CN102207689A - 一种直写式光刻机的对准系统及对位标记精度提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直写式光刻机的对准系统及对位标记精度提取方法，对准系统包括有曝光模块、成像模块、运动控制模块、对准模块。本发明方法中的套刻测量结果是空间光调制器投图与晶圆上图形之间的偏移量关系，此偏移量与精密移动平台定位精度以及反馈的位置信息无关。当套刻测量结果的偏移量为零时，代表对位标记位置提取精度误差为零。精密移动平台的定位是通过对对位标记采集的图像进行图像处理找到对位标记的位置的，从而间接的实现了对准系统中机器视觉的图像处理精度的检测。

Description

一种直写式光刻机的对准系统及对位标记精度提取方法
技术领域
本发明涉及半导体行业光刻技术领域，具体为一种直写式光刻机的对准系统及对位标记精度提取方法。
背景技术
光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图。这样的衬底可包括用于制造半导体器件、多种集成电路、平面显示器（例如液晶显示器）、电路板、生物芯片、微机械电子芯片、光电子线路芯片等的芯片。
在现代微电子学中，集成电路的制造属于精密微细加工技术，包括光刻、离子注入、刻蚀、外延生长、氧化等一系列工艺。光刻工艺指是在表面匀胶硅片上，通过曝光显影等工艺将图形转移到光刻胶上的过程，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。一般的芯片制程中至少需要10次以上的光刻工序甚至更多。每层版图的光刻都需要事先与前层图形进行对准。
在光刻过程中，晶圆放置在晶圆台上，通过处在光刻设备内的曝光装置，将特征构图投射到晶圆表面。传统的掩膜式光刻机为在晶圆上制造器件，需要实现制作多个掩模版（mask）。由于特征尺寸的减少以及对于较小特征尺寸的精确公差的原因，这些mask对于生产而言成本很高，耗时很长，从而使传统的掩模型晶圆光刻制造成本越来越高，非常昂贵。
直写式光刻系统相对于掩模系统，在光刻方面提供了许多优势。直写式系统使用空间光调制器（SLM）来代替mask。但其主要问题是分辨率较低，同时光刻技术效率也较低，中国专利申请200720037805.9公开了一种综合式直写光刻装置。结构特点是：在透镜和投影镜头之间设有反射镜；光学定位检测系统包括与转换器上的投影镜头共轴的光学波长分束器，光学波长分束器一侧同轴设有包括检测成像透镜、CCD相机的成像系统。
对于上述直写式光刻机，在其对准系统中，前一层对位标记位置坐标的标定是通过CCD相机采集图片和图像处理技术来实现的。为了避免光学系统畸变的影响，对位标记位置的标定时使其中心与CCD视场中心重合，这可以通过移动精密平台来实现。此时平台所反馈的位置坐标读数即为对位标记的位置坐标，将这些对位标记的位置坐标信息反馈给运动平台，进行运动控制系统的控制，完成对准曝光。
因此，对准曝光的对位精度很明显受到对位标记的提取精度的影响，而对位标记的位置坐标提取精度又和图像处理的精度以及平台本身的定位精度有关。图像处理的精度会直接影响最终光刻的套刻精度。光刻机最终的对位精度的影响因素很多，如平台的精度和重复性，对准模型和算法的精度，机器视觉图像处理技术的精度等等。图像处理技术是对准技术的基础和前提，在对对准和对准误差进行量化研究的过程中，需要对对准系统中对位标记提取精度的测量进行精确的标定和测量。在一般情况下，平台反馈的位置坐标精度可近似作为图像处理技术的精度。但是，在更高的图像处理精度要求下，例如亚微米甚至更高的精度要求，需要考虑平台本身的定位精度的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种直写式光刻机的对准系统及对位标记精度提取方法，以实现对对位精度的精确测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种直写式光刻机的对准系统，其特征在于：包括有曝光模块、成像模块、运动控制模块、对准模块；所述运动控制模块包括可四维移动的精密移动平台，所述精密移动平台上设置有晶圆，所述晶圆上制作有对位标记以及套刻检测用图形，所述曝光模块包括空间光调制器，所述空间光调制器向所述晶圆上投射套刻图形，所述成像模块包括CCD相机，所述CCD相机采集晶圆上的对位标记的图像，以及晶圆上套刻用检测图形的图像、空间光调制器投射至晶圆上的套刻图形的图像，所述对准模块包括图像处理单元，所述图像处理单元接收CCD相机的图像数据并对CCD相机的图像数据进行处理。
一种对位标记精度提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）控制精密移动平台移动，通过CCD相机实时采集晶圆上对位标记的图像；
（2）通过对准模块的图像处理单元检测CCD相机采集的图像中晶圆的对位标记中心在CCD相机中的坐标，当所述对位标记中心与CCD视场中某一特定位置坐标重合时停止移动精密移动平台，并记录精密移动平台反馈的位置坐标；
（3）保持精密移动平台静止，通过空间光调制器向所述晶圆投射套刻图形，所述CCD相机采集空间光调制器向晶圆投射的套刻图形，以及晶圆上套刻用检测图形，并将图像数据传输至对准模块的图像处理单元；
（4）对准模块的图像处理单元比较空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形，得到空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形的中心偏差；
（5）重复步骤（3）、（4）多次，得到多组空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形的中心偏差，利用空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形的中心偏差得到对位标记的提取精度。
一种对位标记精度提取方法，其特征在于：所述步骤（2）中，特定位置坐标是指空间光调制器中心经过投影成像后在CCD相机视场中的位置坐标。
本发明将对准检测技术中常用的、可靠的套刻检测方法通过空间光调制器投图和CCD相机采集图片，巧妙的用于对位标记精度的检测和评价。在本发明中，它的套刻测量结果是空间光调制器投图与晶圆上图形之间的偏移量关系，此偏移量与精密移动平台定位精度以及反馈的位置信息无关。当套刻测量结果的偏移量为零时，代表对位标记位置提取精度误差为零。精密移动平台的定位是通过对对位标记采集的图像进行图像处理找到对位标记的位置的，从而间接的实现了对准系统中机器视觉的图像处理精度的检测。
附图说明
图1为晶圆和光刻图形示意图，其中：
图1a为晶圆上制作的对位标记和套刻图层的分布示意图，图1b为对位标记和套刻图形。
图2为检测过程原理图，其中：
图2a所示为基本结构，图2b为空间光调制器构图，图2c为CCD相机采集到的空间光调制器构图的图像示意图，图2d为对位标记中心检测完毕后空间光调制器构图，图2e为CCD相机采集到的对位标记中心检测完毕后空间光调制器构图的图像示意图。
图3为本发明整体装置示意图。
图4为空间光调制器和CCD相机同轴性标定示意图。
具体实施方式
如图3所示。对准系统中对位标记提取精度的检测方法所描述的对准系统如下：
将晶圆7置于精密移动平台6上，精密移动平台可以进行四维方向上的移动，在精密移动平台6外设有投图系统和成像系统。述光源1发出的光经过光学集光系统2后入射至空间光调制器3上，并被空间光调制器3反射至光学分束器4，经过光学波长分束器4的投射后再经过透镜或透镜组5，投射至精密移动平台6上的晶圆7上，晶圆7上的反射光经过光学波长分束器4反射后，经反射镜8反射至CCD相机9中，并由CCD相机9采集晶圆上图像信息传输至作为图像处理单元的计算机10。计算机10对空间光调制器3的构图，精密移动平台6以及CCD相机所采集的图像进行控制和处理。
对准系统中对位标记提取精度的检测方法的步骤如下：
（1）准备一片晶圆，并且选择几个特定的区域准备制作对位标记，如图1a所示；
（2）为空间光调制器准备对位标记的图形，对位标记的中心位于空间光调制器的中心，同时在对位标记的旁边准备套刻图层，如图1b所示；
（3）采用光刻技术以及然后一系列半导体工艺将图1b的图形制作到图1a所示的晶圆上；
（4）如图2所示。通过计算机给空间光调制器输入图2b的图片，正面一半全亮、一半全暗；将此图形经过空间光调制器投射至晶圆上；图形的反射光经过成像系统后到达CCD相机，得到如图2c的图片；
（5）保持CCD相机固定不动，控制精密移动平台的移动，并通过CCD相机对对位标记图像进行实时采集，通过计算机进行图像处理找对位标记的中心位置坐标（CCD像素坐标），当此位置坐标为一特定的位置坐标假设为（X0,Y0）时停止精密移动平台的移动，并记录平台反馈的位置坐标（xi，yi）；
（6）完成步骤（5）后，通过计算机控制，给空间光调制器输入图2d的图形，投图至晶圆上，保持精密移动平台不动，CCD相机采集此时晶圆的反射图形，得到如图2e的图形，利用套刻分析手段测量投图与晶圆已有的套刻图形的中心偏差（△xi，△yi）；
（7）重复步骤（5）和（6）m次，记录这m组平台反馈的位置坐标（xm，ym）和套刻检测分析的偏差（△xm，△ym）；
（8）利用步骤（7）所得到的m组套刻测试数据，可以得到对位标记提取的精度和重复性；此外，再结合m组精密移动平台反馈的位置坐标数据中剔除掉前者还可以得到精密移动平台的精度信息。
图像处理的精度通过套刻的检测手段来实现。套刻采用了大框套小框（frame-in-frame）的方式。这种方式具有绝对性，在分别计算两个框之间的中心偏差，即检测结果不依赖于当前平台反馈的读数，也不受限于中心位置提取过程中所产生的一些绝对误差，消除了很多外界的敏感因素对测量结果的影响。
在光刻系统中，采用CCD相机对系统对位标记进行图像采集。通过对采集图片中的对位标记进行中心位置检测，然后根据检测到中心位置与CCD中（X0,Y0）的偏移量关系，控制平台的移动，使对位标记中心与CCD中心（X0,Y0）重合。对此操作重复进行n次迭代，使对位标记中心与CCD中（X0,Y0）重合程度达到可接受的精度范围内。
在步骤（5）中，（X0,Y0）坐标代表的是空间光调制器中心经过投影成像后在CCD相机视场中的位置坐标。对准系统中通过图像处理进行对位标记定位的过程中，是将对位标记与CCD相机中（X0,Y0）坐标重合，以此时精密移动平台的位置代表对位标记的位置坐标。获取方法是：在空间光调制器中分别构建一条横线和竖线，分别为空间光调制器二维的对称轴，其交点即对应空间光调制器的中心位置，如图4所示的示意图；空间光调制器构图经过光刻对准系统，然后由CCD相机采集图像，如图4所示，交点在CCD相机图像中位置坐标即对应（X0,Y0）。

Claims (3)

1.一种直写式光刻机的对准系统，其特征在于：包括有曝光模块、成像模块、运动控制模块、对准模块；所述运动控制模块包括可四维移动的精密移动平台，所述精密移动平台上设置有晶圆，所述晶圆上制作有对位标记以及套刻检测用图形，所述曝光模块包括空间光调制器，所述空间光调制器向所述晶圆上投射套刻图形，所述成像模块包括CCD相机，所述CCD相机采集晶圆上的对位标记的图像，以及晶圆上套刻用检测图形的图像、空间光调制器投射至晶圆上的套刻图形的图像，所述对准模块包括图像处理单元，所述图像处理单元接收CCD相机的图像数据并对CCD相机的图像数据进行处理。
2.一种基于权利要求1的对位标记精度提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）控制精密移动平台移动，通过CCD相机实时采集晶圆上对位标记的图像；
（2）通过对准模块的图像处理单元检测CCD相机采集的图像中晶圆的对位标记中心在CCD相机中的坐标，当所述对位标记中心与CCD视场中某一特定位置坐标重合时停止移动精密移动平台，并记录精密移动平台反馈的位置坐标；
（3）保持精密移动平台静止，通过空间光调制器向所述晶圆投射套刻图形，所述CCD相机采集空间光调制器向晶圆投射的套刻图形，以及晶圆上套刻用检测图形，并将图像数据传输至对准模块的图像处理单元；
（4）对准模块的图像处理单元比较空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形，得到空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形的中心偏差；
（5）重复步骤（3）、（4）多次，得到多组空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形的中心偏差，利用空间光调制器向晶圆投射的套刻图形与晶圆上套刻用检测图形的中心偏差得到对位标记的提取精度。
3.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1的对位标记精度提取方法，其特征在于：所述步骤（2）中，特定位置坐标是指空间光调制器中心经过投影成像后在CCD相机视场中的位置坐标。
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