CN102789137A - 一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，采用适用于接近接触式光刻对准的反射式光路系统，该装置包括对准照明系统、半反半透镜、掩模板、掩模光栅标记、硅片光栅标记、硅片、位移工件台、条纹接收系统和计算机，对准照明系统将对准平行光以45°角入射到半反半透镜上，半反半透镜将对准平行光反射到掩模板上的光栅标记发生衍射，衍射光继续传播入射到硅片上的光栅标记发生衍射，从而使掩模光栅标记与硅片光栅标记叠加，反射光继续传播通过半反半透镜，条纹成像系统接收对准条纹图像，图像经过计算机分析处理获取掩模板硅片的位移关系，并实时反馈给位移工件台实现x、y两个方向的对准。

Description

一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置

技术领域

本发明属于接近接触式光刻技术领域，特别涉及一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置。

背景技术

光刻技术的研究与开发在集成电路技术的制造中起着极其重要的作用，不断缩小的特征尺寸推动着分辨力不断提高。此外，纳米器件的制造作为纳米技术的基础，离不开高分辨力的光刻技术。作为光学元件的主要加工手段，光学微纳加工技术促进了纳米科技的飞速发展。

下一代光刻技术，如极紫外光刻、电子束光刻、离子束光刻、X射线光刻、纳米压印光刻技术等，已经成为当前国际国内光刻相关生产与科研单位的研究热点。与此同时，一些独具特色的、分辨力可以实现100nm以下的纳米光刻新技术，如干涉光刻、原子力光刻、表面等离子体光学光刻、波带片阵列光刻等先后在国际国内开始问世。如今，193nm ArF浸没式光刻技术已经突破32nm线宽并且望延伸至下一技术节点。但是，仅仅依靠缩短波长和增大数值孔径的光学光刻方法面临着技术上的极大困难，特别是32nm节点下光刻设备所需的巨额成本已经成为该领域的巨大难题。目前，纳米压印光刻的最高分辨力据报导已经达到5nm-10nm；实验结果表明表面等离子体光学光刻的分辨力已经可达30nm；软X射线光刻分辨力已达到15nm。因此，下一代低成本、高性能的纳米光刻技术已成为人们的关注焦点。

在光刻工艺过程中，套刻误差是导致加工缺陷最主要的因素。对准技术作为光刻的三大关键技术之一，一般要求精度为特征尺寸的1/5左右。因此，随着光刻分辨力的提高，对准精度要求也越来越苛刻，已经从亚微米量级进入到10nm以下。随之而来，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。

发明内容

本发明要解决的技术问题：根据接近接触式光刻的特点，为了满足这类光刻技术发展的需要，解决图形复制过程中，套刻对准的关键性问题，本发明的目的是将莫尔条纹应用到光刻对准中，为此，本发明旨在提供一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置。该装置分别在掩模板与硅片上设计排列位置顺序相反的、周期相近的两组光栅标记，通过掩模板与硅片上的光栅标记叠加形成的莫尔条纹，分析其相位获取掩模板与硅片的相对位置信息。

为达成所述目的，本发明提供基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，该装置采用适用于接近接触式光刻对准的反射式光路系统，该装置包括对准照明系统、半反半透镜、掩模板、掩模光栅标记、硅片光栅标记、硅片、位移工件台、条纹接收系统和计算机；

对准照明系统输出对准平行光；

半反半透镜的反射面与对准照明系统的输出面呈45°放置，半反半透镜接收对准平行光，并输出对准反射光；

掩模板的上表面与半反半透镜反射面呈45°角放置，掩模板接收半反半透镜的对准反射光，并将对准反射光在掩模光栅标记上发生衍射生成并输出第一衍射光；

硅片与掩模板相互平行放置，硅片接收第一衍射光，并在硅片上的光栅标记继续发生衍射生成并输出第二衍射光，从而使掩模光栅标记与硅片光栅标记叠加生成衍射后的反射光；半反半透镜的反射面接收并继续传播的衍射后反射光，半反半透镜的透射面输出衍射后的透射光；

条纹成像系统与半反半透镜的透射面呈45°角放置，用于接收衍射后的透射光，将衍射后的透射光生成并输出对准条纹图像；

计算机与条纹成像系统连接，计算机对准条纹图像做分析处理，获取掩模板与硅片的位移关系，并实时反馈给位移工件台实现x、y两个方向的对准。

优选实施例，对准反射光通过掩模光栅标记，并继续透射在硅片光栅标记发生衍射叠加，然后继续反射透过掩模光栅标记，最后形成包含掩模板和硅片相对位置信息莫尔条纹。

优选实施例，所述对准照明系统等价于对准反射光经过了三个光栅标记，形成了复杂的条纹图像，

优选实施例，掩模板与硅片的相对位置信息，是以莫尔条纹的相位为载体，用于实现对准。

优选实施例，采用差动莫尔条纹对准技术，分别在掩模板和硅片上设置排列顺序相反的光栅对准标记，用于实现x、y两个方向的对准。

本发明的基本原理在于：根据接近接触式光刻技术的技术特性，分别在掩模板与硅片上设计两组排列顺序相反、具有微小周期差异的光栅对准标记。采用可行而实用的反射式光刻对准光路，实现掩模板与硅片相对位置的探测。对准照明系统采用多波长的白光光源，减少了对准照明系统在硅片表面的干涉效应，以此减小对准照明系统对对准精度的影响。掩模板与硅片的位置信息，以光栅标记叠加形成的莫尔条纹相位信息为载体，采用傅里叶变换提取相位，得到掩模板与硅片的相对位置信息，并实时反馈给工件台实现对准。

本发明的特点与优势：

(1)本发明的装置采用反射式光路，具有较强的实用性。

(2)本发明分别在掩模板与硅片上设计两组排列顺序相反、具有微小周期差异的光栅对准标记，形成的莫尔条纹对位移具有明显的放大作用。

(3)本发明对准照明系统采用多波长的白光光源，减少了对准照明系统在硅片表面的干涉效应，以此减小对准照明系统对对准精度的影响。

(4)本发明掩模板与硅片的位置信息，以光栅标记叠加形成的莫尔条纹相位信息为载体，条纹成像系统接收的莫尔条纹，利用傅里叶相位分析方法解调并提取相位，具有很高的信噪比和对准精度。莫尔条纹的周期和位置对掩模板与硅片之间的间隔变化不敏感，对准照明系统的强度变化和波长不影响条纹的相位信息，也不影响对准。该装置将掩模板和硅片标记光栅的相对位置关系反映在莫尔条纹的相位信息中的方法将具有很好的抗干扰能力。整个对准系统等价于对准反射光经过了三个光栅标记，形成了更复杂的条纹图像，与透射式对准系统相比，需要更合理的图像处理方法，但具有更强的实用性。掩模板与硅片的相对位置信息，是以莫尔条纹的相位为载体，具有很好的信噪比，可以实现高精度对准。

附图说明

图1是本发明基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置示意图；

图2a-图2b分别是掩模板上探测x、y两个方向上的光栅对准标记；

图3a-图3b是硅片上的探测x、y两个方向上的光栅对准标记；

图4a-图4b分别是线光栅实现x方向的未对准和对准的图样；

图5a-图5b分别是线光栅实现y方向的未对准和对准的图样；

具体实施方式

本发明旨在提供一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，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。

针对接近接触式光刻技术的技术特点，发明了一种实用的光刻对准装置。该装置采用差动莫尔条纹对准技术，以莫尔条纹相位为对准信号的载体，可以实时反映掩模板与硅片的相对位置关系。通常在掩模板和硅片上分别设计两组位置相反的光栅对准标记，当一束经准直的平行光通过掩模板对准标记后，衍射光继续传播入射到硅片对准标记发生干涉并反射，反射光穿过掩模光栅对准标记再次衍射，条纹成像系统在掩模板获取接收干涉叠加得到的莫尔条纹图像，经过条纹图像分析，得到掩模板与硅片的相对位置关系，依次反馈给位移工件台实现对准。同时，设计了合理的标记可以实现横纵两个方向的对准偏差测量。

如附图1所示，本发明提供的一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，该装置包括对准照明系统110、半反半透镜111、掩模板112、掩模光栅标记113、硅片光栅标记114、硅片115、位移工件台116、条纹接收系统117以及计算机118。

对准照明系统110的波长选择为635nm的氦氖激光器，掩模光栅标记113的周期分别为P₁＝4μm，P₂＝4.4μm，硅片光栅标记114的周期分别P₁＝4μm，P₂＝4.4μm，条纹接收系统117包括型号为WAT902H2的CCD(WAT902H2仅为CCD的型号)，其分辨率为795×596pixels，像素单元大小为8.4μm×9.6μm并采用8×放大物镜，计算机118选用内存4G、主频2.5GHz、携带图像分析软件的计算机。

对准执行过程中，对准照明系统110输出对准平行光；半反半透镜111的反射面与对准照明系统110的输出面呈45°放置，半反半透镜111接收对准平行光，并输出对准反射光；掩模板112的上表面与半反半透镜111反射面呈45°角放置，掩模板112接收半反半透镜111的对准反射光，并将对准反射光在掩模光栅标记113上(如图2a和图2b)发生衍射生成并输出第一衍射光；硅片115与掩模板112相互平行放置，硅片115接收第一衍射光，并在硅片115上的光栅标记114(如图3a和图3b)继续发生衍射生成并输出第二衍射光，从而使掩模光栅标记113与硅片光栅标记114叠加生成衍射后的反射光；半反半透镜111的反射面接收并继续传播的衍射后反射光，半反半透镜111的透射面输出衍射后的透射光；条纹成像系统117与半反半透镜111的透射面呈45°角放置，用于接收衍射后的透射光，将衍射后的透射光生成并输出对准条纹图像；计算机118与条纹成像系统117连接，计算机118对准条纹图像做分析处理，获取掩模板112与硅片115的位移关系，并实时反馈给位移工件台116实现x、y两个方向的对准。

如图2a、图2b示出是掩模板上探测x、y两个方向上的光栅标记113，本发明装置在实现对准时，首先打开对准照明系统110，将对准平行光经过半反半透镜111反射到掩模光栅标记113上；对准平行光透过掩模光栅标记113，继续传播，与硅片光栅标记114(如图3a、图3b所示)发生干涉叠加，然后反射返回到掩模光栅对准标记113。最后，对准平行光透过掩模光栅标记113后，条纹成像系统117接收对准莫尔条纹图像。其中，图2a、图2b、图3a以及图3b中P₁＝4μm，P₂＝4.4μm指光栅对准标记的周期，一般(P₂/P₁)∈(1，1.2]。并且图2a、图2b、图3a以及图3b中都是由周期为P₁＝4μm，P₂＝4.4μm的两个光栅拼接而成。图2a、图2b是刻蚀在掩模112上的光栅对准标记；图3a和图3b刻蚀在硅片115上的光栅对准标记，刻蚀位置见图1。图2a与图3a光栅对准标记排列顺序相反，实现y方向上的对准。同样，图3a和图3b光栅对准标记排列顺序相反，实现x方向上的对准。

图4a、图4b、图5a、图5b分别反映了x、y两个方向的对准状态的莫尔条纹图像。对准过程中，当掩模板112的位置保持固定，通过计算机118控制工件台116实现硅片115与掩模板112对准。条纹成像系统117实时接收莫尔条纹图像，通过设计好的相位解析算法提取相位，得到当前掩模板112与硅片115的相对位置关系，并实时反馈给工件台116移动硅片115逐步实现掩模板112与硅片115之间的对准。

其中图4a-图4b分别反映了条纹成像系统117接收的x方向上的未对准与完全对准对应的莫尔条纹；

x方向上，当掩模板112与硅片115的相对位移为Δx，对应图4a中的莫尔条纹，对图4a中上下两组莫尔条纹进行相位解析，掩模板112与硅片115的相对位移可以表示为

Δx＝(Δφ_{up_down}/2π)×(P_a/2)    (1)

上式中P_a＝2×P₁P₂/(P₁+P₂)表示上下两组光栅标记P₁、P₂的平均周期P_a，Δφ_{up_down}表示上下两组莫尔条纹的相位差。

x方向上，当掩模板与硅片115的相对位移为零时，亦即上下两组莫尔条纹的相位差为零时，表示掩模板112与硅片115在x方向上处于完全对准状态。此时的莫尔条纹如图4b所示。

图5a-图5b分别反映了条纹成像系统117接收的y方向上的未对准与完全对准对应的莫尔条纹；

当y方向上，掩模板112与硅片115的相对位移为Δy，对应图5a中的莫尔条纹，对图5a中左右两组莫尔条纹进行相位解析，掩模板112与硅片115的相对位移可以表示为

Δy＝(Δφ_{left_right}/2π)×(P_av/2)    (2)

上式中P_a＝2×P₁P₂/(P₁+P₂)表示左右两组光栅标记P₁，P₂的平均周期P_a，Δφ_{left_right}表示左右两组莫尔条纹的相位差。

当y方向上，当掩模板112与硅片115的相对位移为零时，亦即上下两组莫尔条纹的相位差为零时，表示掩模板112与硅片115在y方向上处于完全对准状态。此时的莫尔条纹如图5b所示。

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 (5)

1.一种基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，其特征在于：该装置采用适用于接近接触式光刻对准的反射式光路系统，该装置包括对准照明系统、半反半透镜、掩模板、掩模光栅标记、硅片光栅标记、硅片、位移工件台、条纹接收系统和计算机；

对准照明系统输出对准平行光；

半反半透镜的反射面与对准照明系统的输出面呈45°放置，半反半透镜接收对准平行光，并输出对准反射光；

掩模板的上表面与半反半透镜反射面呈45°角放置，掩模板接收半反半透镜的对准反射光，并将对准反射光在掩模光栅标记上发生衍射生成并输出第一衍射光；

硅片与掩模板相互平行放置，硅片接收第一衍射光，并在硅片上的光栅标记继续发生衍射生成并输出第二衍射光，从而使掩模光栅标记与硅片光栅标记叠加生成衍射后的反射光；半反半透镜的反射面接收并继续传播的衍射后反射光，半反半透镜的透射面输出衍射后的透射光；

条纹成像系统与半反半透镜的透射面呈45°角放置，用于接收衍射后的透射光，将衍射后的透射光生成并输出对准条纹图像；

计算机与条纹成像系统连接，计算机对准条纹图像做分析处理，获取掩模板与硅片的位移关系，并实时反馈给位移工件台实现x、y两个方向的对准。

2.如权利要求书1所述的基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，其特征在于：对准反射光通过掩模光栅标记，并继续透射在硅片光栅标记发生衍射叠加，然后继续反射透过掩模光栅标记，最后形成包含掩模板和硅片相对位置信息莫尔条纹。

3.如权利要求书1所述的基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，其特征在于：所述对准照明系统等价于对准反射光经过了三个光栅标记，形成了复杂的条纹图像。

4.如权利要求书1所述的基于莫尔条纹的反射式光刻对准装 置，其特征在于：掩模板与硅片的相对位置信息，是以莫尔条纹的相位为载体，用于实现光刻对准。

5.如权利要求书1所述的基于莫尔条纹的反射式光刻对准装置，其特征在于：采用差动莫尔条纹对准技术，分别在掩模板和硅片上设置排列顺序相反的光栅对准标记，用于实现x、y两个方向的对准。 

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