CN112859545A - 一种曝光镜头的位置标定装置及其标定方法 - Google Patents

一种曝光镜头的位置标定装置及其标定方法 Download PDF

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CN112859545A CN202110186041.4A CN202110186041A CN112859545A CN 112859545 A CN112859545 A CN 112859545A CN 202110186041 A CN202110186041 A CN 202110186041A CN 112859545 A CN112859545 A CN 112859545A
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Abstract

一种曝光镜头的位置标定装置，用于确定直写式光刻设备的曝光镜头的位置坐标，包括安装于光刻设备的运动平台上的四象限光电探测器和位于四象限光电探测器上方的光罩，光罩至少对应于四象限光电探测器的一个象限设置有周期性分布的透光部与不透光部。通过曝光镜头产生相应的光斑并移动四象限光电探测器来确定曝光镜头的位置。通过设置周期性分布的透光部和不透光部能够使得四象限光电探测器在光斑下移动相同的距离，透射到探测器的光能则成比例的增加，提高了检测灵敏度。

Description

一种曝光镜头的位置标定装置及其标定方法
技术领域
本发明涉及光刻技术领域，具体是一种曝光镜头的位置标定装置及其标定方法。
背景技术
光刻技术是用于在基底表面上印刷具有特征的构图，基底可用于制造半导体器件、集成芯片、显示器、电路板等。通常光刻技术分为掩模式光刻和直写式光刻，掩模式光刻由于需要根据不同的曝光图形制作不同的掩模板，并且掩模板制作精度要求高、周期长，难以满足日益增长的应用需求量的提升。而基于数字微镜器件的直写式光刻能够灵活的实现不同图形的转印，工艺相对简单且成本较低，正广泛应用于PCB板、半导体器件的电路制作。直写式光刻通过数字微镜器件对光束调制，然后经曝光镜头投射至随运动平台行进的基底上形成图形条带，多组镜头在基底上形成的不同图形条带拼接形成完整的图形。其中，曝光镜头的位置标定精度直接影响到直写光刻时图形条带拼接的精确程度，因此曝光镜头的位置标定是直写光刻设备曝光时不可或缺的一步。现有的直写式光刻设备在进行曝光镜头位置标定时主要有以下两种方式：
其一，如CN111221224A中所公开的，通过曝光镜头在感光标尺上曝光一系列标记点，然后通过相机获取所曝光的各点的坐标从而得到对应镜头的位置坐标，此种方式由于在感光标尺上所曝光的标记点的边缘会随时间变的模糊，相机抓取时容易产生较大误差，无法满足超高精度的光刻要求。
其二，通过将能量探测器置于曝光镜头下，曝光镜头产生光斑，通过移动能量探测器使得其检测值达到平衡。在位置精度要求不高时，常规的能量探测器的灵敏度基本能够满足要求，但对于高精度的光刻场景，对能量探测器的灵敏度要求很高。如对于整体有效感光尺寸为300um的能量探测器，探测的能量峰值为10mW,若要达到0.3um的检测精度，能量探测器需要极高的灵敏度，要能够检测出约0.01mW的光能变化，这对能量探测器的设计与制作要求十分严苛，导致成本极高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种曝光镜头的位置标定装置及其标定方法以渐弱或克服上述现有技术中的问题与缺陷。
为实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种曝光镜头的位置标定装置，用于确定直写式光刻设备的曝光镜头的位置坐标，包括安装于所述光刻设备的运动平台上的四象限光电探测器和位于所述四象限光电探测器上方的光罩，所述光罩至少对应于所述四象限光电探测器的一个象限设置有周期性分布的透光部与不透光部。
优选地，所述光罩划分为均等的四个象限，四个象限通过分界线隔开，分界线的交点为光罩中心，每个象限内均包括周期性分布的透光部和不透光部。
优选地，所述光罩安装在所述四象限光电探测器上方，使得在垂直光罩面的方向上，所述分界线与所述四象限光电探测器的盲区重合。
优选地，所述透光部和不透光部呈条纹状或者方格状。
优选地，所述光罩上每个象限内的透光部和不透光部呈N*N的方格形式相间分布，N为大于1的整数。
优选地，光罩上每个象限内的透光部和不透光部呈平行的条纹形式相间分布，并且至少有一个条纹平行于X方向分布的象限和一个条纹平行于Y方向分布的象限。
优选地，所述透光部与不透光部的尺寸根据四象限光电探测器的感光尺寸与所需的灵敏度确定。
根据本发明的另一方面，还提供了确定曝光镜头中心位置的方法，曝光镜头对应所述光罩投射明暗相间的图形光斑；通过检测一个象限的读数确定曝光镜头中心位置，该象限为重合象限，根据该象限内读数最大时的位置获得曝光镜头中心位置；
或通过检测两个象限的读数确定曝光镜头中心位置，其中一个象限为重合象限，另一个象限为错位象限，根据重合象限和错位象限的读数的差值最大时的位置获得曝光镜头中心位置。
根据本发明的又一方面，还提供了曝光镜头位置标定方法，1）、控制运动平台移动至对位系统处，通过对位系统获取光罩中心的初始位置坐标（X’,Y’），控制系统确定此时运动平台的初始坐标为（X0,Y0）；2）、曝光镜头产生明暗相间的图形光斑；3）、运动平台移至曝光镜头处，使得四象限光电探测器大致位于任一待标定的曝光镜头下；4）、保持运动平台Y轴坐标不动，沿X方向移动运动平台，移动过程中控制系统在四象限光电探测器内选择任一重合象限作为第一检测象限，选择任一错位象限作为第二检测象限，实时获得第一检测象限与第二检测象限的读数的差值，确定差值最大时的运动平台的X轴坐标X1；5）、保持运动平台X轴坐标不动, 沿Y方向移动运动平台，移动过程中控制系统在四象限光电探测器内选择任一重合象限作为第三检测象限，选择任一错位象限作为第四检测象限，实时获得第三检测象限与第四检测象限的读数的差值，确定差值最大时的运动平台的Y轴坐标Y1；6）、根据光罩中心的初始坐标（X’,Y’）、运动平台的初始坐标（X0,Y0）和读数差值最大时的坐标（X1，Y1）确定曝光镜头的位置坐标。
优选地，所述明暗相间的图形光斑内部划分为四个象限，每个象限内明暗分布形式根据光罩上对应象限内透光部和不透光部的分布形式而定。
优选地，所述重合象限是指光斑上的明暗分布与光罩上的透光部与不透光部一一对应的象限，所述错位象限是指光斑上的明暗分布与光罩上的透光部与不透光部错位对应的象限。
优选地，当所述透光部和不透光部呈条纹形式分布时，步骤4中所述重合象限和所述错位象限中至少一个是条纹平行于Y方向分布的象限，步骤5中所述重合象限和所述错位象限中至少一个是条纹平行于X方向分布的象限。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：通过在四象限光电探测器的上方设置光罩，利用光罩上周期性分布的透光部和不透光部以及曝光镜头产生与光罩上透光部与不透光部相对应的明暗相间的图形光斑，使得透射到四象限光电探测器的光能够翻倍的变化，便于测量其变化量，降低对探测器硬件的设计要求；此外通过对光罩上透光部与不透光部的尺寸改变，可灵活的改变所需的灵敏度，能够满足不同场景的应用需求。
附图说明
图1为本发明示例性光刻设备示意图。
图2为示例性的四象限光电探测器示意图。
图3为示例性的方格阵形式光罩示意图。
图4为示例性的方格阵形式光斑示意图。
图5为示例性的条纹形式光罩和光斑示意图。
图6为示例性的单象限光罩和光斑示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于穷举本发明的所有可行方式，更不是用于限制本发明的具体实施范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”、“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述或简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造、安装及操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1示出了本领域常见的直写式光刻设备简图，该光刻设备至少包括曝光系统1、对位系统2、运动平台3、控制系统（图中未示出）。其中，曝光系统至少包括多个曝光镜头，控制系统能够控制运动平台沿XYZ三个方向移动并获得运动平台的实时位置坐标。待加工的基件放置于运动平台上，控制运动平台移动至对位系统处进行基件的对位以确认基件的位置信息，然后运动平台移动至曝光镜头处进行光刻，控制系统会根据事先确定的曝光镜头的位置进行图形处理，曝光镜头投射图形光束到运动平台，控制系统控制运动平台在曝光镜头下运动以在基件上完成图形的扫描与拼接。
为了标定曝光镜头的位置，光刻设备进一步包括有能量探测器。优选地，能量探测器选用四象限光电探测器。四象限光电探测器利用半导体光伏效应工作，每个象限都可看成一个独立的光电二极管。如图2所示，四象限光电探测器划分为4个象限，每个象限作为一个独立的光敏面4，即图中第一象限A、第二象限B、第三象限C、第四象限D四个光敏面，每个光敏面完全一致，且被盲区5隔离。其确定位置的具体原理为：当光斑6照射到光敏面4上时，各象限根据区域内所接收的光能量产生相应大小的光电流，假设光斑在四个象限内的光能量分别为Ia、Ib、Ic、Id，各象限读数即反应各自象限内的光电流，分别为ia、ib、ic、id，当ia减ib等于id减ic时，证明光斑被Y方向盲区平分；当ib减ic等于ia减id时，证明光斑被X方向盲区平分；当同时满足ia减ib等于id减ic且ib减ic等于ia减id时，光斑中心a和四象限光电探测器中心O重合。通过移动光斑或者移动四象限光电探测器使得光斑中心与探测器中心重合，即可确定光斑中心的位置。
本发明为降低位置标定时对四象限光电探测器灵敏度的要求，进一步设置了配合四象限光电探测器使用的光罩，光罩划分为面积均等的四个象限，四个象限通过分界线7隔开，分界线的交点为光罩中心，每个象限内包括周期性分布的透光部8和不透光部9，透光部8能够让光透射，不透光部9则阻挡光的透射。进一步的，将光罩安装在四象限光电探测器的上方，使得在垂直光罩面的方向上，光罩的分界线7与四象限光电探测器的盲区5重合，然后将四象限光电探测器固定于运动平台上。光罩可直接通过连接件固定在四象限光电探测器上，也可通过连接件安装在运动平台上悬在四象限光电探测器的上方。
当需要进行位置标定时，每个曝光镜头产生相同的图形光斑，图形光斑外轮廓与光罩轮廓相同，内部同样划分为四个象限，每个象限内明暗相间分布，其中明部8’为有光束投射的部分，暗部9’为无光束投射的部分。进一步地，光斑各象限内明暗分布形式根据光罩上各象限内透光部8和不透光部9的分布形式而定，只要保证至少有一个象限内明暗分布与光罩对应象限内的透光部与不透光部一一对应，以及一个象限内明暗分布与光罩对应象限内的透光部与不透光部错位对应，其中，明暗分布与透光部与不透光部一一对应的象限称为重合象限，明暗分布与透光部和不透光部错位对应的象限称为错位象限，一一对应是指有光束投射的明部对应透光部，无光束投射的暗部对应不透光部，错位对应是指有光束投射的明部对应不透光部，无光束投射的暗部对应透光部。容易理解的是，光罩和图形光斑可存在两个重合象限和两个错位象限，也可以是一个重合象限和三个错位象限，或者三个重合象限和一个错位象限。
本发明所提出的曝光镜头的具体标定方法为：先将运动平台移至对位系统处，通过对位系统获取光罩中心的初始位置坐标，控制系统确定此时运动平台的初始位置坐标；然后通过曝光镜头产生相应的图形光斑；进一步地，先控制运动平台移动至曝光镜头处，使得四象限光电探测器大致位于任一待标定的曝光镜头下；接下来保持运动平台Y轴坐标不动，沿X方向移动运动平台，移动过程中控制系统在四象限光电探测器内选择任一重合象限作为第一检测象限，选择任一错位象限作为第二检测象限，实时获得第一检测象限与第二检测象限的读数的差值，确定差值最大时的运动平台的X轴坐标X1，然后控制运动平台的X轴坐标不变，沿Y方向移动运动平台，移动过程中控制系统在四象限光电探测器内选择任一重合象限作为第三检测象限，选择任一错位象限作为第四检测象限，实时获得第三检测象限与第四检测象限的读数的差值，确定差值最大时的运动平台的Y轴坐标Y1。通过选择重合象限和错位象限，使得在光罩中心与光斑中心完全重合时,重合象限内有明部的光束照射到，错位象限内完全没有光束照射到，两个象限的读数差值最大。换言之，沿X方向移动时，在差值最大的位置，图形光斑被Y向分界线左右平分，沿Y方向移动时，在差值最大的位置，图形光斑被X向分界线上下平分。最后可以根据光罩中心的初始坐标、运动平台的初始坐标和读数差值最大时的坐标确定该曝光镜头的位置坐标。
在一个实施方式中，光罩上每个象限内的透光部与不透光部呈N*N的方格形式相间分布，N为大于1的整数。例如图3示出的方格阵光罩形式，每个象限内透光部与不透光部形成3*3的方阵，图中白色方格为透光部8，灰色方格为不透光部9，其中第一和第三象限透光部和不透光部分布一致，第二和第四象限透光部和不透光部分布一致。相对应地，曝光镜头产生的图形光斑同样分为四个象限，每个象限内均为明暗相间的方格，白色方格为明部8’，表示有光束投射的部分，灰色方格为暗部9’，表示无光束投射的部分。各象限内明暗分布形式根据光罩上对应象限的透光部和不透光部的分布形式而定，只要保证图形光斑与光罩存在至少一个重合象限和至少一个错位象限即可。例如图4-a所示的光斑形式，光斑存在两个重合象限和两个错位象限，具体是第二和第四象限为重合象限，第一和第三象限为错位象限，即光斑第二象限和第四象限内的明暗方格与光罩第二象限和第四象限内的透光与不透光方格一一对应，光斑第一象限和第三象限内的明暗方格与光罩第一象限和第三象限内的透光与不透光方格则错位对应。在标定镜头X坐标时，可以选择四象限光电探测器的第二象限作为第一检测象限，第一象限作为第二检测象限，在标定镜头Y坐标时，可以选择四象限光电探测器的第二象限作为第三检测象限，第三象限作为第四检测象限。应当理解的是，本实施方式所举的光罩和光斑仅是示例性的方格阵的形式，实际应用中也可以采用其他形式的分布形式，只要保证图形光斑与光罩存在重合象限和错位象限即可，在此不在穷举说明。例如对应图3的光罩形式，图形光斑还可以如图4-b所示，此时第一和第三象限为重合象限，第二和第四象限为错位象限。
在一个实施方式中，光罩上每个象限内的透光部与不透光部呈平行的条纹形式相间分布，并且光罩上的四个象限至少有一个条纹平行于Y方向排布的象限和一个条纹平行于X方向排布的象限。例如图5-a所示的条纹形式光罩，在第一象限与第二象限中，条纹平行于Y方向排布，在第三和第四象限中，条纹平行于X方向排布,图中白色条纹为透光部8，灰色条纹为不透光部9。相应的，每个曝光镜头产生的图形光斑同样分为四个象限，每个象限内均为明暗相间的条纹，图中白色条纹为明部8’，表示有光束投射的部分，灰色条纹为暗部9’，表示无光束投射的部分。具体地，图形光斑中条纹排布方向与光罩上对应象限内条纹的排布方向相同以保证存在重合象限和错位象限。例如图5-b所示的光斑，此光斑与光罩存在两个重合象限和两个错位象限，具体是第二和第三象限为重合象限，第一和第四象限为错位象限，即光斑第二象限和第三象限内的明暗条纹与光罩第二象限和第三象限内的透光与不透光条纹一一对应，光斑第一象限和第四象限内的明暗条纹与光罩第一象限和第三象限内的透光与不透光条纹则错位对应。在标定镜头X坐标时，需选择至少一个条纹平行于Y方向分布的象限，例如可以选择四象限光电探测器的第二象限，由于第二象限是重合象限，因此可以作为第一检测象限，然后可以选择四象限光电探测器的第一象限作为第二检测象限，在标定镜头Y坐标时，需选择至少一个条纹平行于X方向分布的象限，例如可以选择四象限光电探测器的第三象限作为第三检测象限，第四象限作为第四检测象限。应当理解的是，图5中光罩和光斑仅是示例性的，实际应用中可灵活调整光罩和光斑的条纹分布形式。
前文所述的位置标定方法是通过选择两个象限作为检测象限，作为一种替换的实施方式，本发明还提出通过单一象限来确定曝光镜头的中心位置。此时需要选择的单一象限为重合象限，如图6示出的光罩和光斑形式，可根据该象限内读数最大时的位置获得曝光镜头中心位置，具体是先保持运动平台Y轴坐标不动，沿X方向移动运动平台，确定运动过程中该象限内的读数最大时的运动平台的X坐标，再保持运动平台X轴坐标不动, 沿Y方向移动运动平台，确定运动过程中该象限内的读数最大时的运动平台的Y坐标。从而可根据光罩中心的初始坐标、运动平台的初始坐标和读数最大时的坐标确定曝光镜头的位置坐标。
此外，光罩上的透光部和不透光部的数量及尺寸（方格数量及边长，条纹数量及条纹短边长度）需根据所选的四象限光电探测器的有效感光尺寸以及所需灵敏度确定，当四象限光电探测器的有效感光尺寸为D微米,标定精度为10-3D微米时，要求灵敏度相比无光罩情况下提高M倍，则透光部和不透光部的短边长度选用D/M微米。例如，四象限光电探测器的有效感光尺寸为300um，为了将灵敏度提高10倍，则条纹宽度选定30um。
本发明通过在四象限光电探测器的上方设置具备周期性分布的透光部和不透光部的光罩，同时利用曝光镜头产生与光罩上透光部与不透光部相对应的明暗相间的图形光斑，使得四象限光电探测器在光斑下移动相同的距离，透射到四象限光电探测器的光能则成比例的变化，便于测量其变化量，降低对探测器硬件的设计要求；此外通过对光罩上透光部与不透光部的尺寸改变，可灵活的改变所需的灵敏度，能够满足不同精度的应用需求。
最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (12)

1.一种曝光镜头的位置标定装置，用于确定直写式光刻设备的曝光镜头的位置坐标，其特征在于：包括安装于所述光刻设备的运动平台上的四象限光电探测器和位于所述四象限光电探测器上方的光罩，所述光罩至少对应于所述四象限光电探测器的一个象限设置有周期性分布的透光部与不透光部。
2.根据权利要求1所述的位置标定装置，其特征在于：所述光罩划分为均等的四个象限，四个象限通过分界线隔开，分界线的交点为光罩中心，每个象限内均包括周期性分布的透光部和不透光部。
3.根据权利要求2所述的位置标定装置，其特征在于：所述光罩安装在所述四象限光电探测器上方，使得在垂直光罩面的方向上，所述分界线与所述四象限光电探测器的盲区重合。
4.根据权利要求2所述的位置标定装置，其特征在于：所述透光部和不透光部呈条纹状或者方格状。
5.根据权利要求2所述的位置标定装置，其特征在于：所述光罩上每个象限内的透光部和不透光部呈N*N的方格形式相间分布，N为大于1的整数。
6.根据权利要求2所述的位置标定装置，其特征在于：光罩上每个象限内的透光部和不透光部呈平行的条纹形式相间分布，并且至少有一个条纹平行于X方向分布的象限和一个条纹平行于Y方向分布的象限。
7.根据权利要求1所述的位置标定装置，其特征在于：所述透光部与不透光部的尺寸根据四象限光电探测器的感光尺寸与所需的灵敏度确定。
8.采用如权利要求1-7任一项所述的位置标定装置确定曝光镜头中心位置的方法，其特征在于：
曝光镜头对应所述光罩投射明暗相间的图形光斑；
通过检测一个象限的读数确定曝光镜头中心位置，该象限为重合象限，根据该象限内读数最大时的位置获得曝光镜头中心位置；
或通过检测两个象限的读数确定曝光镜头中心位置，其中一个象限为重合象限，另一个象限为错位象限，根据重合象限和错位象限的读数的差值最大时的位置获得曝光镜头中心位置。
9.采用如权利要求1-7任一项所述的位置标定装置进行曝光镜头位置标定的方法，其特征在于：
1）、控制运动平台移动至对位系统处，通过对位系统获取光罩中心的初始位置坐标（X’,Y’），控制系统确定此时运动平台的初始坐标为（X0,Y0）；
2）、曝光镜头产生明暗相间的图形光斑；
3）、运动平台移至曝光镜头处，使得四象限光电探测器大致位于任一待标定的曝光镜头下；
4）、保持运动平台Y轴坐标不动，沿X方向移动运动平台，移动过程中控制系统在四象限光电探测器内选择任一重合象限作为第一检测象限，选择任一错位象限作为第二检测象限，实时获得第一检测象限与第二检测象限的读数的差值，确定差值最大时的运动平台的X轴坐标X1；
5）、保持运动平台X轴坐标不动, 沿Y方向移动运动平台，移动过程中控制系统在四象限光电探测器内选择任一重合象限作为第三检测象限，选择任一错位象限作为第四检测象限，实时获得第三检测象限与第四检测象限的读数的差值，确定差值最大时的运动平台的Y轴坐标Y1；
6）、根据光罩中心的初始坐标（X’,Y’）、运动平台的初始坐标（X0,Y0）和读数差值最大时的坐标（X1，Y1）确定曝光镜头的位置坐标。
10.根据权利要求9所述的曝光镜头位置标定方法，其特征在于：所述明暗相间的图形光斑内部划分为四个象限，每个象限内明暗分布形式根据光罩上对应象限内透光部和不透光部的分布形式而定。
11.根据权利要求10所述的曝光镜头位置标定方法，其特征在于：所述重合象限是指光斑上的明暗分布与光罩上的透光部与不透光部一一对应的象限，所述错位象限是指光斑上的明暗分布与光罩上的透光部与不透光部错位对应的象限。
12.根据权利要求11所述的曝光镜头位置标定方法，其特征在于：当所述透光部和不透光部呈条纹形式分布时，步骤4中所述重合象限和所述错位象限中至少一个是条纹平行于Y方向分布的象限，步骤5中所述重合象限和所述错位象限中至少一个是条纹平行于X方向分布的象限。
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