CN113655695A - 一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统及方法 - Google Patents

一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统及方法，包括分束器，分束器的一端依次安装有显微物镜、掩膜和硅片，分束器的另一端依次安装有低通滤波片、镜筒透镜和CMOS相机，所述分束器的一侧安装有激光器，所述激光器与分束器之间设置有柯勒照明系统；掩膜的一端设有介质微球层，掩膜上设有第一对准标记、第二对准标记和第三对准标记，硅片上设有与掩膜上标记分别匹配的第四对准标记、第五对准标记和第六对准标记。本发明通过设置低通滤波片、柯勒照明系统和介质微球层等光学器件或子系统，提高了对准图像的分辨率；并通过粗对准、精对准预处理和精对准等步骤，实现了掩膜和硅片的高精度对准。

Description

一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统及方法
技术领域
本发明涉及纳米光刻技术领域，具体涉及一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统及方法。
背景技术
随着纳米技术的深入发展，各领域对分辨率或最小特征尺寸的要求日益提高，对光刻对准系统提出了更高的要求；目前，光刻对准可采用光强信息对准和图像信息对准；主流光刻机大多采用光强信息对准，对准精度高，但对光源、对准光路、曝光光路、投影物镜和光信息处理技术都有很高的要求，导致操作环境要求高、实验复杂度高和成本高；而图像信息对准的操作原理相对简单、成本低且效率高，但对准精度不如光强信息对准方法。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种对准精度高的基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统及方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，包括分束器，所述分束器的两端分别安装有CMOS相机和硅片，所述分束器与CMOS相机之间依次设置有低通滤波片和镜筒透镜，所述分束器与硅片之间依次设置有显微物镜和掩膜，所述掩膜的一端设有介质微球层；所述分束器的一侧安装有激光器，所述激光器与分束器之间设置有柯勒照明系统；掩膜上设有第一对准标记、第二对准标记和第三对准标记，硅片上设有第四对准标记、第五对准标记和第六对准标记，第一对准标记、第二对准标记和第三对准标记分别与第四对准标记、第五对准标记和第六对准标记相匹配。
采用上述技术方案的有益效果：显微物镜和CMOS相机对掩膜和硅片上的对准标记进行捕捉成像，输出的对准图像便于观察对准标记的位置误差，为对准标记的对准提供依据；采用介质微球层对对准标记进行超分辨成像，超分辨成像可以突破衍射极限，提高了分辨率且成本低、操作简单；安装低通滤波片，滤除其它波长光线，如滤除操作微球时光镊产生的激光光线，避免其它波长光线对成像产生影响，有助于提高成像质量；设置柯勒照明系统提高光源光能分布的均匀性，改善超分辨成像质量；第四对准标记匹配第一对准标记，用于粗对准；第五对准标记匹配第二对准标记，用于精对准预处理，使掩膜和硅片所在的平面水平；第六对准标记匹配第三对准标记，用于精对准，便于对对准标记在水平面上的位置误差进行更精确地观察和校正，以提高对准精度。
进一步地，所述柯勒照明系统包括第一透镜、视场光阑、第二透镜、孔径光阑和第三透镜，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为聚光透镜；激光器的光源经过第三透镜、孔径光阑和第二透镜后成像于视场光阑，另外，视场光阑位于第一透镜的前焦面，第一透镜将其前焦面处的视场光阑经过分束器成像于显微物镜的入射窗；通过柯勒照明系统提高光源光能分布的均匀性，改善超分辨成像质量。
进一步地，第一对准标记和第四对准标记均包括两个十字标记和两个十字框，第一对准标记的十字标记与第四对准标记的十字框相匹配；第一对准标记位于掩膜的四角，第一对准标记的两个十字标记设置在掩膜的两对角。
设置第一对准标记和第四对准标记用于粗对准，粗对准完成时，第一对准标记的十字标记完全填充在第四对准标记的两个十字框中，第四对准标记的两个十字标记完全填充在第一对准标记的两个十字框中。
进一步地，第二对准标记和第五对准标记均包括两个光栅，两个光栅的设置方向相互垂直；第二对准标记与第五对准标记的光栅周期相同，相对位置为半个周期；第二对准标记的一个光栅设置在掩膜的前侧或后侧，另一个光栅设置在掩膜的左侧或右侧。
当第二对准标记和第五对准标记均不在水平面时，第二对准标记和第五对准标记的光栅会形成差动光栅，从而在CMOS相机输出的对准图像中观察到线宽放大的莫尔条纹；当第二对准标记和第五对准标记均在水平面时，第二对准标记的光栅嵌入第五对准标记的光栅间隙中。
进一步地，第三对准标记为设置在掩膜中心的正六边形环，第六对准标记为设置在硅片中心的两个正六边形线框，两个正六边形线框同心。
采用上述技术方案的有益效果：正六边形对准标记相对光栅对准标记有着低信噪比的优点，通过正六边形的对准标记，使水平面上的多方向位置误差在对准图像中显示，配合介质微球进行高精度的对准。
进一步地，介质微球层包括去离子水和PS微球；由于衍射极限的存在，当对准标记的宽度减小观察光波长的二分之一时，CMOS相机所成像将无法分辨，而采用介质微球可以突破衍射极限，进行超分辨成像。
还提供了一种利用基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统进行对准的方法，包括以下步骤：
S1：打开激光器，使第一对准标记、第二对准标记、第三对准标记、第四对准标记、第五对准标记和第六对准标记均成像于CMOS相机，CMOS相机输出图像；
S2：利用CMOS相机输出的图像，使第一对准标记的两个十字标记填充在第四对准标记的两个十字框中，第四对准标记的两个十字标记填充在第一对准标记的两个十字框中，完成粗对准，CMOS相机输出粗对准图像；
S3：利用粗对准图像，使掩膜的光栅嵌入到硅片光栅的间隙中，确保不会产生线宽放大的莫尔条纹，完成精对准预处理，CMOS相机输出预处理图像；
S4：利用预处理图像，使掩膜中心的正六边形环嵌套入硅片中心的两个正六边形框之间；
S5：通过在掩膜上方添加介质微球，进行超分辨成像；再次校正，使掩膜中心的正六边形环再次嵌套入硅片中心的两个正六边形框之间，完成精对准。
本发明的有益效果为：通过柯勒照明系统，提高对准光源的均匀性，改善超分辨成像质量；安装低通滤波片，滤除其它波长光线，避免其它波长光线对成像产生影响，有利于提高成像质量；第四对准标记匹配第一对准标记，用于粗对准；第五对准标记匹配第二对准标记，用于精对准预处理，使掩膜和硅片所在的平面水平；第六对准标记匹配第三对准标记，用于精对准，且通过介质微球层对对准标记进行超分辨成像，超分辨成像可以突破衍射极限，进一步提高分辨率，从而对对准标记在水平面上的位置误差进行更精密地观察和校正，以提高光刻系统的整体对准精度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中掩膜的结构示意图；
图3为本发明实施例中硅片的结构示意图；
图4为本发明对准后CMOS相机输出的图像；
其中，1、激光器，2、第三透镜，3、孔径光阑，4、第二透镜，5、视场光阑，6、第一透镜，7、分束器，8、显微物镜，9、介质微球层，10、掩膜，11、硅片，12、低通滤波片，13、镜筒透镜，14、CMOS相机，15、第一对准标记，16、第二对准标记，17、第三对准标记，18、第四对准标记，19、第五对准标记，20、第六对准标记。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1-3所示，一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，包括分束器7，所述分束器7的两端分别安装有CMOS相机14和硅片11，所述分束器7与CMOS相机14之间依次设置有低通滤波片12和镜筒透镜13，所述分束器7与硅片11之间依次设置有显微物镜8和掩膜10，所述掩膜10的一端设有介质微球层9；所述分束器7的一侧安装有激光器1，激光器1发出波长为405nm的激光，所述激光器1与分束器7之间设置有柯勒照明系统；掩膜10上设有第一对准标记15、第二对准标记16和第三对准标记17，硅片11上设有第四对准标记18、第五对准标记19和第六对准标记20，第一对准标记15、第二对准标记16和第三对准标记17分别与第四对准标记18、第五对准标记19和第六对准标记20相匹配。
显微物镜8和CMOS相机14对掩膜10和硅片11上的对准标记进行捕捉成像，输出的对准图像便于观察对准标记的位置误差，为对准标记的对准提供依据；采用介质微球层9对对准标记进行超分辨成像，超分辨成像可以突破衍射极限，提高了分辨率且成本低、操作简单；安装低通滤波片12，滤除其它波长光线，如滤除操作微球时光镊产生的激光光线，避免其它波长光线对成像产生影响，有助于提高成像质量；设置柯勒照明系统，提高光源光能分布的均匀性，改善超分辨成像质量；第四对准标记18匹配第一对准标记15，用于粗对准；第五对准标记19匹配第二对准标记16，用于精对准预处理，使掩膜10和硅片11所在的平面水平；第六对准标记20匹配第三对准标记17，用于精对准，便于对对准标记在水平面上的位置误差进行更精确地观察和校正，以提高对准精度。
作为可选的实施方式，所述柯勒照明系统包括第一透镜6、视场光阑5、第二透镜4、孔径光阑3和第三透镜2，所述第一透镜6、第二透镜4和第三透镜2均为聚光透镜；激光器1的光源经过第三透镜2、孔径光阑3和第二透镜4后成像于视场光阑5，另外，视场光阑5位于第一透镜6的前焦面，第一透镜6将其前焦面处的视场光阑5经过分束器7成像于显微物镜8的入射窗；通过柯勒照明系统提高光源光能分布的均匀性，改善超分辨成像质量。
作为可选的实施方式，第一对准标记15和第四对准标记18均包括两个十字标记和两个十字框，十字框的组成边的边长L3和L4分别为1000nm和600nm，第一对准标记15的十字标记与第四对准标记18的十字框相匹配；第一对准标记15位于掩膜10的四角，第一对准标记15的两个十字标记设置在掩膜的两对角；设置第一对准标记15和第四对准标记18用于粗对准，粗对准完成时，第一对准标记15的十字标记完全填充在第四对准标记18的两个十字框中，第四对准标记18的两个十字标记完全填充在第一对准标记15的两个十字框中。
作为可选的实施方式，第二对准标记16和第五对准标记19均包括两个光栅，同一个对准标记的两个光栅的设置方向相互垂直；第二对准标记16与第五对准标记19的光栅周期相同，光栅周期为200nm，总共包含25个周期，相对位置为半个周期；第二对准标记16的一个光栅设置在掩膜10的前侧或后侧，另一个光栅设置在掩膜10的左侧或右侧；
当第二对准标记16和第五对准标记19均不在水平面时，第二对准标记16和第五对准标记19的光栅会形成差动光栅，从而在CMOS相机14输出的对准图像中观察到线宽放大的莫尔条纹；当第二对准标记16和第五对准标记19均在水平面时，第二对准标记16的光栅嵌入第五对准标记19的光栅间隙中。
作为可选的实施方式，第三对准标记17为设置在掩膜10中心的正六边形环，第六对准标记18为设置在硅片11中心的两个正六边形线框，两个正六边形线框同心；相对光栅对准标记，正六边形对准标记具有低信噪比的优点，通过正六边形的对准标记，使水平面上的多方向位置误差在对准图像中显示，配合介质微球进行高精度的对准。
作为可选的实施方式，正六边形线框的线宽L1为100nm，边长L2为500nm，该正六边形线框的线宽小，对水平面多方向的偏移量感应灵敏，有利于提高对准精度。
作为可选的实施方式，介质微球层9包括去离子水和折射率为1.59的PS微球；由于衍射极限的存在，当对准标记的宽度减小观察光波长的二分之一时，CMOS相机14所成像将无法分辨，而采用介质微球可以突破衍射极限，进行超分辨成像。
利用基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统进行对准的方法，包括以下步骤：
S1：打开激光器1，使第一对准标记15、第二对准标记16、第三对准标记17、第四对准标记18、第五对准标记19和第六对准标记20均成像于CMOS相机14，CMOS相机14输出图像；
S2：利用CMOS相机输出的图像，使第一对准标记15的两个十字标记填充在第四对准标记18的两个十字框中，第四对准标记18的两个十字标记填充在第一对准标记15的两个十字框中，完成粗对准，CMOS相机14输出粗对准图像；
S3：利用粗对准图像，使掩膜10的光栅嵌入到硅片11光栅的间隙中，确保不会产生线宽放大的莫尔条纹，完成精对准预处理，CMOS相机14输出预处理图像；
S4：利用预处理图像，使掩膜10中心的正六边形环嵌套入硅片11中心的两个正六边形框之间；
S5：通过在掩膜10上方添加介质微球，进行超分辨成像；再次校正，使掩膜10中心的正六边形环再次嵌套入硅片11中心的两个正六边形框之间，完成精对准。
本实施例的对准精度可达30～50nm，而传统光学显微镜的分辨率一般只能达到200nm左右，相较于传统光学显微镜，本发明的分辨率和对准精度大大提高。若能进一步缩小对准光源波长、微球尺寸、中心精对准图形最小线宽，对准精度可达10nm左右。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所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 (7)

1.一种基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，其特征在于，包括分束器(7)，所述分束器(7)的两端分别安装有CMOS相机(14)和硅片(11)，所述分束器(7)与CMOS相机(14)之间依次设置有低通滤波片(12)和镜筒透镜(13)，所述分束器(7)与硅片(11)之间依次设置有显微物镜(8)和掩膜(10)，所述掩膜(10)的一端设有介质微球层(9)；所述分束器(7)的一侧安装有激光器(1)，所述激光器(1)与分束器(7)之间设置有柯勒照明系统；
所述掩膜(10)上设有第一对准标记(15)、第二对准标记(16)和第三对准标记(17)，所述硅片(11)上设有第四对准标记(18)、第五对准标记(19)和第六对准标记(20)，所述第一对准标记(15)、第二对准标记(16)和第三对准标记(17)分别与第四对准标记(18)、第五对准标记(19)和第六对准标记(20)相匹配。
2.根据权利要求1所述的基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，其特征在于，所述柯勒照明系统包括第一透镜(6)、视场光阑(5)、第二透镜(4)、孔径光阑(3)和第三透镜(2)，所述第一透镜(6)、第二透镜(4)和第三透镜(2)均为聚光透镜。
3.根据权利要求1所述的基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，其特征在于，所述第一对准标记(15)和第四对准标记(18)均包括两个十字标记和两个十字框，所述第一对准标记(15)的十字标记与第四对准标记(18)的十字框相匹配；所述第一对准标记(15)位于掩膜(10)的四角，所述第一对准标记(15)的两个十字标记设置在掩膜(10)的两对角。
4.根据权利要求1所述的基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，其特征在于，所述第二对准标记(16)和第五对准标记(19)均包括两个光栅，两个所述光栅的设置方向相互垂直；所述第二对准标记(16)与第五对准标记(19)的光栅周期相同，且相对位置为半个周期；所述第二对准标记(16)的一个光栅设置在掩膜(10)的前侧或后侧，另一个光栅设置在掩膜(10)的左侧或右侧。
5.根据权利要求1所述的基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，其特征在于，所述第三对准标记(17)为设置在掩膜(10)中心的正六边形环，所述第六对准标记(20)为设置在硅片(11)中心的两个正六边形线框，所述两个正六边形线框同心。
6.根据权利要求1所述的基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统，其特征在于，所述介质微球层(9)包括去离子水和PS微球。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的基于介质微球超分辨成像的复合光刻对准系统进行对准的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打开激光器(1)，使第一对准标记(15)、第二对准标记(16)、第三对准标记(17)、第四对准标记(18)、第五对准标记(19)和第六对准标记(20)均成像于CMOS相机(14)，CMOS相机(14)输出图像；
S2：利用CMOS相机输出的图像，使第一对准标记(15)的两个十字标记填充在第四对准标记(18)的两个十字框中，第四对准标记(18)的两个十字标记填充在第一对准标记(15)的两个十字框中，完成粗对准，CMOS相机(14)输出粗对准图像；
S3：利用粗对准图像，使掩膜(10)的光栅嵌入到硅片(11)光栅的间隙中，确保不会产生线宽放大的莫尔条纹，完成精对准预处理，CMOS相机(14)输出预处理图像；
S4：利用预处理图像，使掩膜(10)中心的正六边形环嵌套入硅片(11)中心的两个正六边形框之间；
S5：通过在掩膜(10)上方添加介质微球，进行超分辨成像；再次校正，使掩膜(10)中心的正六边形环再次嵌套入硅片(11)中心的两个正六边形框之间，完成精对准。
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