CN102681369B - 一种适用于无掩模光刻机的对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于无掩模光刻机的对准方法。光电耦合成像器件通过工件台的平移来采集硅片上的两个及以上的对准标记，应用图像处理方法确定采集选择的对准标记相对载物台坐标的位置，由于采集到的标记图像相对硅片坐标的位置是已知的，可以建立载物台坐标系同硅片坐标系之间的变换关系方程。应用相应的对准方法求解出放置的硅片相对于首次曝光的位置，通过载片台的旋转和工件台的平移补偿来实现光刻对准过程。

Description

一种适用于无掩模光刻机的对准方法

技术领域

本发明涉及一种适用于无掩模光刻机的对准方法，属于光刻领域，涉及无掩模光刻设备中对准装置的设计及实现，用于完成光刻套刻工艺过程前的标记对准。

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。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，因此研究适用于无掩模光刻的对准技术十分必要。

现在提出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。这就需要提出一种适应于无掩模的对准方法。

发明内容

本发明提供一种适用于无掩模光刻设备的对准方法。应用该方法实现无掩模光刻套刻工艺过程前的标记对准，从而提高套刻精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在对准标记图形已知的情况下，应用工件台的移动配合光电耦合成像器件采集硅片上2个以上对准标记，通过图像处理方法（如模板匹配等方法）确定硅片上的对准标记相对载物台的坐标值，根据得到的对准标记在载物台的坐标值和对准标记在硅片上的坐标值，建立硅片坐标系同载物台坐标系之间的变换关系方程。

所述的无掩模光刻机的对准方法是硅片上的标记6经第一转向棱镜1和第二转向棱镜3转向后通过聚光镜4成像在光电耦合成像器件5的成像靶面上，经过图像处理确定采集到的标记相对载物台9的坐标位置一，通过承片台7的旋转和工件台8的移动能够采集到除标记6以外的其他标记并确定其相对载物台坐标的位置二，由于采集到的标记图像相对硅片坐标的位置是已知的，能够建立载物台坐标系同硅片坐标系之间的变换关系，应用坐标变换公式推导出所放硅片同首次曝光位置的偏移量及旋转角度，通过工件台平移及载片台旋转补偿实现套刻对准；其具体操作步骤包括：

步骤S1：工件台平移到一个预定的标记位置，光电耦合成像器采集第一个对准标记，并计算其相对于载物台的坐标；

步骤S2：工件台平移到另一个预定的标记位置，光电耦合成像器采集第二个对准标记，并计算其相对于载物台的坐标；

步骤S3：根据计算求得的两个对准标记在载物台中的位置，建立硅片坐标系同载物台坐标系之间的坐标变换方程，推导出所放硅片同首次曝光位置的偏移量及旋转角度，如果求解失败，则重复步骤S1；

步骤S4：应用求得的偏移量替换上次求得的偏移量，如果此次为第一次求得，则替换预设的偏移量值；

步骤S5：按得到的旋转角度θ转动硅片台，之后重复步骤S1，直至旋转角度θ小于设定的阈值时为止;其中设定的阈值为系统管理员根据具体需要设定的。

进一步的，所述的光电耦合成像器件同载物台的位置是相对固定的，其中光电耦合成像器件是CCD相机或四象限探测器。

进一步的，所述的转向棱镜为一个或多个，其能够将硅片上的对准标记成像在光电耦合成像器件上。

进一步的，所述的方法步骤S1中预定的一个标记位置是由对准标记在硅片坐标系中的坐标位置和硅片的坐标零位同载物台的坐标零位之间的偏移量所决定的，该对准标记是硅片上的任一个对准标记。

进一步的，所述的方法步骤S2中预定的另一标记位置是由对准标记在硅片坐标系中的坐标位置和硅片的坐标零位同载物台的坐标零位之间的偏移量所决定的，该对准标记是除了步骤S1中选定的对准标记外的任何一个硅片上的对准标记。

进一步的，所述的方法步骤S5中指定的最小转角是按操作者的要求提供接口，由操作者个人设定。

本发明的有益效果是：提出一种适用于无掩模光刻机的对准方法。应用该方法提高了无掩模光刻机的套刻精度，增强了无掩模光刻机的实用性，并且该方法只采用一个光电耦合成像器件，结构简单，成本低、精度高、易实现，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是本发明的系统原理图；

图2是系统对准方法流程图；

图3是系统对准标记坐标变换示图。

具体实施方式

以下将结合一个较佳的实施例对本发明的适用于无掩模光刻的对准方法作进一步的详细描述。

请参阅图1，其中显示了无掩模光刻机的对准装置结构框图。如图所示，硅片上的标记6经第一转向棱镜1和第二转向棱镜3转向后通过聚光镜4成像在光电耦合成像器件5的成像靶面上，经过图像处理确定标记6相对载物台坐标的位置一。通过工件台8的移动可以采集到除标记6以外的其他标记并确定其相对载物台坐标的位置二。图中2为CCD的照明LED光源，7为承片台，可带动硅片做旋转运动，9为放置工件台8等相关器件的载物台。由于采集到的标记图像相对硅片坐标的位置是已知的，建立载物台坐标系同硅片坐标系之间的变换关系方程，利用对准方法求解出放置的硅片相对于首次曝光的位置，通过载片台的旋转和工件台的平移补偿实现光刻对准过程。

其具体的对准方法流程（图2）如下：

该对准方法是通过测量硅片上的对准标记在工件台坐标系中的坐标，建立硅片坐标系与工件台坐标系之间的变换关系方程，进而推导出硅片的偏移量和旋转角度。

图3所示为对准方法的载物台坐标系和硅片台坐标系的相对关系。载物台坐标系原点在左下方，硅片坐标系原点在硅片中心。

该方法需采集硅片上2个以上对准标记进行处理操作。如图3选取硅片上标记B1，标记B2两个标记点为例进行说明。由于标记B1和标记B2在硅片坐标系中的坐标为已知的，分别为B1(X1’,Y1’)，B2(X2’,Y2’)，硅片坐标系原点O与工件台坐标系原点的偏移量是X₀₀,Y₀₀。其中偏移量X₀₀,Y₀₀经过系统标定确定。

由此可以获得对准标记B1和对准标记B2在载片台坐标系内的坐标B1(X1,Y1),B2(X2,Y2)。

X1=X1’+X₀₀,

Y1=Y1’+Y₀₀,

X2=X2’+X₀₀,

Y2=Y2’+Y₀₀

其中X1为对准标记B1在工件台坐标系内的X轴坐标值，Y1为对准标记B1在工件台坐标系内的Y轴坐标值，X2为对准标记B2在工件台坐标系内的X轴坐标值，Y2为对准标记B2在工件台坐标系内的Y轴坐标值，X₀₀为硅片坐标原点在工件台坐标系内的X轴坐标值，Y₀₀为硅片坐标原点在工件台坐标系内的Y轴坐标值。

受机械预定位结构限制，硅片不会与载物台坐标系偏离太远。本实施例中采用的光电耦合成像器件为CCD，首先采集硅片上的对准标记图像，作为模板图像。

步骤S1：工件台平移到对准标记B1(X1,Y1)处，CCD采集该对准标记，应用图像处理方法（如模板匹配算法）确定当前对准标记B1相对于载物台的坐标B1(X11,Y11)。

步骤S2：工件台平移到对准标记B2(X2,Y2)处，CCD采集该对准标记，应用图像处理方法（如模板匹配算法）确定当前对准标记B2相对于载物台的坐标B2(X21,Y21)。如果获得的图像不清晰无法计算出坐标值，则寻找另一个对准标记图像即可。

步骤S3：根据实际测得的对准标记B1(X11,Y11)，B2(X21,Y21)和对准标记B1和对准标记B2的在硅片坐标系中的位置(X1’,Y1’)，(X2’,Y2’)，可推导出以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}X11={X_{00}}^{\′}+{X1}^{\′}\cos \mathrm{\θ}-Y^{\′}1\sin \mathrm{\θ}\\ Y11={Y_{00}}^{\′}+{X1}^{\′}\sin \mathrm{\θ}+Y^{\′}1\cos \mathrm{\θ}\\ X21={X_{00}}^{\′}+{X2}^{\′}\cos \mathrm{\θ}-Y^{\′}2\sin \mathrm{\θ}\\ Y21={Y_{00}}^{\′}+X{2}^{\′}\sin \mathrm{\θ}+Y^{\′}2\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

式中X11为对准标记B1在载物台坐标系内实际测得的X坐标值，Y11为对准标记B1在载物台坐标系内实际测得的Y坐标值，X21为对准标记B2在载物台坐标系内实际测得的X坐标值，Y21为对准标记B2在载物台坐标系内实际测得的Y坐标值，X₀₀’为硅片坐标原点在载物台坐标系内的X坐标相对值，Y₀₀’为硅片坐标原点在载物台坐标系内的Y坐标相对值。θ为硅片坐标系相对载物台坐标系的旋转角度。

由以上公式可以初步计算出硅片坐标系与载物台坐标系之间的平移X₀₀’，Y₀₀’和旋转角度θ。如果方程无解，则重复步骤1，重新选取对准标记点。

步骤S4：应用求得的偏移量X₀₀’,Y₀₀’替换之前的偏移量X₀₀，Y₀₀,。则有

X₀₀=X₀₀’,

Y₀₀=,Y₀₀’

步骤S5：按求出的旋转角度θ转动硅片台，之后重复步骤1，直至旋转角度θ小于设定的阈值时为止。其中设定的阈值为系统管理员根据具体需要设定。

旋转完成后，工件台坐标系与硅片坐标系只会存在平移误差X₀₀，Y₀₀，而不存在旋转误差，通过平移工件台即可实现平移误差的补偿，最终完成对准套刻功能。

Claims (6)

1.一种适用于无掩模光刻机的对准方法，其特征在于：所述的无掩模光刻机的对准方法是硅片上的标记(6)经第一转向棱镜(1)和第二转向棱镜(3)转向后通过聚光镜(4)成像在光电耦合成像器件(5)的成像靶面上，经过图像处理确定采集到的标记相对载物台(9)的坐标位置一，通过承片台(7)的旋转和工件台(8)的移动能够采集到除标记(6)以外的其他标记并确定其相对载物台坐标的位置二，由于采集到的标记图像相对硅片坐标的位置是已知的，能够建立载物台坐标系同硅片坐标系之间的变换关系，应用坐标变换公式推导出所放硅片同首次曝光位置的偏移量及旋转角度，通过工件台平移及载片台旋转补偿实现套刻对准；其具体操作步骤包括：

步骤S1：工件台平移到一个预定的标记位置，光电耦合成像器采集第一个对准标记，并计算其相对于载物台的坐标；

步骤S2：工件台平移到另一个预定的标记位置，光电耦合成像器采集第二个对准标记，并计算其相对于载物台的坐标；

步骤S3：根据计算求得的两个对准标记在载物台中的位置，建立硅片坐标系同载物台坐标系之间的坐标变换方程，推导出所放硅片同首次曝光位置的偏移量及旋转角度，如果求解失败，则重复步骤S1；

步骤S4：应用求得的偏移量替换上次求得的偏移量，如果此次为第一次求得，则替换预设的偏移量值；

步骤S5：按得到的旋转角度θ转动硅片台，之后重复步骤S1，直至旋转角度θ小于设定的阈值时为止；其中设定的阈值为系统管理员根据具体需要设定的；

所述步骤S3中，选取硅片上标记B1，标记B2两个标记点，由于标记B1和标记B2在硅片坐标系中的坐标为已知的，分别为B1(X1’,Y1’)，B2(X2’,Y2’)，硅片坐标系原点O与工件台坐标系原点的偏移量是X₀₀,Y₀₀；其中偏移量X₀₀,Y₀₀经过系统标定确定；

由此可以获得对准标记B1和对准标记B2在载片台坐标系内的坐标B1(X1,Y1),B2(X2,Y2)；

X1＝X1’+X₀₀,

Y1＝Y1’+Y₀₀,

X2＝X2’+X₀₀,

Y2＝Y2’+Y₀₀

其中X1为对准标记B1在工件台坐标系内的X轴坐标值，Y1为对准标记B1在工件台坐标系内的Y轴坐标值，X2为对准标记B2在工件台坐标系内的X轴坐标值，Y2为对准标记B2在工件台坐标系内的Y轴坐标值，X₀₀为硅片坐标原点在工件台坐标系内的X轴坐标值，Y₀₀为硅片坐标原点在工件台坐标系内的Y轴坐标值；

根据实际测得的对准标记B1(X11,Y11)，B2(X21,Y21)和对准标记B1和对准标记B2的在硅片坐标系中的位置(X1’,Y1’)，(X2’,Y2’)，推导出以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}X11={X_{00}}^{\′}+{X1}^{\′}\cos \mathrm{\θ}-Y^{\′}1\sin \mathrm{\θ}\\ Y11={Y_{00}}^{\′}+{X1}^{\′}\sin \mathrm{\θ}+Y^{\′}1\cos \mathrm{\θ}\\ X21={X_{00}}^{\′}+{X2}^{\′}\cos \mathrm{\θ}-Y^{\′}2\sin \mathrm{\θ}\\ Y21={Y_{00}}^{\′}+{X2}^{\′}\sin \mathrm{\θ}+Y^{\′}2\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

式中X11为对准标记B1在载物台坐标系内实际测得的X坐标值，Y11为对准标记B1在载物台坐标系内实际测得的Y坐标值，X21为对准标记B2在载物台坐标系内实际测得的X坐标值，Y21为对准标记B2在载物台坐标系内实际测得的Y坐标值，X₀₀’为硅片坐标原点在载物台坐标系内的X坐标相对值，Y₀₀’为硅片坐标原点在载物台坐标系内的Y坐标相对值；θ为硅片坐标系相对载物台坐标系的旋转角度；

由以上公式可以初步计算出硅片坐标系与载物台坐标系之间的平移X₀₀’，Y₀₀’和旋转角度θ；如果方程无解，则重复步骤S1，重新选取对准标记点。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无掩模光刻机的对准方法，其特征在于所述的光电耦合成像器件同载物台的位置是相对固定的，其中光电耦合成像器件是CCD相机或四象限探测器。

3.根据权利要求1所述的一种适用于无掩模光刻机的对准方法，其特征在于所述的转向棱镜为一个或多个，其能够将硅片上的对准标记成像在光电耦合成像器件上。

4.根据权利要求1所述的一种适用于无掩模光刻机的的对准方法，其特征在于所述的方法步骤S1中预定的一个标记位置是由对准标记在硅片坐标系中的坐标位置和硅片的坐标零位同载物台的坐标零位之间的偏移量所决定的，该对准标记是硅片上的任一个对准标记。

5.根据权利要求1所述的一种适用于无掩模光刻机的的对准方法，其特征在于所述的方法步骤S2中预定的另一标记位置是由对准标记在硅片坐标系中的坐标位置和硅片的坐标零位同载物台的坐标零位之间的偏移量所决定的，该对准标记是除了步骤S1中选定的对准标记外的任何一个硅片上的对准标记。

6.根据权利要求1所述的一种适用于无掩模光刻机的的对准方法，其特征在于所述的方法步骤S5中指定的最小转角是按操作者的要求提供接口，由操作者个人设定。