CN106019857B - 一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法 - Google Patents
一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法，与现有技术相比解决了衬底旋转偏差的补偿必须依靠精密运动工作台实现的缺陷。本发明包括以下步骤：套刻标记的确定；套刻标记实际位置的获取；套刻标记理论位置的获取；计算套刻标记实际位置与套刻标记理论位置的映射关系；GDS图形的调整；曝光流程的执行。本发明通过改变分图处理器内的GDS图形来完成套刻曝光的补偿定位，直接由分图处理器对曝光图形进行旋转变换，便可补偿套刻旋转偏差，无需增加高精度转台，衬底自身不产生位移和运动，减少了硬件投入，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及无掩码直写系统技术领域，具体来说是一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法。
背景技术
在半导体光刻领域，套刻精度是描述光刻设备的重要性能指标。套刻的目的是将要曝光的图形成像在衬底上的某一特定位置，而在实际曝光过程中，在衬底被放置到工件台上的过程中，其实际位置与理论位置存在一定偏差，其中包含一种旋转偏差，该偏差描述的是衬底放置的实际位置与理论位置在垂直于投影光轴的平面内的旋转角度。为了保证套刻的精度，必须对这一旋转角度偏差进行补偿。
在无掩模光刻系统中，通常这种特定位置关系的确定首先是获取衬底上的套刻标记在工件台坐标系下的位置，计算衬底实际位置与理论位置的旋转偏差角度，然后通过旋转工件台上的转台来补偿旋转偏差。即现有技术中这种补偿方法必须依靠具有高精度旋转移位功能的精密运动工作台来对衬底的位置进行调整，而原来存放在分图处理器内的GDS图形则不产生任何变化。这种方法完全基于硬件的调整和转台，要求设备具有高精度的转台，从而加大了成本。因此，如何在不变换衬底位置的前提下完成补偿定位已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中衬底旋转偏差的补偿必须依靠精密运动工作台实现的缺陷，提供一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法，无掩膜直写系统包括曝光光源、照明反光镜、照明光束调制系统、可编程数字图形发生器、分图处理器、对准系统、投影物镜、衬底和固定工件台，曝光光源发出的光线经照明反光镜和照明光束调制系统调制后，形成光斑照射到可编程数字图形发生器的表面，经其反射后再经过投影物镜照射到衬底上，其套刻曝光的定位方法包括以下步骤：
套刻标记的确定，将具有套刻标记的衬底放置在固定工件台上，其中衬底上套刻标记的数量大于或等于3个；
套刻标记实际位置的获取，通过对准系统对衬底上所有套刻标记均进行实际位置的获取，获取到第i个套刻标记在固定工件台坐标系下的实际位置坐标W(x′，y′)；
套刻标记理论位置的获取，分图处理器调取预编制的GDS图形以得到所有套刻标记的理论位置，获取预编制的GDS图形中第i个套刻标记的理论位置坐标T(x，y)；
计算套刻标记实际位置与套刻标记理论位置的映射关系，可编程数字图形发生器获取套刻标记实际位置坐标W(x′，y′)和套刻标记的理论位置坐标T(x，y)，计算出套刻标记实际位置与理论位置之间的映射关系；
GDS图形的调整，可编程数字图形发生器将映射关系发给分图处理器，分图处理器将要曝光的GDS图形中的理论位置均按映射关系计算出其在衬底上的实际位置，根据GDS图形的实际位置形成新的曝光图形；
曝光流程的执行，分图处理器将新的曝光图形传给可编程数字图形发生器，可编程数字图形发生器根据新的曝光图形确定曝光起始点并执行曝光流程。
所述的计算套刻标记实际位置与套刻标记理论位置的映射关系包括以下步骤：
定义套刻标记的实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置T(x，y)之间的平移量D、旋转量R和缩放量S，其中：
平移量D的计算公式如下：
旋转量R的计算公式如下：
缩放量S的计算公式如下：
对实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置T(x，y)基于平移量D、旋转量R和缩放量S进行坐标点的转换，获得转换关系，表示如下：
其中，F＝S*R；
或
将实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置T(x，y)的转换关系扩展为一个标准的仿射矩阵，其表示如下：
对仿射矩阵进行求解，得到最优解为变换矩阵，变换矩阵表示如下：
此变换矩阵为套刻标记实际位置与理论位置之间的映射关系。
有益效果
本发明的一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法，与现有技术相比通过改变分图处理器内的GDS图形来完成套刻曝光的补偿定位，直接由分图处理器对曝光图形进行旋转变换，便可补偿套刻旋转偏差，无需增加高精度转台，衬底自身不产生位移和运动，减少了硬件投入，降低了生产成本。具有经济实用、成本低廉的特点。
附图说明
图1为现有技术中无掩膜直写系统的工作原理图；
图2为现有技术中套刻的说明示意图；
图3为本发明的方法顺序图；
其中，1-曝光光源、2-照明反光镜、3-照明光束调制系统、4-可编程数字图形发生器、5-分图处理器、6-对准系统、7-投影物镜、8-衬底、9-固定工件台、10-套刻标记、11-下图层、12-上图层。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，现有技术中的无掩膜直写系统包括曝光光源1、照明反光镜2、照明光束调制系统3、可编程数字图形发生器4、分图处理器5、对准系统6、投影物镜7、衬底8和固定工件台9。其中，曝光光源1采用波长为405nm的LED，可编程数字图形发生器4可以在分图处理器5的控制下生成预编制的任意图形。上述无掩模光刻直写系统的工作过程为：照明光源1发出的光线经照明反光镜2和照明光束调制系统3调制后，形成一定形状的光斑照射到可编程数字图形发生器4的表面，经其反射后再经过投影物镜7照射到衬底8上。因此，可编程数字图形发生器4通过反射照明光束，最终将其生成的图形成像在衬底8上。其中，可编程数字图形发生器4上生成的图形是由分图处理器5提前进行预处理控制。
如图2所示，套刻是指将两层或者多层图形分别曝光在同一衬底上，所述的多层图形之间有着确定的位置关系。下图层11和上图层12是需要分两次曝光到同一衬底上的图形，具有特征图形的套刻标记10在曝光前已经形成于衬底上，且下图层11、上图层12与套刻标记10之间存在唯一确定的位置关系，唯一确定的位置关系是在预编制的GDS图形中获取的。
如图3所示，本发明所述的一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法包括以下步骤：
第一步，套刻标记的确定。将具有套刻标记的衬底8放置在固定工件台9上，其中衬底8上套刻标记的数量大于或等于3个，套刻标记为被对准系统6识别的特征图形。
第二步，套刻标记实际位置的获取。通过对准系统6按现有技术的方法对衬底8上所有套刻标记均进行实际位置的获取，获取到第i个套刻标记在固定工件台9坐标系下的实际位置坐标W(x′，y′)。如，在对准过程中测得的坐标(Wafer坐标系)可以分别为Mark1(x’1，y’1)，Mark2(x’2，y’2)，Mark3(x’3，y’3)，…，Markn(x’n，y’n)。
第三步，套刻标记理论位置的获取。分图处理器5调取预编制的GDS图形以得到所有套刻标记的理论位置，获取预编制的GDS图形中第i个套刻标记的理论位置坐标T(x，y)。如对准标记中心的理论(GDS坐标系)坐标：Mark1(x1，y1)，Mark2(x2，y2)，Mark3(x3，y3)，…，Markn(xn，yn)，其分布根据实际图形布置确定，一般是充分考虑衬底的利用面积，同时标记也不一定为对称分布。
第四步，计算套刻标记实际位置与套刻标记理论位置的映射关系。可编程数字图形发生器4获取套刻标记实际位置坐标W(x′，y′)和套刻标记的理论位置坐标T(x，y)，计算出套刻标记实际位置与理论位置之间的映射关系。其具体包括以下步骤：
(1)定义套刻标记的实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置T(x，y)之间的平移量D、旋转量R和缩放量S，在实际应用中关于套刻过程中只考虑层间的平移量D、旋转量R和缩放量S的影响，旋转量R即为旋转角度θ。其中：
平移量D的计算公式如下：
旋转量R的计算公式如下：
缩放量S的计算公式如下：
(2)对实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置T(x，y)基于平移量D、旋转量R和缩放量S进行坐标点的转换，获得转换关系。表示如下：
其中，F＝S*R。由线性回归表示如下：
或
(3)为了方便描述和计算，将实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置T(x，y)的转换关系扩展为一个标准的仿射矩阵，其表示如下：
(4)对仿射矩阵进行求解，得到最优解为变换矩阵。由此可以发现，针对此仿射矩阵只需要在图2中取3对或更多对的套刻标记10，则可组成一个正定或超定方程组。变换矩阵表示如下：
此变换矩阵为套刻标记实际位置与理论位置之间的映射关系。
第五步，GDS图形的调整。可编程数字图形发生器4将映射关系发给分图处理器5，分图处理器5将要曝光的GDS图形中的理论位置均按映射关系计算出其在衬底8上的实际位置，根据GDS图形的实际位置形成新的曝光图形。
在此本发明使用的原理是，通过衬板上的套刻标记10能够得出套刻标记实际位置与理论位置，计算出两者的映射关系即变换矩阵后。针对已存在分图处理器5中的原GDS图形，则可以根据此变换矩阵(映射关系)进行计算，从而实现调整，得到新的曝光图形。而新的曝光图形为针对衬板位置产生位移变化后的图形，由此避免了对衬底的移动需要，衬底不需要移动，也就不需要精密运动工件台的使用，降低了硬件成本。
第六步，曝光流程的执行。分图处理器5将新的曝光图形传给可编程数字图形发生器4，可编程数字图形发生器4根据新的曝光图形确定曝光起始点并执行曝光流程。
本发明在硬件上无需高精度转台的设计，只需要将旋转的变换矩阵(映射关系)传给分图处理器5，分图处理器5将要曝光的GDS图形绕着GDS坐标系的原点旋转相应的角度后，驱动可编程数字图形发生器4生成新的图形，便可对旋转偏差进行补偿。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (2)
1.一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法，无掩膜直写系统包括曝光光源(1)、照明反光镜(2)、照明光束调制系统(3)、可编程数字图形发生器(4)、分图处理器(5)、对准系统(6)、投影物镜(7)、衬底(8)和固定工件台(9)，曝光光源(1)发出的光线经照明反光镜(2)和照明光束调制系统(3)调制后，形成光斑照射到可编程数字图形发生器(4)的表面，经其反射后再经过投影物镜(7)照射到衬底(8)上，其特征在于，其套刻曝光的定位方法包括以下步骤：
11)套刻标记的确定，将具有套刻标记的衬底(8)放置在固定工件台(9)上，其中衬底(8)上套刻标记的数量大于或等于3个；
12)套刻标记实际位置的获取，通过对准系统(6)对衬底(8)上所有套刻标记均进行实际位置的获取，获取到第i个套刻标记在固定工件台(9)坐标系下的实际位置坐标Wi(x',y')；
13)套刻标记理论位置的获取，分图处理器(5)调取预编制的GDS图形以得到所有套刻标记的理论位置，获取预编制的GDS图形中第i个套刻标记的理论位置坐标Ti(x,y)；
14)计算套刻标记实际位置与套刻标记理论位置的映射关系，可编程数字图形发生器(4)获取套刻标记实际位置坐标W(x′，y′)和套刻标记的理论位置坐标T(x，y)，计算出套刻标记实际位置与理论位置之间的映射关系；
15)GDS图形的调整，可编程数字图形发生器(4)将映射关系发给分图处理器(5)，分图处理器(5)将要曝光的GDS图形中的理论位置均按映射关系计算出其在衬底(8)上的实际位置，根据GDS图形的实际位置形成新的曝光图形；
16)曝光流程的执行，分图处理器(5)将新的曝光图形传给可编程数字图形发生器(4)，可编程数字图形发生器(4)根据新的曝光图形确定曝光起始点并执行曝光流程。
2.根据权利要求1所述的一种基于无掩膜直写系统套刻曝光的定位方法，其特征在于，所述的计算套刻标记实际位置与套刻标记理论位置的映射关系包括以下步骤：
21)定义套刻标记的实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置坐标T(x，y)之间的平移量D、旋转量R和缩放量S，其中：
平移量D的计算公式如下：
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旋转量R的计算公式如下：
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缩放量S的计算公式如下：
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22)对实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置坐标T(x，y)基于平移量D、旋转量R和缩放量S进行坐标点的转换，获得转换关系，表示如下：
其中，F＝S*R；
或
23)将实际位置坐标W(x′，y′)与理论位置坐标T(x，y)的转换关系扩展为一个标准的仿射矩阵，其表示如下：
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24)对仿射矩阵进行求解，得到最优解为变换矩阵，变换矩阵表示如下：
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此变换矩阵为套刻标记实际位置与理论位置之间的映射关系。
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