜的焦面上，当第一光栅标记与第二光栅标记的两个光栅标记周期接近时，第一光栅标记的像与第二光栅标记以一定间隙重叠，则发生多次衍射，某两束同级衍射光发生干涉叠加，在第二光栅的表面形成周期相对于第一光栅标记或第二光栅标记被放大的莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器上；通过图像处理模块对图像进行处理提取两组莫尔干涉条纹的相位差，进而计算出硅片台的被测表面偏离最佳焦面的相对位移，再通过电路控制模块控制硅片台移动，使硅片台表面达到最佳焦面位置，所述反馈过程是通过光路成像，通过CCD图像探测器采集图像，经图像处理模块得出离焦量，电路控制模块进行判断，之后驱动电机移动硅片台，再经过光学成像，采集图像如此循环，直到离焦量小于设定的阈值退出，实现了投影光刻纳米量级自动调焦完全自动化。

优选实施例：所述图像处理模块包括图像采集单元、图像分割单元、相位提取单元、相位差计算单元和离焦量计算单元，其中：图像采集单元是接收CCD图像探测器采集并转换成数字图像；图像分割单元与图像采集单元连接，接收并将通过图像采集单元采集到的整个条纹图像进行处理，使整个条纹图像分割成上下两部分条纹图像；相位提取单元与图像分割单元连接，接收并分别对上下两部分图像进行二维傅里叶变换，通过在频域进行带通滤波分别计算出上下两部分图像的相位；相位差计算单元与相位提取单元连接，接收并对上下两部分图像的相位进行求差，得到相位差Δφ；离焦量计算单元与相位差计算单元连接，接收并通过相位差计算出硅片台表面与最佳焦面的偏移量即离焦量；

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\Δ\φ}{P}_1{P}_2}{4\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}|P_1+P_2|},$

其中两组相邻第一光栅标记和第二光栅标记的周期是第一周期P₁、第二周期P₂，Δφ为图像处理模块中获得的相位差，Δx为所求的硅片台表面与最佳焦面的偏移量即离焦量，θ为平行光掠入射到硅片台表面的入射角。

优选实施例，所述电路控制模块包括离焦量对比判断单元、硅片台与最佳焦面位置确定单元、硅片台移动方向判定单元和电机驱动单元；所述电路控制模块的控制步骤包括：

步骤S1：获得图像处理模块的离焦量；

步骤S2：离焦量对比判断单元对离焦量的绝对值与某一设定的阈值进行比较，如果离焦量的绝对值小于阈值则退出离焦量对比判断，并且表明硅片台的表面已达到最佳焦面，如果离焦量的绝对值大于阈值，则表明硅片台的表面处于离焦状态执行步骤S3；

步骤S3：硅片台表面与最佳焦面位置确定单元利用硅片台表面位置信息，计算确定硅片台的表面与最佳焦面的位置；

步骤S4：硅片台移动方向判定单元利用硅片台表面与最佳焦面的位置判断确定硅片台的移动方向；

步骤S5：利用硅片台的移动方向通过电机驱动单元驱动硅片台，使得硅片台移动离焦量的距离。

优选实施例：所述第一光栅标记和第二光栅标记的周期是第一周期P₁、第二周期P₂，第一光栅标记和第二光栅标记都包括第一周期P₁光栅和第二周期P₂光栅，第一光栅标记的第一周期P₁光栅位于第二周期P₂光栅上方；第二光栅标记第二周期P₂光栅位于第一周期P₁光栅上方。

优选实施例：所述电路控制模块的阈值设置为纳米量级，阈值范围在1nm～10nm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明根据空间相位特征直接进行硅片表面的调焦，可以避免受光强度影响的光刻胶等硅片工艺因素对离焦量的影响，达到高精度。

(2)本发明通过光路、图像处理模块、电路控制模块形成反馈控制，即通过双光栅空间相位干涉成像原理将硅片台表面偏离最佳焦面的相对位移反映在条纹的相位变化中，通过CCD图像探测器获得条纹图，再通过图像处理相位提取方法获得相位进而计算出离焦量，再通过控制算法反馈电机驱动硅片台移动，最终完成整个硅片台表面的调焦。该发明操作简单易行，自动化程度高。

(3)本发明通过设计的双光栅标记发生衍射成像，再通过简单的图像处理，即能直接实现调焦，具有成本低，生产效率高等优点。

附图说明

图1为本发明光路结构示意图；

图2a和图2b为本发明两组光栅标记布局示意图；

图3a和图3b为本发明硅片台表面偏离最佳焦面产生的条纹示意图；

图4为本发明图像处理单元部分实现框图；

图5为本发明电路控制单元组成框图；

图6为本发明整个系统的反馈流程图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明用于投影光刻纳米量级自动调焦系统由光路A、图像处理模块10和电路控制模块11组成，其中：如图1所示，光路A包括准直激光束1、第一光栅标记2、第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6、第二光栅标记7、硅片台8和CCD图像探测器9；准直激光束1(本实施实例中入射光波长为633nm)垂直照明位于第一透镜3前焦面的第一光栅标记2，并沿着第一透镜3与第二透镜4组成的第一4f系统的光轴对硅片台8表面构成掠入射成像(入射角θ范围为82°到87°，本实施实例中入射角选为85°)，成像投影在位于第二透镜4焦点附近的被测表面上生成光栅像，由于硅片台8的被测表面的镜面反射，光栅像通过由第三透镜5与第四透镜6组成的第二4f系统再次成像在第四透镜6的焦面上，当第一光栅标记2的周期与第二光栅标记7的两个光栅标记周期接近时，第一光栅标记2的像与第二光栅标记7以一定间隙(间隙大小为100nm到200μm)重叠，并发生多次衍射，某两束同级衍射光发生干涉叠加，在第二光栅标记7表面形成周期相对于第一光栅标记2或第二光栅标记7被放大的莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器9上；通过图像处理模块10对图像进行处理可提取两组莫尔干涉条纹的相位差，进而计算出硅片台8的被测表面偏离最佳焦面的相对位移，再通过电路控制模块11进行判断，当硅片台8的表面处于最佳焦面时，两组条纹的相位分布一致，频率相等；此时退出调焦过程，当硅片台8的表面与最佳焦面存在一定偏移时，两组条纹的相位分布发生变化、不再一致，需判断硅片台移动的方向，并控制硅片台8移动，使硅片台8表面达到最佳焦面位置。

图2a和图2b为本发明两组光栅标记布局示意图；其中图2a是第一光栅标记布局示意图，图2b是第二光栅标记布局示意图；用于成像的第一光栅标记2的周期与第二光栅标记7的两组标记光栅采用如图2a和图2b所示的布局，两组相邻第一光栅标记2、第二光栅标记7的周期分别为第一周期P₁与和第二周期P₂，第一光栅标记2由具有第一周期P₁光栅和第二周期P₂光栅组成，第一周期P₁光栅位于第二周期P₂光栅上方；第二光栅标记7由具有第一周期P₁光栅和第二周期P₂光栅组成，第二周期P₂光栅位于第一周期P₁光栅上方；其中本发明实施例中P₁＝10.0μm、P₂＝11μm。当准直光束1通过第一光栅标记2经硅片台8表面的反射，第一光栅标记2的像的+1级衍射光在右边的第二光栅标记7面上相遇再次发生衍射、即产生两组干涉条纹。图3a是硅片台表面未在最佳焦面示意图，图3b是硅片台表面在最佳焦面示意图；图3a和图3b为根据图2a和图2b所示标记仿真的两组干涉条纹，当硅片台8的表面与最佳焦面存在一定偏移时，其条纹分布如图3a，这时上下两组条纹空间相位不一致，而且两组条纹很容易被分别；当硅片台8的表面处于最佳焦面时，两组条纹空间相位完全相等，如图3b，这时，被测物体调焦完成，并达到理想状态。

如图4所示，本实施实例的图像处理模块10由图像采集单元10a、图像分割单元10b、相位提取单元10c、相位差计算单元10d和离焦量计算单元10e五部分组成，首先通过CCD图像探测器9获得视频图像，然后通过图像采集单元10a对图像进行采集并转化为数字图像，然后通过图像分割单元10b对整个条纹图像(如图3a)纵向像素值进行差分计算，然后对差分值进行比较取最大值处为整个条纹图像的分割线，将整个条纹图像分割成上下两部分条纹图像，然后通过相位提取单元10c分别对两部分图像进行二维傅里叶变换进入频域，通过带通滤波滤除噪声并提取与离焦量相关的有效频率部分，分别计算出上下两部分条纹的相位，再通过相位差计算单元10d单元求出上下两部分条纹图像的相位差，最后通过离焦量计算单元10e通过下式：

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\Δ\φ}{P}_1{P}_2}{4\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}|P_1+P_2|},$

计算出硅片台表面与最佳焦面的偏移量即离焦量，其中P₁，P₂，θ在前面的实施步骤中已给出。

如图5所示，本实施实例的电路控制模块11由离焦量对比判断单元11a、硅片台与最佳焦面位置确定单元11b、硅片台移动方向判定单元11c和电机驱动单元11d组成，所述电路控制模块的控制步骤包括：

步骤S1：从图像处理模块10获得硅片台8的表面与最佳焦面的偏移量即离焦量Δx。

步骤S2：通过离焦量对比判断单元11a将离焦量的绝对值与某一设定的阈值t进行比较，如果离焦量绝对值小于阈值则退出，表明调焦完成。如果离焦量大于阈值，则进入步骤S3，阈值范围为1nm到10nm，本实施实例选择阈值为5nm。

步骤S3：通过硅片台与最佳焦面位置确定单元11b先确定硅片台8与最佳焦面的位置，进入步骤S4。

步骤S4：通过硅片台移动方向判定单元11c确定硅片台8相对于最佳焦面的移动方向，进入步骤S5。

步骤S5：最后通过电机驱动单元11d驱动硅片台，使得硅片台8移动离焦量的距离。

如图6所示，本实施实例的整个反馈流程，光路A以硅片台8代替，两光栅标记由硅片台8的表面偏离最佳焦面一定位移产生干涉条纹通过CCD图像探测器9获得视频图像，再通过图像处理模块10进行图像采集然后进行处理得到相位差并最终计算出硅片台8与最佳焦面的偏移量即离焦量，将离焦量送入电路控制模块11，将离焦量绝对值与设定阈值进行比较，如果硅片台表面未在最佳焦面，则并判断硅片台移动方向，获取硅片台与最佳焦面位置，通过电机反馈驱动硅片台8移动离焦量的位移，如此完成一次调焦过程，再进入下一轮视频成像、图像采集、图像处理、离焦量对比判断环节，直至离焦量绝对值小于设定的阈值后退出系统，表明调焦过程完成，整个过程实现了完全自动化。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种用于投影光刻纳米量级自动调焦系统，其特征在于由光路(A)、图像处理模块(10)和电路控制模块(11)组成，其中：

光路(A)包括准直激光束(1)、第一光栅标记(2)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(6)、第二光栅标记(7)、硅片台(8)和CCD图像探测器(9)；准直激光束(1)垂直照明位于第一透镜(3)前焦面的第一光栅标记(2)，并沿着第一透镜(3)与第二透镜(4)组成的第一4f系统的光轴对硅片台(8)表面构成掠入射成像，成像投影在位于第二透镜(4)焦点附近的被测表面上生成光栅像，由硅片台(8)的被测表面的镜面反射，光栅像通过由第三透镜(5)与第四透镜(6)组成的第二4f系统再次成像在第四透镜(6)的焦面上，当第一光栅标记(2)与第二光栅标记(7)的两个光栅标记周期接近时，第一光栅标记(2)的像与第二光栅标记(7)以一定间隙重叠，则发生多次衍射，某两束同级衍射光发生干涉叠加，在第二光栅标记(7)的表面形成周期相对于第一光栅标记(2)或第二光栅标记(7)被放大的莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器(9)上；通过图像处理模块(10)对图像进行处理提取两组莫尔干涉条纹的相位差，进而计算出硅片台(8)的被测表面偏离最佳焦面的相对位移，再通过电路控制模块(11)判断控制硅片台(8)移动，使硅片台(8)表面达到最佳焦面位置，反馈过程是通过光路(A)成像，通过CCD图像探测器(9)视频成像，经图像处理模块(10)得出离焦量，电路控制模块(11)进行判断，之后驱动电机(11b)移动硅片台(8)，再经过光学成像，采集图像如此循环，直到离焦量小于设定的阈值退出，实现了投影光刻纳米量级自动调焦完全自动化；

所述第一光栅标记(2)和第二光栅标记(7)的周期是第一周期P₁、第二周期P₂，第一光栅标记(2)和第二光栅标记(7)都包括第一周期P₁光栅和第二周期P₂光栅，第一光栅标记(2)的第一周期P₁光栅位于第二周期P₂光栅上方；第二光栅标记(7)第二周期P₂光栅位于第一周期P₁光栅上方。

2.根据权利要求1所述的用于投影光刻纳米量级自动调焦系统，其特征在于，所述图像处理模块(10)包括图像采集单元(10a)、图像分割单元(10b)、相位提取单元(10c)、相位差计算单元(10d)和离焦量计算单元(10e)，其中：

图像采集单元(10a)接收CCD图像探测器(9)采集并转换成数字图像；

图像分割单元(10b)与图像采集单元(10a)连接，接收并将通过图像采集单元(10a)采集到的整个条纹图像进行处理，使整个条纹图像分割成上下两部分条纹图像；

相位提取单元(10c)与图像分割单元(10b)连接，接收并分别对上下部分条纹图像进行二维傅里叶变换，通过在频域进行带通滤波分别计算出上下部分图像的相位；

相位差计算单元(10d)与相位提取单元(10c)连接，接收并对上下两部分图像的相位进行求差，得到相位差Δφ；

离焦量计算单元(10e)与相位差计算单元(10d)连接，接收并通过相位差计算出硅片台(8)表面与最佳焦面的偏移量即离焦量；

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\Δ\φ}{P}_1{P}_2}{4\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}|P_1+P_2|}$

其中Δφ为图像处理模块(10)中获得的相位差，Δx为所求的硅片台(8)表面与最佳焦面的偏移量即离焦量，θ为平行光掠入射到硅片台(8)表面的入射角。

3.根据权利要求1所述的用于投影光刻纳米量级自动调焦系统，其特征在于，所述电路控制模块(11)包括离焦量对比判断单元(11a)、硅片台与最佳焦面位置确定单元(11b)、硅片台移动方向判定单元(11c)和电机驱动单元(11d)；所述电路控制模块(11)的控制步骤包括：

步骤S1：获得图像处理模块(10)的离焦量；

步骤S2：离焦量对比判断单元(11a)对离焦量的绝对值与某一设定的阈值进行比较，如果离焦量的绝对值小于阈值则退出离焦量对比判断，并且表明硅片台(8)的表面已达到最佳焦面，如果离焦量的绝对值大于阈值，则表明硅片台(8)的表面处于离焦状态执行步骤S3；

步骤S3：硅片台表面与最佳焦面位置确定单元(11b)利用硅片台(8)表面位置信息，计算确定硅片台(8)的表面与最佳焦面的位置；

步骤S4：硅片台移动方向判定单元(11c)利用硅片台(8)表面与最佳焦面的位置判断确定硅片台(8)的移动方向；

步骤S5：利用硅片台(8)的移动方向通过电机驱动单元(11d)驱动硅片台(8)，使得硅片台(8)移动离焦量的距离。

4.根据权利要求1所述的用于投影光刻纳米量级自动调焦系统，其特征在于：所述电路控制模块(11)的阈值设置为纳米量级，阈值范围在1nm～10nm。

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