CN116666291B - 一种掩模预对准控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种掩模预对准控制系统及方法，包括：粗调光源和精调光源，两光源分别发出不同光斑大小的准直光束通过合束光学元件形成同轴光束经过掩模预对准光机单元；掩模预对准光机单元，包括掩模预对准光路、掩模板和掩模位置调整运动单元、以及光束整形透镜组；多电极热电薄膜位置分析单元，根据不同光斑大小及位置的光束照射在多电极热电薄膜上，产生热电子扩散而形成多个电极上电压值组成的向量计算光斑位置；信号处理与控制单元，对所述光斑位置进行计算，并对光源和掩模位置调整运动单元进行控制，实现粗调和精调的控制。本发明采用粗调和精调模式，以及多电极大面积热电薄膜位置智能定位方法，大大提升了光刻机的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路装置制造领域，尤其涉及一种掩模预对准控制系统及方法。
背景技术
掩模板是在金属基板的特定位置通过切割或刻蚀等工艺制作的镂空图案，由于电子器件制备过程中通常需要更换不同掩模板，因此保证掩模板能够精确对准对半导体器件制程工艺至关重要。
中国专利公开文献CN115799148A提供一种掩模预对准装置及方法，采用安装基板和限位槽板构成基底定位单元，通过限位槽板上的限位孔与安装基板相互压合实现基底的定位和限位，并安装到安装腔，安装掩模板和定位掩模板通过插板腔结构定位在安装腔中实现定位对准。
中国专利公开文献CN104969340A公开掩膜对准系统及掩膜对准方法，利用掩模框架设置的多个对准空腔，压板可设有多个掩膜对准销和多个框架对准空腔，通过移动框架对准空腔与对准销对齐实现粗对准；通过掩膜对准空腔与掩膜对准销对齐实现精确对准。
纯机械结构对准需要借助移动平台和光学显微镜系统将掩模板对上基底特定区域，由于光学衍射极限和阴影效应，难以精细化对准；同时机械结构反复拆插导致公差增大，进而导致对准精度变差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种掩模预对准控制系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种掩模预对准控制系统，包括：粗调光源和精调光源，掩模预对准光机单元，多电极热电薄膜位置分析单元，信号处理与控制单元；
所述粗调光源和精调光源，两光源分别发出不同光斑大小的准直光束通过合束光学元件形成同轴光束经过掩模预对准光机单元；
所述掩模预对准光机单元，包括掩模预对准光路、掩模板和掩模位置调整运动单元、以及光束整形透镜组；
所述多电极热电薄膜位置分析单元，根据不同光斑大小及位置的光束照射在多电极热电薄膜上，产生热电子扩散而形成多个电极上电压值组成的向量计算光斑位置；
所述信号处理与控制单元，对所述光斑位置进行计算，并对光源和掩模位置调整运动单元进行控制，实现粗调和精调的控制，以实现预对准。
进一步的，所述精调光源为单色激光光源，准直后光斑比粗调光源光斑直径小3倍以上，其波长大于粗调光源波长。
进一步的，所述粗调光源为LED或激光光源，其光波段在可见光波段。
进一步的，所述掩模板有M个对准标记，其中M≥2，对准标记小圆孔，孔径r取值表达式如下：
，
其中，为精调光源的波长；d为掩模到多电极热电薄膜之间的距离。
进一步的，所述光束整形透镜组用于将从对准标记透射的光束光斑进行整形，消除发散角的影响。
进一步的，所述多电极热电薄膜位置分析单元有N个感应电极，有一个电极接地；当光照射在一个或多个热电薄膜位置时，形成N-1个电压值，组成一个电压向量。
进一步的，所述掩模预对准光路至少由一个分束镜和一个反射镜组成，其空间分布与对准标记对应。
本发明还提供一种掩模预对准控制方法，所述预对准控制方法通过上述的掩模预对准控制系统实现，所述预对准控制方法包括如下步骤：
S1、建立粗调光源和精调光源对应的N（N>2）电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系，即：
，
为光束(I，λ)在热电薄膜坐标位置/>上，产生热电子扩散而形成第N个电极上电压值；I为所选择光源的光强，λ为所选择光源的波长；
将N电极电压向量与热电薄膜的精细坐标之间的关系内置在信号处理与控制单元中；
S2、开启粗调光源，光束透过掩模板的M个对准标记后在热电薄膜上产生电压向量，并通过信号处理与控制单元确定M个对准标记对应的坐标位置，任取三个点组合计算三个点之间距离，得到掩模板空间偏移量，空间偏移量包括水平旋转角度和轴线旋转角度，根据组合中计算最大空间偏移量控制掩模位置调整运动单元进行旋转和倾角调节；反复迭代至空间偏移量小于预设值，粗调结束；
S3、开启精调光源，光束透过掩模板的M个对准标记后在热电薄膜上产生电压向量，并通过信号处理与控制单元确定M个对准标记对应的坐标位置，任取单点与所述对准标记坐标位置计算水平X轴和Y轴的偏移量，根据所有预对准标记点最大偏移量确定掩模的平移位置，反复迭代至坐标位置与掩模M个对准标记几何位置对应，精调结束。
进一步的，S1中，N电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系的建立方法为深度学习过程，其步骤包括：
S1.1、通过采集N个电极热电薄膜对同一光源在不同位置下N-1个电极上电压值，并依次排列组成向量；相邻坐标横轴和纵轴间距取决于光斑短轴和长轴长度，即：
，
其中，和/>分别为光源光束照射在热电薄膜上沿着x方向和y方向的步长；/>和/>为光源发出光斑的短轴和长轴长度；
S1.2、利用采集的位置坐标和对应电压向量构建训练卷积神经网络；
将采集的位置坐标和对应电压向量构成数据集，并按照6：2：2比例随机分为训练集、测试集和验证集；对单个向量中的N-1个电压值组成P*P方形矩阵；
其中，；
通过上采样方式将P*P矩阵扩展到100*100，以最大差异化；
进行深度学习训练，并进行迭代测试，得到最优神经网络；
S1.3、根据对准标记的数量M，将验证集中非近邻、非次近邻和非次次近邻的坐标对应电压向量以M个自由组合累加组合，训练集进行扩容，以训练最优的神经网络结合主成分分析算法进行验证，优化主成分分析对应参数。
进一步的，热电薄膜区域的形状可以是矩形、三角形、圆形、梯形等形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种在半导体光刻工艺中掩模预对准的控制系统及方法，克服了现有技术方法因光束均匀性问题、过预对准标记的光束形成弥散光斑因四象限探测器各感光面小且较近而导致交叉干扰引起测量精度差、以及同频光过半透半反射镜形成干涉环导致测量精度差等问题。本系统及方法采用粗调和精调模式，以及多电极大面积热电薄膜位置智能定位方法，掩模对准精度可达到0.05um以下，大大提升了光刻机的良品率。
附图说明
图1为本发明的一种掩模预对准控制系统示意图；
图2为多电极热电薄膜电镜图；
图3为掩模预对准控制方法流程图；
图4为预对准垂直轴旋转示意图。
图示说明：1、精调光源；2、粗调光源；3、准直透镜；4、分束镜；5、反射镜；6、掩模板；7、多电极热电薄膜；8、信号处理与控制单元。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
实施例1
如图1所示，一种掩模预对准控制系统，包括：粗调光源2和精调光源1，掩模预对准光机单元，多电极热电薄膜位置分析单元，信号处理与控制单元8；
所述粗调光源2和精调光源1，两光源分别通过不同大小的准直透镜3发出不同光斑大小的准直光束通过合束光学元件形成同轴光束经过掩模预对准光机单元；所述精调光源1为单色激光光源，准直后光斑比粗调光源光斑直径小3倍以上，其波长需大于粗调光源波长；所述粗调光源2为LED或激光光源，其光波段在可见光波段。
所述掩模预对准光机单元，包括掩模预对准光路、掩模板6和掩模位置调整运动单元、以及光束整形透镜组；
所述掩模板6有M个(M≥2)对准标记，对准标记小圆孔，孔径r取值表达式如下：
其中，为精调光源的波长；d为掩模到多电极热电薄膜之间的距离。
所述光束整形透镜组用于将从对准标记透射的光束光斑进行整形，消除发散角的影响。
所述掩模预对准光路至少由一个分束镜4和一个反射镜5组成，其空间分布与对准标记对应。
所述多电极热电薄膜位置分析单元，可根据不同光斑大小及位置的光束照射在多电极热电薄膜上，产生热电子扩散而形成多个电极上电压值组成的向量计算光斑位置；所述多电极热电薄膜位置分析单元有N个感应电极，有一个电极接地；当光照射在一个或多个热电薄膜位置时，形成N-1个电压值，组成一个电压向量。
多电极热电薄膜电镜图如图2所示，图2中的(a)为八电极热电薄膜，图2中的(b)为十二电极热电薄膜。
多电极热电薄膜基于光热电原理，利用光在薄膜材料上产生热电子效应。多个电极中一个电极接地，当光束照射在热电薄膜上，由于热电子传输路径及长度差异，在不同电极上形成的不同的电压强度，故可以通过在不同电极的电压强度组成向量，表征光斑照射在热电薄膜上的位置。热电薄膜材料一般为PbS、PbSe、PbSSe等材料，电极为银电极，以形成良好的欧姆接触。
所述信号处理与控制单元8包括电信号前置放大模块、智能分析模块、逻辑控制模块，用于对所述光斑位置进行计算，并对光源和掩模位置调整运动单元进行控制，实现粗调和精调的控制，以实现预对准。
本系统采用粗调和精调模式分时控制，有效的规避了同频光在分束镜形成衍射光斑导致位置计算精度差的问题。
实施例2
如图3所示，一种掩模预对准控制方法，包括如下步骤：
S1、建立粗调光源和精调光源对应的N电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系，即：
，
为光束(I，λ)在热电薄膜坐标位置/>上，产生热电子扩散而形成第N个电极上电压值；I为所选择光源的光强，λ为所选择光源的波长；
将N电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系内置在信号处理与控制单元中；N电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系的建立方法为深度学习过程，其步骤包括：
1）通过采集N个电极热电薄膜对同一光源在不同位置下N-1个电极上电压值，并依次排列组成向量；相邻坐标横轴和纵轴间距取决于光斑短轴和长轴长度，即：
，
其中，和/>分别为光源光束照射在热电薄膜上沿着x方向和y方向的步长；/>和/>为光源发出光斑的短轴和长轴长度；
2）利用采集的位置坐标和对应电压向量构建训练卷积神经网络；
将采集的位置坐标和对应电压向量构成数据集，并按照6：2：2比例随机分为训练集、测试集和验证集；对单个向量中的N-1个电压值组成P*P方形矩阵；
其中，；
通过上采样方式将P*P矩阵扩展到100*100，以最大差异化；
进行深度学习训练，并进行迭代测试，得到最优神经网络；
3）根据对准标记的数量M，将验证集中非近邻、非次近邻和非次次近邻的坐标对应电压向量以M个自由组合累加组合，训练集进行扩容，以训练最优的神经网络结合主成分分析算法进行验证，优化主成分分析对应参数。
S2、开启粗调光源，光束透过掩模板的M个对准标记后在热电薄膜上产生电压向量，并通过信号处理与控制单元确定M个对准标记对应的坐标位置，任取三个点组合计算三个点之间距离，得到掩模板空间偏移量，空间偏移量包括水平旋转角度和轴线旋转角度，根据组合中计算最大空间偏移量控制掩模位置调整运动单元进行旋转和倾角调节；反复迭代至空间偏移量小于预设值，粗调结束；
S3、开启精调光源，光束透过掩模板的M个对准标记后在热电薄膜上产生电压向量，并通过信号处理与控制单元确定M个对准标记对应的坐标位置，任取单点与所述对准标记坐标位置计算水平X轴和Y轴的偏移量，根据所有预对准标记点最大偏移量确定掩模的平移位置，反复迭代至坐标位置与掩模M个对准标记几何位置对应，精调结束。
预对准垂直轴旋转示意图如图4所示，计算方法如下：
1）通过电压向量，获得每个对准标记在多电极热电薄膜的位置坐标；
2）选取任意3个对准标记，记为A、B、C，其中根据掩摸已知的几何关系，可知三点的边长分别为LAB 、LBC 、LAC，计算B和C相对于A的偏移角度：
)，
)，
以A为旋转点，由逻辑控制模块控制掩模位置调整运动单元分别转动B和C对应端面和/>角度；
或计算A和C相对于B的偏移角度和/>，以B为旋转点，由逻辑控制模块控制掩模位置调整运动单元分别转动A和C对应端面/>和/>角度；
或计算A和B相对于C的偏移角和/>, 以C为旋转点，由逻辑控制模块控制掩模位置调整运动单元分别转动A和B对应端面/>和/>角度；
其中
)，
每次调整都以最大偏移角优先调整，迭代直到偏移角为0；
待旋转调整后，偏差量主要来源于平移量，本发明采用精调来实现
掩模预对准精调时采用小光斑的激光光源，计算如下：
1）通过电压向量，获得每个对准标记在多电极热电薄膜的位置坐标；
2）选取任意1个对准标记，根据掩摸标记已知的坐标（Xa，Ya）以及对应对准标记在多电极热电薄膜的位置坐标（xa，ya）,其对应偏差：
，
，
因考虑精调用的小光斑小于对准标记尺寸，为提高预对准精度，取所有x和y方向的偏差中位数左右偏差调节量，即：
，
，
根据中位数和/>对应的正负号，确定移动方向，以固定步长/> 和 /> 沿着两点的向量正负方向移动，/>的取值为50～100；
3）重复步骤1）和2）直到偏差量和/>小于0.05um。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种掩模预对准控制方法，所述预对准控制方法通过掩模预对准控制系统实现，其特征在于，所述掩模预对准控制系统包括：粗调光源和精调光源，掩模预对准光机单元，多电极热电薄膜位置分析单元，信号处理与控制单元；
所述粗调光源和精调光源，两光源分别发出不同光斑大小的准直光束通过合束光学元件形成同轴光束经过掩模预对准光机单元；
所述掩模预对准光机单元，包括掩模预对准光路、掩模板和掩模位置调整运动单元、以及光束整形透镜组；所述掩模板有M个对准标记；所述掩膜预对准光路用于将精调光源发出的光束和粗调光源发出的光束与掩模板的对准标记空间位置对应，使得光束能够穿过掩模板的对准标记；所述掩模预对准光路至少由一个分束镜和一个反射镜组成，其空间分布与对准标记对应；精调光源发出的光束和粗调光源发出的光束通过分束镜和反射镜后，改变光路传输方向，使得光束能够穿过掩模板的对准标记；所述光束整形透镜组用于将从对准标记透射的光束光斑进行整形；
所述多电极热电薄膜位置分析单元，根据不同光斑大小及位置的光束照射在多电极热电薄膜上，产生热电子扩散而形成多个电极上电压值组成的向量计算光斑位置；
所述信号处理与控制单元，对所述光斑位置进行计算，并对光源和掩模位置调整运动单元进行控制，实现粗调和精调的控制；
所述预对准控制方法包括如下步骤：
S1、建立粗调光源和精调光源对应的N电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系，即：
，
为光束(I，λ)在热电薄膜坐标位置/>上，产生热电子扩散而形成第N个电极上电压值；I为所选择光源的光强，λ为所选择光源的波长；
将N电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系内置在信号处理与控制单元中；
S2、开启粗调光源，光束透过掩模板的M个对准标记后在热电薄膜上产生电压向量，并通过信号处理与控制单元确定M个对准标记对应的坐标位置，任取三个点组合计算三个点之间距离，得到掩模板空间偏移量，空间偏移量包括水平旋转角度和轴线旋转角度，根据组合中计算最大空间偏移量控制掩模位置调整运动单元进行旋转和倾角调节；反复迭代至空间偏移量小于预设值，粗调结束；
S3、开启精调光源，光束透过掩模板的M个对准标记后在热电薄膜上产生电压向量，并通过信号处理与控制单元确定M个对准标记对应的坐标位置，任取单点对准标记的实际坐标位置与所述信号处理与控制单元确定的坐标位置计算水平X轴和Y轴的偏移量，根据所有预对准标记点最大偏移量确定掩模的平移位置，反复迭代至坐标位置与掩模M个对准标记几何位置对应，精调结束。
2.根据权利要求1所述的掩模预对准控制方法，其特征在于，所述精调光源为单色激光光源，准直后光斑比粗调光源光斑直径小3倍以上，其波长大于粗调光源波长。
3.根据权利要求1所述的掩模预对准控制方法，其特征在于，所述粗调光源为LED或激光光源，其光波段在可见光波段。
4.根据权利要求1所述的掩模预对准控制方法，其特征在于，所述掩模板有M个对准标记，其中M≥2，对准标记小圆孔，孔径r取值表达式如下：
，
其中，为精调光源的波长；d为掩模到多电极热电薄膜之间的距离。
5.根据权利要求1所述的掩模预对准控制方法，其特征在于，所述多电极热电薄膜位置分析单元有N个感应电极，有一个电极接地；当光照射在一个或多个热电薄膜位置时，形成N-1个电压值，组成一个电压向量。
6.根据权利要求1所述的掩模预对准控制方法，其特征在于，S1中，N电极电压向量与热电薄膜精细坐标之间的关系的建立方法为深度学习过程，其步骤包括：
S1.1、通过采集N个电极热电薄膜对同一光源在不同位置下N-1个电极上电压值，并依次排列组成向量；相邻坐标横轴和纵轴间距取决于光斑短轴和长轴长度，即：
，
其中，和/>分别为光源光束照射在热电薄膜上沿着x方向和y方向的步长；/>和/>为光源发出光斑的短轴和长轴长度；
S1.2、利用采集的位置坐标和对应电压向量构建训练卷积神经网络；
将采集的位置坐标和对应电压向量构成数据集，并按照6：2：2比例随机分为训练集、测试集和验证集；对单个向量中的N-1个电压值组成P*P方形矩阵；
其中，；
通过上采样方式将P*P矩阵扩展到100*100；
进行深度学习训练，并进行迭代测试，得到最优神经网络；
S1.3、根据对准标记的数量M，将验证集中非近邻、非次近邻和非次次近邻的坐标对应电压向量以M个自由组合累加组合，训练集进行扩容，以训练最优的神经网络结合主成分分析算法进行验证，优化主成分分析对应参数。
7.根据权利要求1所述的掩模预对准控制方法，其特征在于，热电薄膜区域的形状包括矩形、三角形、圆形和梯形。
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2023
- 2023-07-31 CN CN202310947006.9A patent/CN116666291B/zh active Active
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