CN112904682B - 一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法。该光刻对准标记包括硅片标记和掩膜标记，两个标记外部轮廓尺寸相同，均由五个边长相同的正方形呈十字型排列构成，通过重合外部轮廓可以完成硅片和掩膜两个平面的粗对准，硅片标记和掩膜标记内部设计有独特的图形结构和光栅结构，通过观察粗对准后的掩膜标记和硅片标记内部图形及光栅产生的莫尔条纹实现了硅片和掩膜两个平面倾角和旋转角的定量检测。本发明为了解决现有技术中小偏移量捕捉方法复杂、掩膜‑硅片两平面之间存在倾角和旋转角等问题，设计了独特的光刻对准标记，优化了对应的光刻对准方法，具有对准过程简易，对准效果好，对准精度高的优点。

Description

一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法。

背景技术

光刻是电子信息领域关键共性技术，也是国家重点发展的高新技术领域和“卡脖子”技术之一，被广泛应用于集成电路、通讯设备、导弹雷达、生物医学、人造卫星等军民领域。

随着各项技术的不断发展进步，对光刻分辨率的要求日益提高(甚至达到了几纳米数量级)，而现有光刻技术受限于光源波长、镜头数值孔径等因素限制，已不能满足要求，因此进一步提高光刻分辨率水平，已成为本领域亟待解决的技术难题。

光刻系统所能加工的微纳结构的特征尺寸与光源照明系统、掩膜-硅片对准精度、掩膜-硅片轴向位置误差、工作台精度、硅片变形误差等因素有关。其中，掩膜与硅片之间对准精度是影响光刻分辨率的关键因素之一，它由掩膜与硅片两个平面相对位移的状态决定。两个标记之间的位移包括在成像图像上两平面的位置偏差(二维)和两平面在Z轴方向上的倾斜角度(三维)，当相对位移量控制在要求的范围内，即可保证对准系统的精度。

常见的传统对准标记主要对掩膜-硅片两平面在X、Y两方向进行修正，而较少对两平面之间倾角和旋转角进行定量检测与校正。但是，纳米光刻系统对对准精度要求极高，此时两平面之间的倾角和旋转角对对准精度的影响变得更加明显和严重，不可忽略。然而，现有对准方式对微小偏移量的检测和校正需要采用相对复杂的探测方法，存在步骤繁琐，效率低，成本高等缺点。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记，包括硅片标记和掩膜标记，两个标记外部轮廓尺寸相同，均由五个边长相同的正方形呈十字型排列构成，通过使硅片标记和掩膜标记外部轮廓重合实现了硅片和掩膜两个平面的粗对准；

掩膜标记内部包括一个中心与掩膜标记中心重合的正方形，且其四边分别与构成掩膜标记的五个正方形的四边平行；

硅片标记内部包括两层结构，内层为中心与硅片标记中心重合的掩膜标记内部正方形的外接圆，外层为以内层圆形为内接圆的正方形，且其四边分别与构成硅片标记的五个正方形的四边成45°夹角；

掩膜标记和硅片标记的两角相邻两个正方形中包括有长度和周期均相同的光栅，同侧两标记上的光栅排列位置相差半个周期；

通过观察粗对准后的掩膜标记和硅片标记内部图形及光栅产生的莫尔条纹实现了硅片和掩膜两个平面倾角和旋转角的定量检测。

本发明具有以下有益效果：本发明通过两对准标记中心图案的结构设计和光栅的添加，实现了直接利用图像信息对微小偏移量进行相对便捷的定量检测和校正，采用了莫尔条纹来实现光刻对准，莫尔条纹对准具有结构简单，灵敏度较高的优点。

优选地，硅片标记和掩膜标记的不含光栅的两个正方形邻边有向内凹陷的等腰直角三角形轮廓，起到了辅助粗对准功能和消除光栅周期重合干扰的功能。

该优选方案具有以下有益效果：在粗对准时含三角形轮廓的对准标记相对于普通十字对准标记更加快速精确，同时消除了因为其它半周期奇数倍所导致光栅重合的干扰，当两光栅重合时只存在一倍半周期的间距。

优选地，硅片标记的内层圆形的第四象限角平分线上设有一条实刻线，通过观察实刻线显露情况实现了两个平面旋转角的定性检测。

该优选方案具有以下有益效果：相对于没有实刻线的光刻对准标记，在平面旋转角定性检测时更加快速，检测结果更加精确。

优选地，一种应用上述测量倾角和旋转角的光刻对准标记的对准方法，包括以下步骤：

S1、将硅片和掩膜放置在对应的载物台上，调节两平面的位置，使掩膜标记和硅片标记便于观察；

S2、移动掩膜标记，使其外部轮廓和硅片标记重合，完成粗对准；

S3、通过观察掩膜标记和硅片标记的内部图形及光栅产生的莫尔条纹进行两平面倾角的定量检测和校正；

S4、通过观察掩膜标记和硅片标记的内部图形及实刻线显露情况进行两平面旋转角的定量检测和校正，完成对准。

该优选方案具有以下有益效果：提供了一种简单有效的应用上述光刻对准标记的对准方法，直接利用两标记的图像信息对其倾角和旋转角进行了定量检测与校正，不仅保证了很高的对准精度，还具有操作方便和快捷的优点。

优选地，步骤S1具体包括：

将硅片和掩膜放置在对应的载物台上，调节两平面的位置，使掩膜标记和硅片标记出现在显微物镜的视场中心位置并成像于CCD相机里。

该优选方案具有以下有益效果：使用CCD相机和显微物镜使得硅片标记和掩膜标记内部的图形信息便于观察，有利于后续步骤操作。

优选地，步骤S2具体包括：

移动掩膜标记，使其外部轮廓和硅片标记重合，并采用外部轮廓上的两个内凹三角形辅助，完成粗对准。

该优选方案具有以下有益效果：在内凹三角形辅助下实现了两个平面精度较高的粗对准，后续的细对准(对平面倾角和旋转角的校正)都必须建立在粗对准完成的基础上，若粗对准偏差较大，细对准将无法实现。

优选地，步骤S3具体包括：

观察CCD相机所成像，若出现放大的莫尔条纹，利用放大的莫尔条纹线宽D计算出倾角α，计算公式为：

其中d为光栅的栅距；

以间隙最大两点连线的中垂线为固定轴旋转掩膜载物台相应角度α，完成对两平面倾角的定量检测并校正。

该优选方案具有以下有益效果：在完成粗对准的情况下，直接利用了两个标记中心图形结构和莫尔条纹对小角度的放大作用，对两平面之间的倾角进行定量检测并校正，避免了因两平面之间存在倾斜角度，曝光出来的图案出现巨大的缺陷，甚至完全无法使用的情况。

优选地，步骤S4具体包括：

观察CCD相机所成像，若实刻线显露出来，则利用掩膜标记和硅片标记内部图形所成像计算圆心、外接切点和相邻的圆心和内接切点构成的直线与外层正方形交点形成的三角形面积S_ΔAOE，进而计算出旋转角θ，计算公式为：

其中R为硅片标记内层圆形的半径；

若偏移后的掩膜标记内部正方形临近刻线的顶角处于实刻线上方时则将掩膜标记顺时针旋转角度θ，位于下方时则逆时针旋转角度θ，完成对准。

该优选方案具有以下有益效果：直接利用了两标记所成像进行旋转角的定量检测与校正，尤其适合于微小角度的定量检测与校正，校正精度高，操作方便。

附图说明

图1是本发明一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法中光刻对准标记的结构示意图；

图2是本发明一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法中掩膜标记和硅片标记的结构示意图，其中(a)是掩膜标记结构示意图，(b)是硅片标记结构示意图；

图3是本发明实施例中光栅纵向的排列位置示意图；

图4是本发明一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法中对准方法的流程图；

图5是本发明实施例中存在倾角时放大的莫尔条纹示意图；

图6是本发明实施例中完全对准时的光刻对准标记内部图形示意图；

图7是本发明实施例中存在一定旋转角偏差时的光刻对准标记内部图形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记及对准方法：

请参照图1和图2，一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记包括硅片标记和掩膜标记，两个标记外部轮廓尺寸相同，均由五个边长为30μm的正方形呈十字型排列构成，通过使硅片标记和掩膜标记外部轮廓重合实现了硅片和掩膜两个平面的粗对准；

掩膜标记内部包括一个中心与掩膜标记中心重合的边长为28μm的正方形，且其四边分别与构成掩膜标记的五个正方形的四边平行，正方形相对十字标记中心完全对称；

硅片标记内部包括两层结构，内层为中心与硅片标记中心重合的掩膜标记内部正方形的外接圆，半径为外层为以内层圆形为内接圆的正方形，边长为/>且其四边分别与构成硅片标记的五个正方形的四边成45°夹角；

掩膜标记和硅片标记的相邻两个正方形中包括有长度和周期均相同的光栅，长度为15.2μm，周期为0.8μm，同侧两标记上的光栅排列位置相差半个周期，将其沿纵向分离开如图3所示；

通过观察粗对准后的掩膜标记和硅片标记内部图形及光栅产生的莫尔条纹实现了硅片和掩膜两个平面倾角和旋转角的定量检测。

本发明的对准精度受光刻标记的特征尺寸、CCD相机分辨率以及显微镜放大倍率的控制。在具体实验操作过程中，需根据光刻图案的特征尺寸进行修改。这里提到的标记数据只是实例的一种情况。

本发明实施例中，硅片标记和掩膜标记的不含光栅的两个正方形邻边有向内凹陷的等腰直角三角形轮廓，起到了辅助粗对准功能和消除光栅周期重合干扰的功能，通过缩小对准标记的特征尺寸可以提高光刻精度。

本发明实施例中，硅片标记的内层圆形的第四象限角平分线上设有一条实刻线，其意义在于检测掩膜和硅片之间是否有旋转偏移，当产生了偏移时，此实刻线会显露出来，当完全对准时，此实刻线会完全被掩膜标记掩盖。仅有一条实刻线的目的在于当两平面存在倾角时，掩膜正方形顶角会和圆环之间产生缝隙，而此实刻线会干扰观察产生的缝隙，所以仅设计一条实刻线，让其余三个顶角产生的间隙明显通过观察实刻线显露情况实现了两个平面旋转角的定性检测，再通过对内部因旋转产生三角形面积的捕捉计算实现了两平面旋转角的定量检测。

请参照图4，一种应用上述实施例中测量倾角和旋转角的光刻对准标记的对准方法，包括以下步骤：

S1、将硅片和掩膜放置在对应的载物台上，调节两平面的位置，使掩膜标记和硅片标记便于观察；

本发明实施例中，步骤S1具体包括：

将硅片和掩膜放置在对应的载物台上，保持100μm的间隙进行接近式对准，并使两对准平面处于显微镜焦平面景深内。通过对载物台的调节来调节两平面的位置，使掩膜标记和硅片标记出现在显微物镜的视场中心位置并成像于CCD相机里。

S2、移动掩膜标记，使其外部轮廓和硅片标记重合，完成粗对准；

本发明实施例中，步骤S2具体包括：

移动掩膜标记，使其外部轮廓和硅片标记重合，操作中应尽量使两标记外观轮廓重合(不出现标记图像外观轮廓线条增粗的现象)，并采用外部轮廓上的两个内凹三角形辅助，检测两个内凹三角形是否完成对准，该内凹三角形辅助使粗对准的精度优于纯十字形对准标记，完成粗对准。后续的细对准都必须建立在粗对准完成的基础上(两标记中心重合)，若粗对准偏差较大，细对准将无法实现。

S3、通过观察掩膜标记和硅片标记的内部图形及光栅产生的莫尔条纹进行两平面倾角的定量检测和校正；

本发明实施例中，步骤S3具体包括：

观察CCD相机所成像中，掩膜对准标记中心正方形标记图案的四个顶点是否和硅片对准标记中心的圆环标记图案相接触并刚好吻合。当两平面未实现达到精度要求的平行时，掩膜对准标记中心的正方形图案将会偏离硅片对准标记中心的圆环，并不处于相切(相接触)的状态。同时在两标记上添加周期相同的光栅，当两平面之间存在倾角，图像采集在Z轴方向进行。从采集面观测时，倾斜的光栅在XOY的投影面上相当于变成周期较小的光栅，从而与另一平面的标准光栅形成差动光栅，产生线宽放大的莫尔条纹。如图5所示，当掩膜平面沿X和Y轴产生倾角时，莫尔条纹之间无角度，仅产生放大的莫尔条纹，而沿除X、Y轴外发生倾角时，产生的不仅是放大的莫尔条纹，条纹之间还存在夹角，且当两光栅周期因为产生周期差时，其周期相差越小，放大的条纹就越明显，所以对两平面之间的小角度倾斜检测具有很高的灵敏度。在所成像中会观察到正方形的四个顶点和圆环之间产生空白间隙(未相切)和线宽放大的莫尔条纹，说明两平面间存在倾角，利用放大的莫尔条纹线宽D计算出倾角α，计算公式为：

其中d为光栅的栅距；

以间隙最大两点连线的中垂线为固定轴，旋转掩膜载物台相应角度α，完成对两平面倾角的定量检测并校正。此时掩膜标记内部正方形与硅片标记内部内层圆形相切，且光栅处无放大的莫尔条纹(有夹角或无夹角)或无莫尔条纹，此步骤在完成粗对准的情况下，直接利用中心图形结构和莫尔条纹对小角度的放大作用，对两平面之间的倾角进行了定量检测并校正，如果平面之间存在倾角，曝光出来的图案将会出现巨大的缺陷，完全无法使用。光栅产生的莫尔条纹对小角度的灵敏度高于图形结构产生的缝隙。此校正精度受限于对准标记的特征尺寸、光栅的线宽、CCD相机的分辨率和视场以及物镜的放大倍率。

S4、通过观察掩膜标记和硅片标记的内部图形及实刻线显露情况进行两平面旋转角的定量检测和校正，完成对准。

在纳米光刻对准系统，两平面因为旋转导致的微小偏移量也将对整个系统的分辨力带来很大的误差，因此需要对两平面旋转角进行定量检测和校正。两对准标记中心的图案可以对微小旋转偏移量进行放大捕捉并校正，此操作是建立在两平面不存在倾角的基础上进行的。

本发明实施例中，步骤S4具体包括：

观察CCD相机所成像，完全对准时的图像如图6所示，当存在旋转角时，掩膜中心方形标记便会偏离其标准位置，露出硅片中心圆形标记上的实刻线，当实刻线完全遮挡时，表明两平面并未发生旋转偏移。若实刻线显露出来，如图7所示(只截取了两对准标记中心图案，其中OA、OE、OB、OB'为辅助线，OC为实际刻线)，表明两平面发生了旋转偏移，正方形ABCD为未产生旋转偏移量时掩膜对准标记所在位置。当产生偏移量时，位置为A'B'C'D'所示(将偏移量夸大，便于描述和观察)，θ为旋转所带来的偏移角，当θ很小时，CCD成像时不易于捕捉。首先通过图像处理方法获得三角形ΔAOE的三个顶点的位置，再计算出三角形ΔAOE的面积，通过计算间接获得旋转角θ。具体步骤如下：利用掩膜标记和硅片标记内部图形所成像，进行图像识别，采用二值分割+滤波(形态学)+轮廓提取的解决思路完成直方图统计、二分化图像、优化图像、检测边缘轮廓和提取边缘轮廓等操作，提取计算圆心O、外接切点A和相邻的圆心和内接切点构成的直线与外层正方形交点E形成的三角形面积S_ΔAOE，进而计算出旋转角θ，计算公式为：

其中R为硅片标记内层圆形的半径(AO的长度)；

设图像中捕捉到的面积为1.96μm²时，通过计算得出旋转弧度为0.00999rad，角度为0.572°。此校准方式只适用于旋转角在0-45°之间进行测量并校准。若偏移后的掩膜标记内部正方形临近刻线的顶角处于实刻线上方时则将掩膜标记顺时针旋转角度θ，位于下方时则逆时针旋转角度θ，完成对准。本步骤直接利用掩膜标记和硅片标记所成像进行了旋转角的定量检测与校正，尤其适合于微小角度的定量检测与校正，校正精度高，操作方便。

完成粗对准、倾角校正和旋转角校正后，掩膜-硅片完成达到设计精度的对准要求，进而继续完成曝光等后续工艺流程。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所描述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记，其特征在于：

包括硅片标记和掩膜标记，两个标记外部轮廓尺寸相同，均由五个边长相同的正方形呈十字型排列构成，通过使硅片标记和掩膜标记外部轮廓重合实现了硅片和掩膜两个平面的粗对准；

掩膜标记内部包括一个中心与掩膜标记中心重合的正方形，且其四边分别与构成掩膜标记的五个正方形的四边平行；

硅片标记内部包括两层结构，内层为中心与硅片标记中心重合的掩膜标记内部正方形的外接圆，外层为以内层圆形为内接圆的正方形，且其四边分别与构成硅片标记的五个正方形的四边成45°夹角；

掩膜标记和硅片标记的相邻两角正方形中包括有长度和周期均相同的光栅，同侧两标记上的光栅排列位置相差半个周期；

通过观察粗对准后的掩膜标记和硅片标记内部图形及光栅产生的莫尔条纹实现了硅片和掩膜两个平面倾角和旋转角的定量检测。

2.如权利要求1所述的一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记，其特征在于：所述硅片标记和掩膜标记的不含光栅的两个正方形邻边有向内凹陷的等腰直角三角形轮廓，起到了辅助粗对准功能和消除光栅周期重合干扰的功能。

3.如权利要求2所述的一种测量倾角和旋转角的光刻对准标记，其特征在于：所述硅片标记的内层圆形的第四象限角平分线上设有一条实刻线，通过观察实刻线显露情况实现了两个平面旋转角的定性检测。

4.一种应用如权利要求3所述的测量倾角和旋转角的光刻对准标记的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将硅片和掩膜放置在对应的载物台上，调节两平面的位置，使掩膜标记和硅片标记便于观察；

S2、移动掩膜标记，使其外部轮廓和硅片标记重合，完成粗对准；

S3、通过观察掩膜标记和硅片标记的内部图形及光栅产生的莫尔条纹进行两平面倾角的定量检测和校正；

S4、通过观察掩膜标记和硅片标记的内部图形及实刻线显露情况进行两平面旋转角的定量检测和校正，完成对准。

5.如权利要求4所述的一种应用如权利要求3所述的测量倾角和旋转角的光刻对准标记的对准方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

将硅片和掩膜放置在对应的载物台上，调节两平面的位置，使掩膜标记和硅片标记出现在显微物镜的视场中心位置并成像于CCD相机里。

6.如权利要求5所述的一种应用如权利要求3所述的测量倾角和旋转角的光刻对准标记的对准方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

移动掩膜标记，使其外部轮廓和硅片标记重合，并采用外部轮廓上的两个内凹三角形辅助，完成粗对准。

7.如权利要求6所述的一种应用如权利要求3所述的测量倾角和旋转角的光刻对准标记的对准方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

观察CCD相机所成像，若出现放大的莫尔条纹，利用放大的莫尔条纹线宽D计算出倾角α，计算公式为：

其中d为光栅的栅距；

以间隙最大两点连线的中垂线为固定轴旋转掩膜载物台相应角度α，完成对两平面倾角的定量检测并校正。

8.如权利要求7所述的一种应用如权利要求3所述的测量倾角和旋转角的光刻对准标记的对准方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

观察CCD相机所成像，若实刻线显露出来，则利用掩膜标记和硅片标记内部图形所成像计算圆心、外接切点和相邻的圆心和内接切点构成的直线与外层正方形交点形成的三角形面积S_ΔAOE，进而计算出旋转角θ，计算公式为：

其中R为硅片标记内层圆形的半径；

若偏移后的掩膜标记内部正方形邻近刻线顶角处于实刻线上方时则将掩膜标记顺时针旋转角度θ，位于下方时则逆时针旋转角度θ，完成对准。