一种复合光栅纳米光刻自动对准系统.pdf

本发明公开了一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，包括光路部分、图像处理部分和电路控制部分；光路部分包括激光光源、准直成像透镜、掩模板、硅片、掩模复合光栅、硅片复合光栅、分光镜、透镜和CCD图像探测器；激光通过准直成像透镜系统形成平行光，透过两个周期类似、以一定间隙重叠且平行的硅片与掩模上的光栅发生多次衍射，来自两个光栅的同级衍射光发生干涉叠加，形成周期被放大的莫尔条纹，最后成像于CCD图像传感器上。条纹图像可以分为两部分：粗对准部分和精对准部分，对这两部分进行处理进而计算出掩模和硅片之间的相对位移，先后进行粗、精对准，通过电路控制硅片移动，使硅片与掩模完全对准。本发明可以在同一个光栅标记上进行粗、精度对准，易装调，精度高。

权利要求书
1.  一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，包括：光路部分、信号采集部分、图像处理 部分和电路控制部分，其特征在于：光路部分包括激光光源(1)、准直成像透镜(2)、硅 片(3)、掩模板(4)、硅片复合光栅(5)、掩模板复合光栅(6)、分光镜(7)、放大 物镜(8)和CCD图像探测器(9)；信号采集部分和图像处理部分是通过对准信号的采集 得到对准标记的位置信息；电路控制部分是根据采集到的位置信息进行电机驱动从而准确对 准；
激光光源(1)首先经过准直成像透镜(2)之后形成均匀准直的平行光，平行光经过分 光镜(7)之后透过硅片(3)上的硅片复合光栅(5)和掩模板(4)上的掩模板复合光栅(6)， 从而发生多次衍射，两束来自两个光栅的同级衍射光发生干涉叠加就会产生放大的莫尔条 纹，再透过分光镜(7)，经过放大物镜(8)成像于CCD图像探测器(9)上，采集到的图 像通过图像处理部分进行处理，分别计算出粗、精对准时掩模板(4)和硅片(3)之间的相 对位移，通过电路控制部分控制电机转动，使得硅片(3)和掩模板(4)完全对准；
图像处理部分包括图像采集、图像预处理、图像滤波、相位提取和振幅提取、相位差与 偏移量的计算五个部分组成，其中图像采集使用CCD图像探测器采集到图像的数字信号； 图像预处理是处理噪声的过程；图像滤波是在得到的图像信息的基础上进行二维傅里叶变换 之后进行滤波操作；相位提取是在滤波的前提下进行傅里叶逆变换得到相位信息后相位解缠 绕后得到，振幅提取则是提取逆变换之后的复振幅变换而来的；相位差与偏移量是在得到相 位信息的前提下通过相位差与偏移量的数学关系计算后得出。

2.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：所述的 相位差与偏移量是在得到相位信息的前提下通过数学关系计算得到，这个应用于精对准，关 系式表示为：

其中，P1是硅片光栅的周期，且两个正交方向的周期相同，是图像处理中获得的相 位差，Δk是光栅偏移量。

3.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：电路控 制部分包括偏移量对比判断、读取硅片位置信息和电机驱动部分；首先在偏移量算出的基础 上与特定的预设阈值相比较，小于阈值则退出，大于阈值则进行下一步操作；读取硅片信息 之后驱动电机，使得硅片移动偏移量的距离。

4.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：该系统 是用于接近接触式光刻机，掩模板和硅片距离为亚毫米级，约100～300μm。

5.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：相邻掩 模光栅和硅片光栅为复合光栅，掩模、硅片上纵向一维光栅的周期相近，大约相差10％；两 个横向宽度较短的一维光栅的周期等于横向一维光栅莫尔条纹的周期；由于两组不同光栅处 于正交状态，所以频谱不相互重叠，可以分别进行提取。

6.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：此系统 可以同时实现粗、精对准，完全实现自动化，标记易加工，系统易操作。

7.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：复合光 栅纳米光刻自动对准系统中的相邻掩模光栅和硅片光栅为复合光栅，其中掩模光栅是在普通 的一维主光栅的基础上添加了一对用于粗对准的横向次光栅，两个宽度有限的次光栅关于主 光栅对称；硅片光栅也是在普通的一维主光栅的基础上添加了一个居中放置的用于粗对准的 横向次光栅，这个次光栅居于掩模光栅的一对次光栅的对称轴。

8.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：所述的 电路控制部分的阈值设置应为纳米量级，范围为1nm到10nm。

9.  根据权利要求1所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于：相邻掩 模光栅和硅片光栅为复合光栅，掩模、硅片上横向一维光栅的周期相近，大约相差10％；两 个纵向宽度较短的一维光栅的周期等于横向一维光栅莫尔条纹的周期；由于两组不同光栅处 于正交状态，所以频谱不相互重叠，可以分别进行提取。

说明书一种复合光栅纳米光刻自动对准系统
技术领域
本发明涉及光刻中的自动对准系统，特别是一种复合光栅纳米光刻对准系统。属于微细 加工制造技术领域。
背景技术
光学光刻技术一直以来都是大规模电路工业制造技术的基础，随着高集成度、超高集成 电路以及相关器件的研发，IC特征尺寸正依照莫尔定律预言的那样越来越小，业界对光刻技 术以及光刻系统相关精度的要求也随之提高；掩模硅片对准系统作为光刻技术三大核心之一 对光刻技术的发展起着制约或推动作用。
掩模硅片对准系统一般要求对准精度为最细线宽尺寸的1/7～1/10。针对45nm线宽尺寸， 对准精度要求在5nm左右。研究适应新一代纳米光刻对准技术十分必要。
现有的对准技术大体分为两种，投影式光刻对准技术和接近接触式光刻对准技术。前者 发展较快，已经在微电子光刻领域发挥了重要作用，但现有的高精度对准技术还很难满足 22nm以下对准要求，且结构复杂，价格昂贵；后者也有较好发展，特别是纳米压印技术， 未来仍旧有比较大的发展空间，但高分辨率近场光刻技术缺乏与之相对应的对准技术，阻碍 了其自身的发展。
发明内容
本发明需要解决的技术难题：克服现有技术的不足，提供一种复合光栅纳米光刻自动对 准系统，使得该技术可以在同一个光栅标记上同时进行粗、精对准，易于操作，自动化程度 高。
本发明采用的技术方案为：一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，包括：光路部分、信 号采集部分、图像处理部分和电路控制部分；光路部分包括激光光源、准直成像透镜、硅片、 掩模板、硅片复合光栅、掩模板复合光栅、分光镜、放大物镜和CCD图像探测器；信号采 集部分和图像处理部分是通过对准信号的采集得到对准标记的位置信息；电路控制部分是根 据采集到的位置信息进行电机驱动从而准确对准。
其中，激光光源首先经过准直成像透镜之后形成均匀准直的平行光，平行光经过分光棱 镜之后透过硅片上的硅片复合光栅和掩模板上的掩模板复合光栅，从而发生多次衍射。两束 来自两个光栅的同级衍射光发生干涉叠加就会产生放大的莫尔条纹，再透过分光镜，经 过放大物镜成像于CCD图像探测器上，采集到的图像通过图像处理部分进行处理，分别计 算出粗、精对准时掩模板和硅片之间的相对位移。通过电路控制部分控制电机转动，使得硅 片和掩模板完全对准。
其中，图像处理部分包括图像采集、图像预处理、图像滤波、相位提取和振幅提取、相 位差与偏移量的计算五个部分组成，其中图像采集使用CCD图像探测器采集到图像的数字 信号；图像预处理是处理噪声的过程；图像滤波是在得到的图像信息的基础上进行二维傅里 叶变换之后进行滤波操作；相位提取是在滤波的前提下进行傅里叶逆变换得到相位信息后相 位解缠绕后得到，振幅提取则是提取逆变换之后的复振幅变换而来的；相位差与偏移量是在 得到相位信息的前提下通过相位差与偏移量的数学关系计算后得出。
进一步的，所述的相位差与偏移量实在得到相位信息的前提下通过数学关系计算得到， 这个用于精对准中，关系式表示为：

其中，P1是硅片光栅的周期(两个正交方向的周期相同)，是图像处理中获得的相 位差，△k是光栅偏移量。
进一步的，本发明中的电路控制部分包括偏移量对比判断、读取硅片位置信息和电机驱 动部分；首先在偏移量算出的基础上与特定的预设阈值相比较，小于阈值则推出，大于阈值 则进行下一步操作；读取硅片信息之后驱动电机，使得硅片移动偏移量的距离。
进一步的，本发明中的自动对准系统是用于接近接触式光刻机，掩模板和硅片距离为亚 毫米级，约100～300μm。
进一步的，相邻掩模光栅和硅片光栅为复合光栅，掩模、硅片上纵向一维光栅的周期相 近，大约相差10％。两个横向宽度较短的一维光栅的周期等于横向一维光栅莫尔条纹的周期。 由于两组不同光栅处于正交状态，所以频谱不相互重叠，可以分别进行提取。
进一步的，此系统可以同时实现粗、精对准，完全实现自动化，标记易加工，系统易操 作。
进一步的，本发明中的复合光栅纳米光刻自动对准系统中的相邻掩模光栅和硅片光栅为 复合光栅。其中掩模光栅是在普通的一维主光栅的基础上添加了一对用于粗对准的横向次光 栅，两个宽度有限的次光栅关于主光栅对称；硅片光栅也是在普通的一维主光栅的基础上添 加了一个居中放置的用于粗对准的横向次光栅，这个次光栅居于掩模光栅的一对次光栅的对 称轴。
进一步的，本发明中所述的电路控制部分的阈值设置应为纳米量级，范围为1nm到 10nm。
进一步的，根据权利一所述的一种复合光栅纳米光刻自动对准系统，其特征在于相邻掩 模光栅和硅片光栅为复合光栅，掩模、硅片上横向一维光栅的周期相近，大约相差10％。两 个纵向宽度较短的一维光栅的周期等于横向一维光栅莫尔条纹的周期。由于两组不同光栅处 于正交状态，所以频谱不相互重叠，可以分别进行提取。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明提出了一种新颖的对准标记，可以在保证精度的同时进行粗、精同时对 准。
(2)、本发明是在双光栅对准技术上的一个改进，比现有的技术更加易于操作，可以 广泛的应用在接近接触式光刻对准技术中。
附图说明
图1为本发明光路结构示意图；
图2a是掩模光栅标记布局示意图；
图2b是硅片光栅标记布局示意图；
图3a是掩模、光栅未对准时的莫尔条纹图像；
图3b是掩模、光栅对准时的莫尔条纹图像；
图4是掩模、光栅对准时候的频谱图；
图5是上部分是粗对准完全对准时候的振幅图像；下部分是粗对准完全对准时候的振幅 图像；
图6是本发明图像处理部分实现框图；
图7是本发明电路控制部分实现框图；
图8为本发明整个系统的反馈流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明光路部分由激光光源1、准直成像透镜2、硅片3、掩模板4、硅片 复合光栅5、掩模板复合光栅6、分光镜7、放大物镜8和CCD图像探测器9。激光光源1 通过准直成像透镜2后为平行出射光，平行光透过周期近似的硅片复合光栅5和掩模板复合 光栅6，这两个光栅重叠距离大约100μm～300μm，从而发生多次衍射，来自于两个光栅的两 束同级衍射光发生干涉叠加，在硅片复合光栅5的表面形成周期相对于原先光栅被放大的莫 尔干涉条纹，再透过分光镜7，经过放大倍率为5X～10X的放大物镜8成像于CCD图像探 测器9上。当两个硅片存在相对位移时，两组条纹的相位发生变化。
如图2a，2b所示，掩模板复合光栅和硅片复合光栅采用图2的布局，它们的主纵向一 维光栅周期分别为P1和P2，本发明中我们采用P1＝3μm，P2＝3.3μm。次横向一维光栅周期为 P3＝33μm。光线透过两个光栅形成多次衍射并产生(+1，-1)级莫尔条纹。图3为根据图2 所示的标记仿真的莫尔条纹，通过这个条纹图像对两部分(粗、精对准部分)分别进行处理， 先后经过傅里叶变换，加窗滤波，傅里叶逆变换，得到复振幅之后，粗对准可以直接使用振 幅大小进行对准，精对准还需要进行解相位，从而可以计算出相对于对准时候的位移量。
如图4所示，本发明的图像处理部分由五部分组成，分别是图像采集、图像预处理、图 像滤波、相位提取和振幅提取、相位差与偏移量的计算。首先对CCD采集到的图像进行预 处理得到清晰，信噪比高的图像，然后对得到的图像进行傅里叶变换进入频域，通过滤波并 提取有效频率部分，分别计算出粗、精对准部分的振幅和相位，求出相位差，从而得到硅片 与掩模的偏移量。
如图5所示，本发明中的电控部分首先获得掩模板和硅片的偏移量，再判断偏移量的绝 对值与某一设定的阈值进行比较，本发明中选择的阈值为4nm，如果小于阈值则退出，如果 大于阈值，则先确定硅片与掩模板的位置，再确定硅片移动方向，最后通过点击驱动硅片， 是的硅片移动偏移量的距离。
如图6所示，本发明中的整个反馈流程为：两个光栅产生干涉条纹通过CCD获得条纹 图像，再通过图像处理部分计算出掩模板硅片的偏移量，送入电路控制部分进行比较，如果 未对准，则反馈通过电机驱动硅片移动，如此完成一次对准过程，进入第二轮成像环节，直 至偏移量小于设定的阈值，整个过程实现了完全自动化。
本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。