CN102193339A

CN102193339A - 一种无掩模光刻对准系统

Info

Publication number: CN102193339A
Application number: CN2011101620436A
Authority: CN
Inventors: 马平; 李艳丽; 陈铭勇; 陈磊; 胡陶
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明是一种无掩模光刻对准系统，包括对准光源、数字微反射镜装置、投影物镜、硅片、光电耦合成像器件、工件台、第一和第二色分光镜，第一分色分光镜接收对准光反射到数字微反射镜装置上；计算机控制数字微反射镜装置产生数字光栅；数字微反射镜装置将对准光反射到投影物镜并由第二分色分光镜透射，将数字光栅投影到硅片上与硅片上已有的光栅标记叠加；对准光被硅片反射，再经过第二分色分光镜反射的对准光被光电耦合成像器件接收；光电耦合成像器件采集莫尔条纹图像是数字光栅与硅片上的标记光栅相叠加产生的图像；在计算机中求解光电耦合成像器件采集到的莫尔条纹图像的相位信息，求解硅片的位移量、旋转量，并移动工件台实现无掩模光刻对准。

Description

一种无掩模光刻对准系统

技术领域

本发明属于无掩模光刻技术领域，特别涉及一种基于DMD的无掩模光刻对准系统。

背景技术

随着微纳加工技术的发展，微纳器件在制作时常常需要具有较强灵活性、高效、快速、低成本的光刻技术和设备，以适应小批量、多品种的生产模式。在制作具有连续面型浮雕结构的器件如：微光学元件等器件的生产加工中，由于其面形是通过曝光剂量的连续精确调制获得的，因而常规光刻技术无法或难以实现。为生产加工该种面型的器件，就需要能连续调制曝光剂量的光刻技术和设备。另外传统的光刻方法(即电子束光刻制作掩模，用投影光刻或接近接触光刻进行复制)不能同时满足灵活、高效、低成本的要求。而基于DMD(Digital Micromirror Device)的无掩模光刻技术正好可以解决这些难题，并且该方法可采用紫外光、深紫外光、甚至更短波长的极紫外光作为光源，因而具有很强的技术延伸性和工艺兼容性，更易在光刻实践中得到应用，有很好的应用前景。

然而无掩模光刻技术作为一种新颖的光刻技术，在很多理论和关键技术上尚需要更进一步地研究，尤其是无掩模光刻技术的发展对无掩模光刻对准技术提出了新的要求。对准技术作为光刻系统的三大核心技术之一，一般要求对准精度为最细线宽的1/5～1/3。虽然传统的掩模-硅片对准技术发展越来越成熟，但目前能查阅到的国内外针对无掩模光刻中对准技术的研究报道较少，因此研究适用于DMD无掩模光刻的对准技术十分必要。

早期的接近接触式光刻和投影光刻系统中，普遍采用光度型对准。它是通过光强的变化来测量掩模、硅片的相对位移。光电耦合成像器件(CCD)视频图像对准是光度型对准的主要方法，这种对准方法的优点是简单易行，然而受到光学系统分辨力的限制，对准精度提高有限。随着光刻分辨力的提高，投影光刻机主要采用衍射光栅对准技术。比如荷兰ASML公司所采用的TTL(Though the Lens)衍射光栅同轴对准、ATHENA(Advanced Technology using High order Enhanced Alignment)离轴对准和SMASH(Smart Alignment Sensor Hybrid)离轴对准方案等。衍射光栅对准方法的信噪比较高，因此可以实现较高的对准精度，但是其对准系统结构复杂，实施较困难。以上诸多的对准方法主要是针对掩模和硅片上均有对准标记的情况，而基于DMD的无掩模光刻系统由于其无掩模的特殊性，不具备直接将掩模和硅片对准的条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题：为了满足无掩模光刻技术发展的需要，解决现有技术对准系统结构复杂，实施较困难的技术问题，本发明的目的是提出一种适用于DMD无掩模光刻的对准系统。

为实现所述目的，本发明无掩模光刻对准系统的技术方案包括：所述系统包括对准光源、第一分色分光镜、数字微反射镜装置、投影物镜、第二分色分光镜、硅片、光电耦合成像器件、工件台；第一分色分光镜位于曝光光源和对准光源之间，第一分色分光镜的入射面接收曝光光源的曝光光束，第一分色分光镜的分色分光面接收对准光源输出的对准光；计算机与数字微反射镜装置连接，且数字微反射镜装置的反射光束线上依序设置投影物镜、第二分色分光镜和硅片，且硅片位于工件台上；无掩模光刻对准时首先打开对准光源开关，对准光经过第一分色分光镜反射到数字微反射镜装置上；计算机控制数字微反射镜装置产生一组数字光栅；对准光经过数字微反射镜装置反射，通过投影物镜，再经过第二分色分光镜透射，将数字光栅投影到硅片上与硅片上已有的标记光栅叠加；对准光被硅片反射，再次经过第二分色分光镜，这时经第二分色分光镜反射的对准光被光电耦合成像器件接收；光电耦合成像器件采集到的莫尔条纹图像是数字光栅与硅片上的标记光栅相叠加产生的图像；在计算机中采用傅里叶变换法求解光电耦合成像器件采集到的莫尔条纹图像的相位信息，从而求解出硅片的位移量、旋转量，并移动工件台实现无掩模光刻的对准。

其中，对准光源波长远离曝光光源波长以确保在对准时不会使硅片感光。

其中，第一分色分光镜透过曝光光谱，反射对准照明光谱；第二分色分光镜透过曝光光谱并半反半透对准照明光谱。

其中，所述数字微反射镜装置、光电耦合成像器件的位置固定不变；每次进行对准时，数字光栅的位置不变；将硅片放在工件台上，保证硅片上光栅标记在光电耦合成像器件视场范围内。

其中，对准光经过投影物镜，实现同轴对准。

本发明的原理：本发明采用莫尔条纹实现对准，每次放上硅片进行曝光前都以DMD产生并投影到硅片上的光栅作为基准进行对准。运用DMD产生频率可变的数字光栅，与硅片上已有的标记光栅叠加，产生有差频的莫尔条纹。将硅片的位移、旋转放大显示在莫尔条纹的变化中。通过基于傅里叶变换的相位解析求解出硅片的位移量、旋转量，从而实现精确定位。

本发明所具有的优点：

(1)提出一种基于DMD的无掩模光刻对准新方法，针对基于DMD的无掩模光刻，采用数字光栅代替传统的真实掩模光栅标记实现对准，可以产生频率可变的数字光栅，与硅片上的标记光栅相叠加产生有差频的莫尔条纹，提高了对准精度，适应未来无掩模光刻对准技术的要求。

(2)结合莫尔条纹对准和视频图像对准方法的优势，采用同轴对准，将对准程度实时地反应在图像的空间相位信息中。其操作简单、快捷，具有成本低、精度高、可视化、易实现等优点，适应未来无掩模光刻对准技术的要求，对我国在光刻技术领域的发展具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的无掩模光刻对准系统原理示意图；

图2a和图2b分别为本发明中所采用的数字光栅标记图和硅片上的光栅标记图；

图3a、3b和图3c是不同偏心距和偏心角情形下的同心圆光栅叠加产生的莫尔条纹图；

图4是两频率接近的线光栅叠加产生的莫尔条纹图。

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。

如图1所示，本实施例的无掩模光刻对准系统，所述系统包括对准明光源111、第一分色分光镜112、数字微反射镜装置(DMD)113、投影物镜114、第二分色分光镜115、硅片116、光电耦合成像器件117、工件台118；第一分色分光镜112位于曝光光源110和对准光源111之间，第一分色分光镜112的入射面接收曝光光源110的曝光光束，第一分色分光镜112的分色分光面接收对准光源111输出的对准光；计算机与数字微反射镜装置113连接，且数字微反射镜装置113的反射光束线上依序设置投影物镜114、第二分色分光镜115和硅片116，且硅片116位于工件台118上；无掩模光刻对准时首先打开对准光源111开关，对准光经过第一分色分光镜112反射到数字微反射镜装置113上；计算机控制数字微反射镜装置113产生一组数字光栅；对准光经过数字微反射镜装置113反射，通过投影物镜114，再经过第二分色分光镜115透射，将数字光栅投影到硅片116上与硅片116上已有的标记光栅叠加；对准光被硅片116反射，再次经过第二分色分光镜115，这时经第二分色分光镜115反射的对准光被光电耦合成像器件117接收；光电耦合成像器件117采集到的莫尔条纹图像是数字光栅与硅片116上的标记光栅相叠加产生的图像；在计算机中采用傅里叶变换法求解光电耦合成像器件117采集到的莫尔条纹图像的相位信息，从而求解出硅片116的位移量、旋转量，并移动工件台118实现无掩模光刻的对准。

利用数字微反射镜装置113可以产生平滑、细腻、精确，近似无缝的图像以及较强的光反射性的特征，本发明在对准时，首先打开对准光源111，对准光波长远离曝光光源110波长(假设系统采用550nm的对准光源111和365nm的曝光光源110)；对准光经过第一分色分光镜112(透过波长为365nm的光，反射波长为550nm的光)反射到数字微反射镜装置113上；此时计算机控制数字微反射镜装置113产生一组如图2a所示的数字光栅；照明光经数字微反射镜装置113反射后再经过投影物镜114以及第二分色分光镜115(透过波长为365nm的光，半反半透波长为550nm的光)透射，将数字光栅投影到硅片116上，与硅片116上已有的标记光栅(如图2b)相叠加；对准光被硅片116反射后，再次经过第二分色分光镜115，这时经第二分色分光镜115反射的对准光被光电耦合成像器件117接收；此时光电耦合成像器件117采集到的图像就是数字光栅与硅片116上的标记光栅相叠加产生的图像，将硅片116放在工件台上，保证硅片116上标记光栅在光电耦合成像器件117视场范围内。所述对准光源波长远离曝光光谱，确保对准时不会使硅片116感光。

基于光电耦合成像器件117采集到的莫尔条纹图，采用傅里叶变换法求解条纹的相位信息，从而求解出硅片116的位移量、旋转量；最后通过工件台118的移动来实现对准。

系统中数字微反射镜装置113、光电耦合成像器件117的位置固定不变。每次进行对准时，数字光栅的位置不变。将硅片116放在工件台118上，保证硅片116上光栅标记在光电耦合成像器件117视场范围内。根据莫尔条纹的产生机理，两组具有周期结构的直线簇或曲线簇重合产生莫尔条纹。而光电耦合成像器件117采集到的图像正是数字光栅与标记光栅相叠加产生的图像，也即莫尔条纹图，如图3a、3b和3c、图4所示。基于光电耦合成像器件117采集到的莫尔条纹图，本系统采用傅里叶变换法求解条纹的相位信息，从而求解出硅片的位移量、旋转量，最后通过工件台118的移动来实现对准。

图3a、3b和3c是不同偏心距ε和偏心角φ情形下的同心圆光栅叠加产生的莫尔条纹图：图3a中ε＝0(表示对准)；图3b中ε＝R/N，φ＝0(R为最大圆半径，N为光栅圆圈数，表示未对准)；图3c中ε＝2R/N，φ＝π(表示未对准)。

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

1.一种无掩模光刻对准系统，其特征在于：所述系统包括对准光源、第一分色分光镜、数字微反射镜装置、投影物镜、第二分色分光镜、硅片、光电耦合成像器件和工件台；第一分色分光镜位于曝光光源和对准光源之间，第一分色分光镜的入射面接收曝光光源的曝光光束，第一分色分光镜的分色分光面接收对准光源输出的对准光；计算机与数字微反射镜装置连接，且数字微反射镜装置的反射光束线上依序设置投影物镜、第二分色分光镜和硅片，且硅片位于工件台上；无掩模光刻对准时首先打开对准光源开关，对准光经过第一分色分光镜反射到数字微反射镜装置上；计算机控制数字微反射镜装置产生一组数字光栅；对准光经过数字微反射镜装置反射，通过投影物镜，再经过第二分色分光镜透射，将数字光栅投影到硅片上与硅片上已有的标记光栅叠加；对准光被硅片反射，再次经过第二分色分光镜，这时经第二分色分光镜反射的对准光被光电耦合成像器件接收；光电耦合成像器件采集到的莫尔条纹图像是数字光栅与硅片上的标记光栅相叠加产生的图像；在计算机中采用傅里叶变换法求解光电耦合成像器件采集到的莫尔条纹图像的相位信息，从而求解出硅片的位移量、旋转量，并移动工件台实现无掩模光刻的对准。

2.根据权利要求1所述的无掩模光刻对准系统，其特征在于：对准光源波长远离曝光光源波长以确保在对准时不会使硅片感光。

3.根据权利要求1所述的无掩模光刻对准系统，其特征在于：第一分色分光镜透过曝光光谱，反射对准照明光谱；第二分色分光镜透过曝光光谱并半反半透对准照明光谱。

4.根据权利要求1所述的无掩模光刻对准系统，其特征在于：所述数字微反射镜装置、光电耦合成像器件的位置固定不变；每次进行对准时，数字光栅的位置不变；将硅片放在工件台上，保证硅片上光栅标记在光电耦合成像器件视场范围内。

5.根据权利要求1所述的无掩模光刻对准系统，其特征在于：对准光经过投影物镜，实现同轴对准。