CN102231049A - 一种大面积投影光刻系统及其对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种大面积投影光刻系统及其对准方法。本发明大面积投影光刻系统，包括准分子激光器、照明系统、平移台、掩模板、投影系统、硅片基板，其中掩模板及硅片基板分别装设在平移台的两端，准分子激光器通过照明系统进行光路调制与光束质量优化后，使紫外激光的光斑透过安装在平移台一端位置上的掩模板，掩模板所成的激光物象通过投影系统成像在安装在平移台另一端位置上的硅片基板上。本发明采用了计算机数字图像处理中的模式识别方法实现掩模、硅片对准标记相对位置的计算，以取代传统光度型方法中采用的求和投影算法的相对位置计算方式，可有效提高对准精度，本发明对准精度对比传统方法有显著的提高，可直接媲美衍射光栅型对准系统。
Description
技术领域
本发明是一种大面积投影光刻系统及其对准方法，特别是一种用于光学投影曝光微纳加工光刻领域中的掩模硅片对准技术。属于大面积投影光刻系统及其对准方法的改造技术。
背景技术
光刻投影物镜、掩模硅片对准系统、激光定位工件台并称为投影光刻机的三大核心部分。由于高密度的印刷电路板布线或者集成电路芯片都需要多次曝光才能制作完成，即每一次曝光前都需要与前面已曝光的图形进行对准后才能曝光，以保证每次曝光都有正确的相对位置，简称为套刻曝光，而套刻精度正是取决于上述三大核心部件中的掩模硅片对准系统的对准精度。
掩模硅片对准系统按探测器的类型可分为衍射光栅型与光度型两种。前者是通过相位变化来测量，目前的高精度投影光刻机基本都是采用该类型，但由于该类型的对准系统使用了分别为相位光栅与振幅光栅的两块高密度光栅，并需要后续的多块半玻片、1/4玻片、光强调制器激光干涉仪等光学元件作为伺服系统，制作成本高昂。后者主要采用CCD视频信号通过光强的变化作为对准依据，也就是将掩模与硅片上的对准标记同时成像在CCD上，通过计算对准标记的图像中心在CCD靶面的坐标给出掩模和硅片的相对位置，这种方法简单易行，但主要的缺陷是精度相对较低。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种显著提高对准精度,可直接媲美衍射光栅型对准系统的大面积投影光刻系统。
本发明的另一目的在于提供一种操作简单，方便实用的大面积投影光刻系统的对准方法。
本发明的技术方案是：本发明的大面积投影光刻系统，包括有准分子激光器、照明系统、平移台、掩模板、投影系统、硅片基板，其中掩模板及硅片基板分别装设在平移台的两端，准分子激光器通过照明系统进行光路调制与光束质量优化后，使紫外激光的光斑透过安装在平移台一端位置上的掩模板，掩模板所成的激光物象通过投影系统成像在安装在平移台另一端位置上的硅片基板上。
上述平移台具有三个相互垂直的三维立体自由度，分别为水平方向x1，垂直纸面方向y1，竖直方向z；z的调节遵循物象共轭准则使得掩模板上的密布电路图案通过投影系统曝光清晰成像在硅片基板上；x1与y1的大范围调节使得系统实现的大面积投影光刻功能。
上述投影系统包括有两个装设位置分别与掩模板及硅片基板对应的转角棱镜、激光器、半反半透镜、第一图像传感器、第二图像传感器，其中转角棱镜都镀上介质膜，两个半反半透镜分别装设在同轴对准激光器的光源的位置上，且两个半反半透镜的其中一个反射面分别与两个转角棱镜的位置相对应，两个半反半透镜的另一个反射面分别与第一图像传感器及第二图像传感器的位置相对应，激光器在经过半反半透镜后，其反射光经过转角棱镜的介质膜分别照明掩模板及硅片基板，所得到的视频图样再次经半反半透镜，最后分别被第一图像传感器及第二图像传感器获取。
上述转角棱镜都镀上对532nm高透、351nm高反的介质膜。
上述激光器为同轴对准光源。
上述激光器为掺钕钇铝石榴石激光器。
上述平移台与硅片基板通过具有x2、y2、θ三个方向的三维微调对准装置连接。
本发明大面积投影光刻系统的对准方法，包括如下步骤：
1）第一图像传感器实时地从掩模板获取视频图，并对此图样进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到掩模板特征标记的二值化位图Q，并将该二值化位图Q常驻存放在计算机内存中；
同时，第二图像传感器实时地从硅片基板获取视频图样，对此图样同样地进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到硅片基板特征标记的二值化位图P，并将该二值化位图P实时更新在计算机内存中；
2）将上述二值化位图Q及二值化位图P两者代入下式进行P与Q的纯相位匹配滤波器相关运算：
式中，FT[]代表傅立叶变换运算，*代表求复共轭运算，IFT{}代表反傅立叶变换运算，M代表输出的相关识别位图；
3）根据上述运算结果是否出现相关峰进行判别，若没有相关峰，则根据预设的步进量驱动三维微调对准装置中的θ自由度作微量旋转，旋转后重新进入由第二图像传感器实时地从硅片基板获取视频图样，对此图样同样地进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到硅片基板特征标记的二值化位图P，并将该二值化位图P实时更新在计算机内存中，直至获得满足判断条件的相关峰值，此时旋转量θ的微调整完毕，存储相干峰所出现的位置值X，Y，并根据相关峰所出现的位置作微量平移，最后整个系统完成精密对位。
上述当掩模与硅片的特征标记具有一定的相似性即在输出图样M中出现尖锐的相干峰，相干峰的尖锐程度由输入图样的相似程度决定，相干峰所出现的位置直接高精度地反映了掩模与硅片的相对平移坐标；若两相似图样具有细微的旋转偏转夹角，将迅速使得原有的尖锐相干峰坍塌，如此的旋转敏感性可使用特定的算法间接高精度地获取掩模与硅片的相对旋转坐标。
本发明采用了准分子激光器通过照明系统进行光路调制与光束质量优化，使紫外激光的光斑透过安装在平移台一端位置上的掩模板，掩模板所成的激光物象通过投影系统，成像在平移台另一端的硅片基板上的结构；本发明采用了计算机数字图像处理中的模式识别方法实现掩模、硅片对准标记相对位置的计算，以取代传统光度型方法中采用的求和投影算法的相对位置计算方式，可有效提高对准精度，本发明已成功使用在分辨精度为亚十微米级的大面积PCB印刷电路板的投影光刻机中，实验数据证明本发明对准精度对比传统方法有显著的提高，可直接媲美衍射光栅型对准系统。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的大面积投影光刻系统。本发明的对准方法操作简单，方便实用。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中平移台具有水平方向x1，垂直纸面方向y1，竖直方向z三个相互垂直的三维立体自由度的示意图；
图3为本发明中三维微调对准装置具有x2、y2、θ三个方向的自由度的示意图；
图4为本发明对准方法的流程图；
图5为本发明旋转转角与相干峰峰值关系示意图。
具体实施方式
实施例：
本发明的原理图如图1所示，本发明的大面积投影光刻系统，包括有准分子激光器1、照明系统2、平移台3、掩模板4、投影系统5、硅片基板6，其中掩模板4及硅片基板6分别装设在平移台3的两端，准分子激光器1通过照明系统2进行光路调制与光束质量优化后，使紫外激光的光斑透过安装在平移台3一端位置上的掩模板4，掩模板4所成的激光物象通过投影系统5成像在安装在平移台3另一端位置上的硅片基板6上。
本实施例中，上述平移台3具有三个相互垂直的三维立体自由度7，分别为水平方向x1，垂直纸面方向y1，竖直方向z；z的调节遵循物象共轭准则使得掩模板4上的密布电路图案通过投影系统5曝光清晰成像在硅片基板6上；x1与y1的大范围调节使得系统实现的大面积投影光刻功能。
本实施例中，上述投影系统5包括有两个装设位置分别与掩模板4及硅片基板6对应的转角棱镜、激光器8、半反半透镜9、第一图像传感器10、第二图像传感器11，其中转角棱镜都镀上介质膜，两个半反半透镜9分别装设在同轴对准激光器8的光源的位置上，且两个半反半透镜9的其中一个反射面分别与两个转角棱镜的位置相对应，两个半反半透镜9的另一个反射面分别与第一图像传感器10及第二图像传感器11的位置相对应，激光器8在经过半反半透镜9后，其反射光经过转角棱镜的介质膜分别照明掩模板4及硅片基板6，所得到的视频图样再次经半反半透镜9，最后分别被第一图像传感器10及第二图像传感器11获取。
本实施例中，上述转角棱镜都镀上对532nm高透、351nm高反的介质膜。上述激光器8为同轴对准光源。上述激光器8为掺钕钇铝石榴石激光器，即Nd3+ YAG激光器。
本实施例中，上述平移台3与硅片基板6通过具有x2、y2、θ三个方向的三维微调对准装置12连接。具有x2、y2、θ三个方向的三维微调对准装置12使得掩模板4与硅片基板6的CCD视频图样经过一系列算法运算后得到精密的中心位置相对坐标(x2,y2)与特征方向旋转坐标(θ)，利用这三个坐标值调动对准装置12，实现硅片基板6与掩模板4的精密对准功能。
本发明大面积投影光刻系统的对准方法，包括如下步骤：
1）第一图像传感器10实时地从掩模板4获取视频图，并对此图样进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到掩模板特征标记的二值化位图Q，并将该二值化位图Q常驻存放在计算机内存中；
同时，第二图像传感器11实时地从硅片基板6获取视频图样，对此图样同样地进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到硅片基板特征标记的二值化位图P，并将该二值化位图P实时更新在计算机内存中；
2）将上述二值化位图Q及二值化位图P两者代入下式进行P与Q的纯相位匹配滤波器相关运算：
式中，FT[]代表傅立叶变换运算，*代表求复共轭运算，IFT{}代表反傅立叶变换运算，M代表输出的相关识别位图；
3）根据上述运算结果是否出现相关峰进行判别，若没有相关峰，则根据预设的步进量驱动三维微调对准装置12中的θ自由度作微量旋转，旋转后重新进入由第二图像传感器11实时地从硅片基板6获取视频图样，对此图样同样地进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到硅片基板特征标记的二值化位图P，并将该二值化位图P实时更新在计算机内存中，直至获得满足判断条件的相关峰值，此时旋转量θ的微调整完毕，存储相干峰所出现的位置值X，Y，并根据相关峰所出现的位置作微量平移，最后整个系统完成精密对位。
本实施例中，上述当掩模与硅片的特征标记具有一定的相似性即在输出图样M中出现尖锐的相干峰，相干峰的尖锐程度由输入图样的相似程度决定，相干峰所出现的位置直接高精度地反映了掩模与硅片的相对平移坐标；若两相似图样具有细微的旋转偏转夹角，将迅速使得原有的尖锐相干峰坍塌，如此的旋转敏感性可使用特定的算法间接高精度地获取掩模与硅片的相对旋转坐标。
本发明大面积投影光刻系统的对准方法最显著创新点利用了纯相位匹配滤波器所具有的两大特性：其一是相干峰尖锐性并且精确反映了两幅相似的输入图像的平移相对位置，从而得出掩模与硅片相对坐标(x2,y2) 的量化驱动值；其二是相干峰的高度旋转敏感特性间接反映了两幅相似的输入图像的旋转相对位置，所谓的高度旋转敏感性是指两幅相似的输入图像只有在取向高度一致时才出现相干峰，取向若有微小的夹角都将迅速降低相干峰的峰值，利用此特性结合系统的算法可高精密地间接获得掩模与硅片特征方向旋转坐标θ的量化驱动值。由此综合所得的三维坐标(x2，y2，θ)对准微调值的高精密性。
Claims (9)
1.一种大面积投影光刻系统，其特征在于包括有准分子激光器（1）、照明系统（2）、平移台（3）、掩模板（4）、投影系统（5）、硅片基板（6），其中掩模板（4）及硅片基板（6）分别装设在平移台（3）的两端，准分子激光器（1）通过照明系统（2）进行光路调制与光束质量优化后，使紫外激光的光斑透过安装在平移台（3）一端位置上的掩模板（4），掩模板（4）所成的激光物象通过投影系统（5）成像在安装在平移台（3）另一端位置上的硅片基板（6）上。
2. 根据权利要求1所述的大面积投影光刻系统大面积投影光刻系统，其特征在于上述平移台（3）具有三个相互垂直的三维立体自由度（7），分别为水平方向x1，垂直纸面方向y1，竖直方向z；z的调节遵循物象共轭准则使得掩模板（4）上的密布电路图案通过投影系统（5）曝光清晰成像在硅片基板（6）上；x1与y1的大范围调节使得系统实现的大面积投影光刻功能。
3.根据权利要求1所述的大面积投影光刻系统，其特征在于上述投影系统（5）包括有两个装设位置分别与掩模板（4）及硅片基板（6）对应的转角棱镜、激光器（8）、半反半透镜（9）、第一图像传感器（10）、第二图像传感器（11），其中转角棱镜都镀上介质膜，两个半反半透镜（9）分别装设在同轴对准激光器（8）的光源的位置上，且两个半反半透镜（9）的其中一个反射面分别与两个转角棱镜的位置相对应，两个半反半透镜（9）的另一个反射面分别与第一图像传感器（10）及第二图像传感器（11）的位置相对应，激光器（8）在经过半反半透镜（9）后，其反射光经过转角棱镜的介质膜分别照明掩模板（4）及硅片基板（6），所得到的视频图样再次经半反半透镜（9），最后分别被第一图像传感器（10）及第二图像传感器（11）获取。
4.根据权利要求3所述的大面积投影光刻系统，其特征在于上述转角棱镜都镀上对532nm高透、351nm高反的介质膜。
5.根据权利要求3所述的大面积投影光刻系统，其特征在于上述激光器（8）为同轴对准光源。
6.根据权利要求5所述的大面积投影光刻系统，其特征在于上述激光器（8）为掺钕钇铝石榴石激光器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的大面积投影光刻系统，其特征在于上述平移台（3）与硅片基板（6）通过具有x2、y2、θ三个方向的三维微调对准装置（12）连接。
8.一种根据权利要求7所述的大面积投影光刻系统的对准方法，其特征在于包括如下步骤：
1）第一图像传感器（10）实时地从掩模板（4）获取视频图，并对此图样进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到掩模板特征标记的二值化位图Q，并将该二值化位图Q常驻存放在计算机内存中；
同时，第二图像传感器（11）实时地从硅片基板（6）获取视频图样，对此图样同样地进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到硅片基板特征标记的二值化位图P，并将该二值化位图P实时更新在计算机内存中；
2）将上述二值化位图Q及二值化位图P两者代入下式进行P与Q的纯相位匹配滤波器相关运算：
式中，FT[]代表傅立叶变换运算，*代表求复共轭运算，IFT{}代表反傅立叶变换运算，M代表输出的相关识别位图；
3）根据上述运算结果是否出现相关峰进行判别，若没有相关峰，则根据预设的步进量驱动三维微调对准装置（12）中的θ自由度作微量旋转，旋转后重新进入由第二图像传感器（11）实时地从硅片基板（6）获取视频图样，对此图样同样地进行边沿检测、轮廓提取、区域定位与二值化后得到硅片基板特征标记的二值化位图P，并将该二值化位图P实时更新在计算机内存中，直至获得满足判断条件的相关峰值，此时旋转量θ的微调整完毕，存储相干峰所出现的位置值X，Y，并根据相关峰所出现的位置作微量平移，最后整个系统完成精密对位。
9.根据权利要求1所述的大面积投影光刻系统的对准方法，其特征在于上述当掩模与硅片的特征标记具有一定的相似性即在输出图样M中出现尖锐的相干峰，相干峰的尖锐程度由输入图样的相似程度决定，相干峰所出现的位置直接高精度地反映了掩模与硅片的相对平移坐标；若两相似图样具有细微的旋转偏转夹角，将迅速使得原有的尖锐相干峰坍塌，如此的旋转敏感性可使用特定的算法间接高精度地获取掩模与硅片的相对旋转坐标。
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