CN102566340A - 一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，包括计算机、对准光源、数字微镜、光刻物镜、硅片、成像器件(CCD)、位移工件台、第一和第二分色分光镜，第一分色分光镜接收对准光反射到数字微反射镜结构上；计算机控制数字微反射镜装置产生具有恒定相移的数字光栅；数字微反射镜将对准光反射到光刻物镜并由第二分色分光镜透射，将相移数字光栅依次投影到硅片上与硅片上的光栅标记叠加；硅片反射对准光，再经过第二分色分光镜反射的对准光被CCD接收；CCD采集莫尔条纹图像是相移数字光栅与硅片上的标记光栅相叠加产生的多帧具有一定相移间隔的莫尔条纹图像。

Description

一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置

技术领域

本发明属于无掩模光刻技术领域，特别涉及一种基于数字微镜的无掩模光刻对准装置。

背景技术

随着微光、机、电等技术的迅猛发展，微细加工技术得到了迅速发展。微光学元件在通讯、军事、空间技术、超精加工、生物医学以及信息处理等领域中得到广泛应用。这使得科研人员对微光学相关的设计、制作及应用技术展开了广泛研究。微光学在设计理论与制作方法上已有了很大的发展，为了进一步扩大微光学元件的应用领域，对其制作方法也提出了更高的要求。因此，研究便捷、有效、实时、灵活的微光学元件的制作方法仍然是目前国内外微光学领域的一个极为重要的研究方向。相比之下，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。而基于数字微镜的无掩模光刻技术正好应运而生，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，具有广泛的应用前景。

对准技术是光刻技术的核心技术之一，其精度要求一般为特征尺寸的1/5～1/3。光刻分辨力的提高，对准精度也提出更高的要求，当前所需的对准精度已进入纳米级。目前流行的对准方法大体上可为基于几何图案标记、波带片及光栅标记等几种。然而，每种方法都有不同优缺点，传统对准方法的精度已经难以适应逐渐提高的光刻分辨力。数字光刻技术作为一种新的光刻技术，与之对应的相关研究还很少，因此研究相应的高精度对准方法具有重要意义。

先前的对准技术主要是建立在光度型基础上的。视频图像对准是光度型对准的典型代表。它是通过光强信号来探测硅片与掩模的相对位移。这种方法虽然简单、可操作性强、但是对准精度有限，适用于精度较低的情况。随着光刻分辨力的提高，投影光刻机主要采用光栅对准技术。比如SMASH(Smart Alignment Sensor Hybrid)离轴对准方案，荷兰ASML公司所采用的TTL(Though the Lens)衍射光栅同轴对准、ATHENA(Advanced Technology usingHigh order Enhanced Alignment)离轴对准等。衍射光栅对准方法的信噪比较高，对准精度高，但结构复杂，不易实现。上述对准方法主要是针对掩模和硅片上均有对准标记的情况，而数字无掩模光刻系统由于其无掩模的特殊性，与传统有掩模光刻技术相比，不具备直接将掩模和硅片对准的条件。这种光刻技术将计算机控制的数字微镜上的图像通过投影直接刻在硅片上，数字微镜有类似掩模的作用。因此需要针对这些特点研究特殊的对准方法和技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：根据基于数字微镜无掩模光刻的特点，为了满足这种光刻技术发展的需要，解决现有技术对准系统结构复杂、精度低、成本高、实施较困难的技术问题，本发明提出了一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准方法与装置，该方法充分利用了数字微镜的特点，不仅可以实时根据需要改变数字光栅的周期，还可以结合傅里叶变换和相移算法求解相位，有效提高相位提取精度，同时能有效消除噪声，提高对准精度。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案为：一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，该装置包括计算机、对准光源、曝光光源、数字微镜、光刻物镜、硅片、CCD成像器件、位移工件台、第一分色分光镜和第二分色分光镜；第一分色分光镜接收对准光反射到数字微镜上；计算机控制数字微镜产生具有恒定相移的数字光栅；数字微镜将对准光反射到光刻物镜并由第二分色分光镜透射，将相移数字光栅依次投影到硅片上与硅片上的光栅标记叠加；硅片反射对准光，再经过第二分色分光镜反射的对准光被CCD成像器件接收；CCD成像器件采集莫尔条纹图像是相移数字光栅与硅片上的标记光栅相叠加产生的多帧具有一定相移间隔的莫尔条纹图像；多帧相移莫尔条纹图通过计算机中已设计好的基于傅里叶变换和相移技术相位解析法解调相位信息，完成光栅标记的标定，并求解硅片的位移和旋转量，并反馈给位移工件台实现对准。

优选的，计算机控制数字微镜数字微镜生成多幅有一定相位差的数字光栅，经过光刻物镜和硅片标记叠加形成多帧相移莫尔条纹。

优选的，CCD成像器件采集的是具有恒定相位差的多帧莫尔条纹，通过结合傅里叶变换和相移算法求解相位，可以有效消除噪声提高精度。其中，傅里叶变换方法主要用于提取纯莫尔条纹，相移技术主要用于解调相位，两种方法结合可以提高相位提取精度。

优选的，采用傅里叶变换和相移技术相结合的相位提取方法，解决了标记光栅周期越接近精度越高，而单独采用傅里叶变换滤波提取相位越难的矛盾。

优选的，对准光源波长与曝光光源波长不在同一波段内，这样对准过程不会使硅片感光。

优选的，对准光经过光刻物镜，实现同轴对准，减小了像差对对准的影响。

优选的，所述数字微镜数字微镜、CCD成像器件的位置不变；每次进行对准时，相移数字光栅的位置保持不变；将硅片放在工件台上，保证硅片上光栅标记在CCD成像器件视场范围内。

本发明的基本原理在于：本发明利用数字微镜可操作性的特点，通过计算机控制数字微镜产生恒定相位差的标记光栅，并且标记光栅的周期可以实时调整。每片硅片曝光前，都以数字微镜上的光栅标记通过光刻物镜投影到硅片的光栅像(任何一幅)为准，每一帧光栅像分别与硅片上的标记光栅叠加产生多帧相移莫尔条纹。利用傅里叶变换提取纯莫尔条纹，相移技术解调条纹相位，计算当前硅片的位置信息(角位移和平面线位移)，实现曝光前硅片的标定。

本发明的特点与优势：

(1)本发明提出了一种适用于无掩模数字光刻对准的新方法，针对数字微镜可操作的的特点，通过计算机控制数字微镜产生相移精准的数字光栅，替代了以前的物理光栅，其频率可以按照实际精度要求实时调整。

(2)本发明数字微镜生成多幅相移数字光栅与硅片上的标记光栅叠加形成多帧相移莫尔条纹，可以利用相移算法解调相位，精度高，相移精准。

(3)本发明计算机控制的数字微镜产生的数字光栅，周期恒定，零噪声，可以提高对准精度。

(4)本发明结合傅里叶变换和相移算法，将对准信息反应在条纹的相位中。该方法操作简单、快捷、成本低、可靠性好、易于实现等特点。

附图说明

图1是本发明所述的基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置示意图；

图2(a)-(c)分别是计算机控制数字微镜产生的相移光栅标记，其相位差为2π/3，图中只给出了其中一幅条纹；

图3(a)-(c)分别是硅片上光栅标记；

图4(a)、(b)是利用周期相近的同心圆光栅产生的相移莫尔条纹(只给出了其中一帧)，其中，图4(a)是对准状态，图4(b)是未对准状态；

图5(a)、(b)分别是线光栅实现x方向的未对准和对准的图样；

图6(a)、(b)分别是线光栅实现y方向的未对准和对准的图样；

图7为利用光栅标记实现粗对准的示意图；

图中，110为曝光光源；111为对准光源；112为第一分色分光镜；113为数字微镜；114为光刻物镜；115为第二分色分光镜；116为硅片；117为CCD成像器件；118为位移工件台；119为计算机。

具体实施方式

本发明旨在提供一种基于数字微镜的无掩模光刻对准方法和装置，为使本发明的思想、技术手段，图像处理相关算法和优势更加明晰，以下结合附图加以详细说明。

参考图1，本发明提供的一种基于数字微镜的无掩模光刻对准方法和装置，该装置包括计算机119、对准光源111、曝光光源110、数字微镜113、光刻物镜114、硅片116、CCD成像器件117、位移工件台118、第一分色分光镜112和第二分色分光镜115；第一分色分光镜112接收对准光反射到数字微镜113上；计算机118控制数字微镜113产生具有恒定相移的数字光栅；数字微镜113将对准光反射到光刻物镜114并由第二分色分光镜115透射，将相移数字光栅依次投影到硅片116上与硅片116上的光栅标记叠加；硅片116反射对准光，再经过第二分色分光镜115反射的对准光被CCD成像器件117接收；CCD成像器件117采集莫尔条纹图像是相移数字光栅与硅片116上的标记光栅相叠加产生的多帧具有一定相移间隔的莫尔条纹图像；多帧相移莫尔条纹图通过计算机118中已设计好的基于傅里叶变换和相移技术相位解析法解调相位信息，完成光栅标记的标定，并求解硅片116的位置信息(位移和旋转量)，并反馈给工件台118实现对准。

图2是数字微镜上光栅标记图样，本装置在实现对准时，首先打开对准光111，对准光经过第一分色分光镜112反射到数字微镜上；同时计算机119控制数字微镜113依次生成三帧相位差为2π/3的数字光栅标记，如图2所示(只给出了一帧)，三帧数字相移光栅分别与当前硅片上(116)的光栅标记叠加，此时CCD成像器件117接收的是三帧相位差为2π/3的数字相移莫尔条纹。

对准过程中，首先采用圆光栅相移莫尔条纹的相位信息实现粗对准，从而判断当前硅片的大致位置信息。其中，圆光栅相移莫尔条纹的相位信息求解方法如下：

图7所示，为利用光栅标记实现粗对准的示意图，由于数字微镜113上的光栅标记固定不动，因此实线表示数字微镜113上的圆光栅标记位置，虚线表示硅片116上的圆光栅标记的位置，计算机119控制数字微镜113依次生成三帧相位差为2π/3的数字光栅标记分别叠加后，CCD成像器件117接受的是三帧相位差为2π/3的数字相移莫尔条纹。通过计算此时数字相移莫尔条纹的相位信息就可以得到，当前硅片的位置信息：

数字微镜113上的圆光栅中心点与硅片上圆光栅标记中线点之间的距离(偏心距)为：

$d=\frac{R}{\mathrm{\πNn}}\{{\left[\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)\right]}^{\frac{1}{2}}+{\left[\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)\right]}^{\frac{1}{2}}\}---\left(1\right)$

其中n表示傅立叶变换计算迭代次数，可根据实际需要设定合适的值；ψ表示径相位，N表示数字圆光栅标记的圈数，R表示最大半径。其截断相位计算公式为：

式中G_k代表第k帧相移纯莫尔条纹，(k＝0，1，2，...，M-1)，M代表相移步数。纯莫尔条纹利用傅里叶变换法提取。

通过相位展开算法展开后就可以得到径向位ψ。

数字微镜113上的圆光栅中心店与硅片上圆光栅标记中线点连线与x轴方向的夹角(偏心角)计算公式为：

$\mathrm{\δ}={\tan }^{-1}\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)}{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{n}\right)}---\left(3\right)$

通过偏心角和偏心距的计算公式，若要计算光栅中心改变后相对参考原点在直角坐标系下的坐标，设为O′(o_x′，o_y′)，则可按照下列公式计算：

o_x′＝o_x+dcosδ，o′_y＝o_x+dcosδ      (4)

其中(o_x，o_y)为数字微镜产生的相移光栅的圆心坐标，d为偏心距，δ为偏心角。这样就可以反馈给位移工件台在x，y两个方向的对准。直到莫尔条纹的图样如图4(a)那样，就完成了粗对准。

接下来采用线光栅实现精对准，图5(a)-(b)是线光栅差动莫尔条纹在x方向实现精对准的图样，其中图5(a)表示未对准，图5(b)表示已对准。

图6所示的线光栅标记x，y方向的位移计算公式为：

$\mathrm{\Δx}=(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_M/2\mathrm{\π})\×(\stackrel{\‾}{T}/2)],$ $\mathrm{\Δy}=(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_M/2\mathrm{\π})\×(\stackrel{\‾}{T}/2)]---\left(5\right)$

式中将

定义为两差动光栅的平均周期，Δφ_M表示左右(上下)两组差动莫尔条纹相差，相位计算方法与公式(2)相同。

图6(a)-(b)是线光栅差动莫尔条纹在y方向实现精对准的图样，其中图6(a)表示未对准，图6(b)表示已对准。

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 (7)

1.一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，其特征在于：该装置包括计算机(119)、对准光源(111)、曝光光源(110)、数字微镜(113)、光刻物镜(114)、硅片(116)、CCD成像器件(117)、位移工件台(118)、第一分色分光镜(112)和第二分色分光镜(115)；第一分色分光镜(112)接收对准光反射到数字微镜(113)上；计算机(119)控制数字微镜(113)产生具有恒定相移的数字光栅；数字微镜(113)将对准光反射到光刻物镜(114)并由第二分色分光镜(115)透射，将相移数字光栅依次投影到硅片(116)上与硅片上的光栅标记叠加；硅片(116)反射对准光，再经过第二分色分光镜(115)反射的对准光被CCD成像器件(117)接收；CCD成像器件(117)采集莫尔条纹图像是相移数字光栅与硅片上的标记光栅相叠加产生的多帧具有一定相移间隔的莫尔条纹图像；多帧相移莫尔条纹图通过计算机(119)中已设计好的基于傅里叶变换和相移技术相位解析法解调相位信息，完成光栅标记的标定，并求解硅片(116)的位移和旋转量，并反馈给位移工件台(118)实现对准。

2.根据权利要求1所述的一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，其特征在于：计算机(119)控制数字微镜数字微镜(113)生成多幅有一定相位差的数字光栅，经过光刻物镜(114)和硅片标记叠加形成多帧相移莫尔条纹。

3.根据权利要求1所述的一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，其特征在于：CCD成像器件(117)采集的是具有恒定相位差的多帧莫尔条纹，通过结合傅里叶变换和相移算法求解相位，可以有效消除噪声提高精度。

4.根据权利要求1所述的一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，其特征在于：采用傅里叶变换和相移技术相结合的相位提取方法，解决了标记光栅周期越接近精度越高，而单独采用傅里叶变换滤波提取相位越难的矛盾。

5.根据权利要求1所述的一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，其特征在于：对准光源波长与曝光光源波长不在同一波段内，这样对准过程不会使硅片感光。

6.根据权利要求1所述的一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，其特征在于：对准光经过光刻物镜(114)，实现同轴对准，减小了像差对对准的影响。

7.根据权利要求1所述的一种基于相移莫尔条纹的数字无掩模光刻对准装置，其特征在于：所述数字微镜数字微镜(113)、CCD成像器件(117)的位置不变；每次进行对准时，相移数字光栅的位置保持不变；将硅片(116)放在工件台(118)上，保证硅片上光栅标记在CCD成像器件(117)视场范围内。

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