CN102998907A - 用于掩模对准的对准信号采集系统及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于掩模对准的信号采集与信号处理系统，其中信号采集系统包括：照明单元，用于提供一激光脉冲；掩模台单元；投影物镜，用以对该掩模标记成像；工件台单元；光强采集单元，用于采集该掩模标记的像扫描过该工件台标记时形成的二维空间像的光强信号；对准操作控制单元，用于接收并处理来自该掩模台单元、工件台单元及光强采集单元的信息以获得一对准位置。本发明提供的信号处理系统，是基于包含最大光强、水平向对准位置、垂向对准位置、二维空间像的像宽和像高等参量的拟合数学模型，运用麦夸托(Marquardt)迭代算法进行迭代拟合，求出对准位置、最大光强值、二维空间像的像宽和像高。

Description

用于掩模对准的对准信号采集系统及对准方法

技术领域

本发明涉及集成电路和/或其他微型器件制造领域的光刻装置，尤其涉及一种用于光刻设备的用于掩模对准的对准信号采集系统及对准方法。

背景技术

光刻机是集成电路加工过程中最为关键的设备。对准是光刻机的主要工艺流程之一，通过掩模、掩模台、硅片、硅片台上的特殊标记确定它们之间的相对位置关系，使掩模图形能够精确的成像于硅片上，实现套刻精度。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一。对准可分为掩模对准和硅片对准，掩模对准实现掩模与工件台的相对位置关系，硅片对准实现硅片与硅片台的相对位置关系。掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素。

在掩模对准扫描过程中，掩模标记成像于硅片标记上，硅片标记下方的传感器检测光强信号。对光强信号进行一系列的数字信号处理，其光强最大值点，即对准点。其信号处理的时间直接影响着对准信号处理的实时性，从而直接影响光刻机的效率。在以往的掩模对准信号处理中，所用的空间像拟合模型是抛物面拟合，这种模型是理想的数学模型。在实际情况中，还有光学部分所引起的畸变。

现有技术中CN200910201611.1给出了一种用于光刻装置的掩模对准系统。该专利中，采用了一维的光强位置高斯拟合数学模型。在这种情况下，只能求出水平向的对准位置，而不能求出垂向的对准位置。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于掩模对准的对准信号采集系统及对准方法，该技术方案提供了更接近实际采样数据的光强与位置关系的拟合数学模型，比以往的抛物线拟合模型更接近实际模型，使运算获得的对准位置更为精确。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于掩模对准的对准信号采集系统，用以实现工件台相对于掩模台位置的确定，包括：照明单元，用于提供一激光脉冲；掩模台单元，该掩模台单元包括：掩模台、掩模台位置测量模块及掩模台控制模块，该掩模台控制模块根据该掩模台位置测量模块所获得的掩模台位置数据移动位于该掩模台上的掩模标记；投影物镜，用以对该掩模标记成像；工件台单元，该工件台单元包括：工件台、工件台位置测量模块及工件台控制模块，该工件台控制模块根据该工件台位置测量模块所获得的工件台位置数据移动位于该工件台上的工件标记，并根据对准扫描参数进行水平及垂向运动；光强采集单元，用于采集该掩模标记的像扫描过该工件台标记时形成的二维空间像的光强信号；对准操作单元，用于接收并处理来自该掩模台单元、工件台单元及光强采集单元的信息以获得一对准位置；该对准操作单元处理该信息采用以下对准信号拟合模型：

$F(x,z)=A\·f\left(z\right)\·e^{{[f\left(z\right)\·\frac{x-x0}{\mathrm{AIX}}]}^2}$

$f\left(z\right)={[1+{\left|\frac{z-z_0}{\mathrm{AIZ}}\right|}^3]}^{-\frac{1}{3}},$ 其中A是光强最大值，x0是水平向对准位置，z0是垂向对准位置，F是该二维空间像的光强信号，AIX是该二维空间像的像宽，AIZ是该二维空间像的像高，x是水平向位置，z是垂向位置。

更进一步地，该光强采集单元包括集成传感器和光强采集板。该集成传感器受该激光脉冲激发后产生可见波长段的荧光。该集成传感器包括光电探测器和放大环节，该荧光经光电探测器转化为一电信号，该电信号经该放大环节进行放大。该光强采集板根据该对准操作单元的时序控制，采集该集成传感器探测到的光强信号。

本发明同时公开一种用于掩模对准的对准信号采集方法，用以实现工件台相对于掩模台位置的确定，包括：利用一激光脉冲照射一掩模标记，该掩模标记经过一投影物镜形成一掩模标记像，该掩模标记像扫描一工件台标记形成一二维空间像；采集该二维空间像的光强信号以及掩模台位置数据工件台位置数据进行信息处理以获得对准位置(x0，z0)，该信息处理采用以下对准信号拟合模型：

$F(x,z)=A\·f\left(z\right)\·e^{{[f\left(z\right)\·\frac{x-x0}{\mathrm{AIX}}]}^2}$

$f\left(z\right)={[1+{\left|\frac{z-z_0}{\mathrm{AIZ}}\right|}^3]}^{-\frac{1}{3}},$ 其中A是光强最大值，F是该二维空间像的光强信号，AIX是该二维空间像的像宽，AIZ是该二维空间像的像高，x是水平向位置，z是垂向位置。

更进一步地，该对准信号拟合模型利用麦夸托(Marquardt)算法进行迭代拟合。该利用麦夸托(Marquardt)算法进行迭代拟合对准信号拟合模型的具体步骤为：

步骤1、对采集的光强进行滤波，归一化等数据信号处理，得光强I(n)；根据掩模台位置和工件台位置信息计算掩模台工件台的相对位置关系，水平向位置x(n)、y(n)和垂向位置z(n)；

步骤2、给拟合模型参数赋初始值，其中水平对准位置x0和垂向对准位置z0的初始值为已知的粗扫描中心，光强最大值A初始值为1，AIX、AIY的初始值为设定参数；

步骤3、对该对准信号拟合模型进行雅克比矩阵J、残差向量R和残差向量平方和Q计算：

$J=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\∂F_1}{\∂x_0}& \frac{\∂F_1}{{\∂z}_0}& \frac{\∂F_1}{\∂A}& \frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{AIZ}}\\ \frac{\∂F_2}{\∂x_0}& \frac{\∂F_2}{\∂z_0}& \frac{\∂F_2}{\∂A}& \frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{AIZ}}\\ M& M& M& M& M\\ \frac{\∂F_n}{\∂x_0}& \frac{\∂F_n}{\∂z_0}& \frac{\∂F_n}{\∂A}& \frac{\∂F_n}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_n}{\∂\mathrm{AIZ}}\end{array}\right],$

R＝(F₁-I₁，F₂-I₂，Λ，F_n-I_n)^T，

Q＝R^T·R；

步骤4、利用麦夸托(Marquardt)算法公式，计算所需拟合参数的迭代增量Δv＝(Δx₀，Δz₀，ΔA，ΔAIX，ΔAIZ)，该麦夸托公式为：(J^T·J+Gradfactor·I)·ΔV＝-(R^T·J)^T，其中Gradfactor为麦夸托因子，给定初始值；

步骤5、计算新的拟合参数V_new＝V+ΔV和新的残差向量平方和Q_new＝Q+ΔQ；

步骤6、判断拟合参数的迭代增量Δv＝(Δx₀，Δz₀，ΔA，ΔAIX，ΔAIZ)，是否超出其物理数据范围，如超出固定范围，则判定出错并结束，判定公式如下：

|x，y|＞阈值1，|z|＞阈值2，|A|＞阈值3，|AIX|＞阈值4，|AIZ|＞阈值5；

步骤7、判断迭代过程中，残差平方和是否逐步减小并且连续两次残差平方和之差达到一定容限之内，若是则迭代结束，若否则进入下一步骤；

步骤8、判断迭代次数N是否超过最大允许迭代次数，若是则迭代结束，若否则进入下一步骤；

步骤9、更新麦夸脱因子，如果本次残差平方和小于上次的，Gradfactor除以10，否则Gradfactor乘以10；

步骤10、将更新后的残差平方和Q_new赋值给Q，更新后的拟合变量V_new赋值给V，返回执行步骤3。

与现有技术相比较，本发明提供一种用于掩模对准的对准信号采集系统及对准方法，不仅能够求出二维空间像的对准位置(x0，z0)和最大光强值A，还能够求出空间像的像宽和像高。本技术方案提供了更接近实际采样数据的光强与位置关系的拟合数学模型。这种拟合模型，它将空间像的像宽与像高也考虑进去，并且运用麦夸托(Marquardt)算法对上述数学模型进行迭代拟合，得出对准位置(x0，z0)、最大光强值A、空间像的像宽和像高。

附图说明

关于本发明的优点可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的对准信号采集系统的结构示意图；

图2是光强与位置的关系示意图；

图3是本发明所涉及的对准信号采集方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明公开一种用于掩模对准的对准信号采集系统，用以实现工件台相对于掩模台位置的确定，包括：照明单元，用于提供一激光脉冲；掩模台单元，由掩模台、掩模台位置测量模块及掩模台控制模块组成，该掩模台控制模块根据该掩模台位置测量模块所获得的掩模台位置数据移动位于该掩模台上的掩模标记；投影物镜，用以对该掩模标记成像；工件台单元，由工件台、工件台位置测量模块及工件台控制模块组成，该工件台控制模块根据该工件台位置测量模块所获得的工件台位置数据移动位于该工件台上的工件标记，并根据对准扫描参数进行水平及垂向运动；光强采集单元，用于采集该掩模标记的像扫描过该工件台标记时形成的二维空间像的光强信号；对准操作控制单元，用于接收并处理来自该掩模台单元、工件台单元及光强采集单元的信息以获得一对准位置。

如图1中所示，图1是本发明所涉及的对准信号采集系统的结构示意图。该对准信号采集系统包括光源1；掩模标记2；掩模3；掩模台4；投影物镜5；工件台对准标记6；支撑工件7；工件台8；集成传感器9；光强采集板10；掩模台位置测量单元11；掩模台控制单元12；工件台位置测量单元13；工件台控制单元14；对准操作控制单元15。光源1提供紫外波长的激光脉冲，透射到掩模台4上的掩模标记2上，形成透射像，该透射像通过投影物镜5成像成空间图案。该空间图案投射到工件台8上的工件台对准标记6。工件台对准标记6下方的集成传感器9检测其透射光强，通过光强采集板10采集光强信息。掩模台位置测量单元11检测掩模台的当前所在位置。工件台位置测量单元13检测工件台的当前所在位置。对准操作控制单元15接受当前的掩模台位置信息、工件台的位置信息和当前的集成传感器9的光强透射信息，根据本文所述的计算位置空间像的算法得出对准位置。通过掩模台控制单元12和工件台控制单元14操控掩模台和工件台的运动。

该光强采集单元包括集成传感器和光强采集板。该集成传感器受该激光脉冲激发后产生可见波长段的荧光。该集成传感器包括光电探测器和放大环节，该荧光经光电探测器转化为一电信号，该电信号经该放大环节进行放大。该光强采集板根据该对准操作单元的时序控制，采集该集成传感器探测到的光强信号。

本发明所提供的对准信号采集系统，即可以求对准位置同时也可以求二维空间像像宽与像高。通过光强采集单元采集的光强信息F与掩模台和工件台的相对位置关系x、z可以用以下的数学模型建模：

$F(x,z)=A\·f\left(z\right)\·e^{{[f\left(z\right)\·\frac{x-x0}{\mathrm{AIX}}]}^2}$

$f\left(z\right)={[1+{\left|\frac{z-z_0}{\mathrm{AIZ}}\right|}^3]}^{-\frac{1}{3}}$ 公式1

在上述数学模型中，变量参数有水平向位置x、垂向位置z。需拟合参数有水平向对准位置x0、垂向对准位置z0、光强最大值A、二维空间像像宽AIX和二维空间像像高AIZ。这种在掩模对准中，关于光强与位置关系数学拟合模型比以往的抛物线拟合模型更接近实际模型，它将空间像的像宽与像高也考虑在内。

图2是光强与位置的关系示意图。在图中圆圈代表实际的光强与位置采样数据。星形点代表根据麦夸托(Marquardt)算法和拟合模型公式1对实际光强位置采样数据进行拟合的结果。其中拟合参数水平向对准位置x0和垂向对准位置z0初始值为对准扫描中心、光强最大值A初始值设为1、二维空间像像宽AIX和二维空间像像高AIZ为固定参数。

采用麦夸托(Marquardt)算法对公式1进行迭代拟合。

以下将结合图3，介绍本发明所涉及的对准信号采集方法。

该用于掩模对准的对准信号采集方法，用以实现工件台相对于掩模台位置的确定，包括：利用一激光脉冲照射一掩模标记，该掩模标记经过一投影物镜形成一掩模标记像，该掩模标记像扫描一工件台标记形成一二维空间像；采集该二维空间像的光强信号以及掩模台位置数据工件台位置数据进行信息处理以获得对准位置(x0，z0)，该信息处理采用公式1作为对准信号拟合模型。该对准信号拟合模型利用Marquardt算法进行迭代拟合。该利用麦夸托(Marquardt)算法进行迭代拟合对准信号拟合模型的具体步骤为：

步骤101，光强采集单元采集光强信息，掩模台位置测量单元11检测当前掩模台位置信息，工件台位置测量单元13检测当前工件台位置信息。

步骤102，对采集的光强进行滤波，归一化等数据信号处理，得光强I(n)。根据掩模台位置和工件台位置信息计算掩模台工件台的相对位置关系，水平向位置x(n)、y(n)和垂向位置z(n)。

步骤103，确定拟合模型公式1中的拟合参数初始值x0、z0、A、AIX和AIZ，其中水平对准位置初始值x0和垂向对准位置初始值z0为已知的扫描中心，光强最大值A初始值为光强归一化后的最大值，一般设为1，二位空间像的像宽AIX和像高AIZ初始值为设定参数。

步骤104，x0、z0、A、AIX和AIZ为所需拟合参数，对拟合模型公式1进行雅克比矩阵J、残差向量R和残差向量平方和Q计算。

$J=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\∂F_1}{\∂x_0}& \frac{\∂F_1}{{\∂z}_0}& \frac{\∂F_1}{\∂A}& \frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{AIZ}}\\ \frac{\∂F_2}{\∂x_0}& \frac{\∂F_2}{\∂z_0}& \frac{\∂F_2}{\∂A}& \frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{AIZ}}\\ M& M& M& M& M\\ \frac{\∂F_n}{\∂x_0}& \frac{\∂F_n}{\∂z_0}& \frac{\∂F_n}{\∂A}& \frac{\∂F_n}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_n}{\∂\mathrm{AIZ}}\end{array}\right]$

R＝(F₁-I₁，F₂-I₂，Λ，F_n-I_n)^T

Q＝R^T·R

步骤105，根据麦夸托(Marquardt)算法，计算所需拟合参数的迭代增量Δv＝(Δx₀，Δz₀，ΔA，ΔAIX，ΔAIZ)。公式2为麦夸托(Marquardt)算法公式，其中Gradfactor为麦夸托因子，给定初始值。

(J^T·J+Gradfactor·I)·ΔV＝-(R^T·J)^T     (公式2)

步骤106，计算新的拟合参数V_new＝V+ΔV和新的残差向量平方和Q_new＝Q+ΔQ。

步骤107，判断拟合参数的迭代增量Δv＝(Δx₀，Δz₀，ΔA，ΔAIX，ΔAIZ)，是否超出其物理数据范围(可设定为机器常数)，如超出固定范围，则判定出错并结束。下列不等式可作为超出范围的判据：

|x，y|＞阈值1，|z|＞阈值2，|A|＞阈值3，|AIX|＞阈值4，|AIZ|＞阈值5

步骤108，在迭代的过程中，当残差平方和逐步减小并且连续两次残差平方和之差达到一定容限之内(可设定为机器常数)，判定迭代结束。否则，继续执行步骤109。结束条件如下所示：0＜Q-Q_new＜tolerance。

步骤109，判断迭代次数N是否超界。在迭代过程中，如果迭代的次数N超过最大允许迭代次数(可设为机器常数)，N＞阈值6，则判定出错并停止迭代。

步骤110，更新麦夸脱因子。为了兼顾稳定稳定性和速度，在迭代的过程中可根据残差平方和的变化趋势对其作动态调整。调整的方法是：如果本次残差平方和小于上次的，Gradfactor除以10，否则Gradfactor乘以10。

步骤111，将更新后的残差平方和Q_new赋值给Q，更新后的拟合变量V_new赋值给V，然后执行104。

Q＝Q_new，  V＝V_new。利用更新后的残差平方和重新进行雅克比矩阵J、残差向量R和残差向量平方和Q计算。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于掩模对准的对准信号采集系统，用以实现工件台相对于掩模台位置的确定，其特征在于，包括：

照明单元，用于提供一激光脉冲；

掩模台单元，所述掩模台单元包括：掩模台、掩模台位置测量模块及掩模台控制模块，所述掩模台控制模块根据所述掩模台位置测量模块所获得的掩模台位置数据移动位于所述掩模台上的掩模标记；

投影物镜，用以对所述掩模标记成像；

工件台单元，所述工件台单元包括：工件台、工件台位置测量模块及工件台控制模块，所述工件台控制模块根据所述工件台位置测量模块所获得的工件台位置数据移动位于所述工件台上的工件标记，并根据对准扫描参数进行水平及垂向运动；

光强采集单元，用于采集所述掩模标记的像扫描过所述工件台标记时形成的二维空间像的光强信号；

对准操作单元，用于接收并处理来自所述掩模台单元、工件台单元及光强采集单元的信息以获得一对准位置；所述对准操作单元处理所述信息采用以下对准信号拟合模型：

$F(x,z)=A\·f\left(z\right)\·e^{{[f\left(z\right)\·\frac{x-x0}{\mathrm{AIX}}]}^2}$

$f\left(z\right)={[1+{\left|\frac{z-z_0}{\mathrm{AIZ}}\right|}^3]}^{-\frac{1}{3}},$ 其中A是光强最大值，x0是水平向对准位置，z0是垂向对准位置，F是所述二维空间像的光强信号，AIX是所述二维空间像的像宽，AIZ是所述二维空间像的像高，x是水平向位置，z是垂向位置。

2.如权利要求1所述的对准信号采集系统，其特征在于，所述光强采集单元包括集成传感器和光强采集板。

3.如权利要求2所述的对准信号采集系统，其特征在于，所述集成传感器受所述激光脉冲激发后产生可见波长段的荧光。

4.如权利要求3所述的对准信号采集系统，其特征在于，所述集成传感器包括光电探测器和放大环节，所述荧光经光电探测器转化为一电信号，所述电信号经所述放大环节进行放大。

5.如权利要求3所述的对准信号采集系统，其特征在于，所述光强采集板根据所述对准操作单元的时序控制，采集所述集成传感器探测到的光强信号。

6.一种用于掩模对准的对准信号采集方法，用以实现工件台相对于掩模台位置的确定，包括：

利用一激光脉冲照射一掩模标记，所述掩模标记经过一投影物镜形成一掩模标记像，所述掩模标记像扫描一工件台标记形成一二维空间像；

采集所述二维空间像的光强信号、掩模台位置数据和工件台位置数据进行信息处理以获得对准位置(x0，z0)，

其特征在于，所述信息处理采用以下对准信号拟合模型：

$F(x,z)=A\·f\left(z\right)\·e^{{[f\left(z\right)\·\frac{x-x0}{\mathrm{AIX}}]}^2}$

$f\left(z\right)={[1+{\left|\frac{z-z_0}{\mathrm{AIZ}}\right|}^3]}^{-\frac{1}{3}},$ 其中A是光强最大值，F是所述二维空间像的光强信号，AIX是所述二维空间像的像宽，AIZ是所述二维空间像的像高，x是水平向位置，z是垂向位置。

7.如权利要求6所述的对准信号采集方法，其特征在于，所述对准信号拟合模型利用麦夸托(Marquardt)算法进行迭代拟合。

8.如权利要求7所述的对准信号采集方法，其特征在于，所述利用麦夸托(Marquardt)算法进行迭代拟合对准信号拟合模型的具体步骤为：

步骤1、对采集的光强进行滤波，归一化等数据信号处理，得光强I(n)；根据掩模台位置和工件台位置信息计算掩模台工件台的相对位置关系，水平向位置x(n)、y(n)和垂向位置z(n)；

步骤2、给拟合模型参数赋初始值，其中水平对准位置x0和垂向对准位置z0的初始值为已知的粗扫描中心，光强最大值A初始值为1，AIX、AIY的初始值为设定参数；

步骤3、对所述对准信号拟合模型进行雅克比矩阵J、残差向量R和残差向量平方和Q计算： $J=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\∂F_1}{\∂x_0}& \frac{\∂F_1}{{\∂z}_0}& \frac{\∂F_1}{\∂A}& \frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{AIZ}}\\ \frac{\∂F_2}{\∂x_0}& \frac{\∂F_2}{\∂z_0}& \frac{\∂F_2}{\∂A}& \frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{AIZ}}\\ M& M& M& M& M\\ \frac{\∂F_n}{\∂x_0}& \frac{\∂F_n}{\∂z_0}& \frac{\∂F_n}{\∂A}& \frac{\∂F_n}{\∂\mathrm{AIX}}& \frac{\∂F_n}{\∂\mathrm{AIZ}}\end{array}\right],$

R＝(F₁-I₁，F₂-I₂，Λ，F_n-I_n)^T，

Q＝R^T·R；

步骤4、利用麦夸托公式，计算所需拟合参数的迭代增量Δv＝(Δx₀，Δz₀，ΔA，ΔAIX，ΔAIZ)，所述麦夸托公式为：(J^T·J+Gradfactor·I)·ΔV＝-(R^T·J)^T，其中Gradfactor为麦夸托因子，给定初始值；

步骤5、计算新的拟合参数V_new＝V+ΔV和新的残差向量平方和Q_new＝Q+ΔQ；

步骤6、判断拟合参数的迭代增量Δv＝(Δx₀，Δz₀，ΔA，ΔAIX，ΔAIZ)，是否超出其物理数据范围，如超出固定范围，则判定出错并结束，判定公式如下：

|x，y|＞阈值1，|z|＞阈值2，|A|＞阈值3，|AIX|＞阈值4，|AIZ|＞阈值5；

步骤7、判断迭代过程中，残差平方和是否逐步减小并且连续两次残差平方和之差达到一定容限之内，若是则迭代结束，若否则进入下一步骤；

步骤8、判断迭代次数N是否超过最大允许迭代次数，若是则迭代结束，若否则进入下一步骤；

步骤9、更新麦夸脱因子，如果本次残差平方和小于上次的，Gradfactor除以10，否则Gradfactor乘以10；

步骤10、将更新后的残差平方和Q_new赋值给Q，更新后的拟合变量V_new赋值给V，返回执行步骤3。

Images