一种基于频谱面振幅调制的对准系统及对准信号处理方法.pdf

本发明公开一种基于频谱面振幅调制的对准系统，包括：对准光束，用于照射对准标记，对准标记被照射后产生的反射光束带有对准标记信号A；成像物镜组，用于使所述对准标记信号A带有频谱信息，成为对准标记信号B；第一探测单元，用于探测所述对准标记信号B；其特征在于，还包括：振幅调制器，用于使所述对准标记信号B带有振幅调制信息，成为对准标记信号C；第二探测单元，用于探测所述对准标记信号C；所述第一探测单元和第二探测单元获取各自信号后提供给处理器，供所述处理器计算，用于控制对准过程。

1.  一种基于频谱面振幅调制的对准系统，包括：
对准光束，用于照射对准标记，对准标记被照射后产生的反射光束带有对准标记信号A；
成像物镜组，用于使所述对准标记信号A带有频谱信息，成为对准标记信号B；
第一探测单元，用于探测所述对准标记信号B；
其特征在于，还包括：
振幅调制器，用于使所述对准标记信号B带有振幅调制信息，成为对准标记信号C；
第二探测单元，用于探测所述对准标记信号C；
所述第一探测单元和第二探测单元获取各自信号后提供给处理器，供所述处理器计算，用于控制对准过程。

2.  如权利要求1所述的对准系统，其特征在于，照明单元包括照明光源和光源控制器，所述照明光源，用于提供所述对准光束；所述光源控制器，用于实现所述对准光束的照明模式和参数进行切换。

3.  如权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述对准系统还包括分光单元，所述分光单元将所述对准标记信号B分离，转折一部分所述对准标记信号B，提供给所述第一探测单元；保持另一部分所述对准标记信号B继续直射，至所述振幅调制器，所述分光单元亦将经过所述振幅调制器调制后的所述对准标记信号C提供给所述第二探测单元。

4.  如权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述第一探测单元包括一第一镜组，用于将部分的所述对准标记信号B汇聚至第一探测器。

5.  如权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述第二探测单元包括第二镜组，用于将部分的所述对准标记信号C汇聚至第二探测器。

6.  如权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述照明光源为单色光或一定带宽的复色光。

7.  如权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述照明光源为紫外光源、可见光光源或红外光源。

8.  如权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述光源控制器的模式切换为自动切换或手动切换。

9.  如权利要求1至8中任一所述的对准系统，其特征在于，所述振幅调制器为反射式或透射式空间光调制器。

10.  一种基于频谱面振幅调制的对准信号处理方法，其特征在于，步骤为：
利用光源照射对准标记生成对准标记信息；
将所述对准标记信息转换为频谱信号；
将所述频谱信号分光至第一探测单元和振幅调制器；
所述第一探测单元直接探测所述频谱信号；
所述第二探测单元探测经所述振幅调制器振幅调制后的所述频谱信号；
将所述第一探测单元和第二探测单元探测得的信号，提供给处理器；
所述处理器，用于信号数据处理，控制对准过程。

一种基于频谱面振幅调制的对准系统及对准信号处理方法
技术领域
本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种基于频谱面振幅调制的对准系统及对准信号处理方法。 
背景技术
 在半导体IC集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能制作完成。除了第一次光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形与以前层次曝光留下的图形进行精确定位，这样才能保证每一层图形之间有正确的相对位置，即套刻精度。通常情况下，套刻精度为光刻机分辨率指标的1/3～1/5，对于100纳米的光刻机而言，套刻精度指标要求小于35nm。套刻精度是投影光刻机的主要技术指标之一，而掩模与硅片之间的对准精度是影响套刻精度的关键因素。当特征尺寸CD要求更小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对准精度的要求变得更加严格，如90nm的CD尺寸要求10nm或更小的对准精度。 
对准系统为光刻机中重要的分系统之一，其不仅面临着日益增加的对准精度的要求的同时，还会受到半导体加工工艺，如涂胶、溅射、电路图案的诸多影响，使得对准标记图像噪声增加、边缘变模糊，从而影响软件对对准位置的计算精度。 
又如在半导体器件先进封装制程中实现多层堆叠的二维平面器件的集成，对硅片的图案的双面对准提出了更高的要求，用机器视觉的原理进行穿透式的背面对准为公知技术，其原理示意图如图1中所示，由于需要用红外穿透硅片的方式进行背面对准，上述工艺对对准精度的影响更为恶劣。 
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于频谱面振幅调制的对准系统及对准信号处理方法，针对不同的工艺情况和对准标记自适应的改变照明方式和频谱面振幅滤波的方式，达到去除噪声、增强图像的功能，增加对准系统的精度和工艺适应性的目的。 
为了实现上述发明目的，本发明公开一种基于频谱面振幅调制的对准系统，包括：对准光束，用于照射对准标记，对准标记被照射后产生的反射光束带有对准标记信号A；成像物镜组，用于使所述对准标记信号A带有频谱信息，成为对准标记信号B；第一探测单元，用于探测所述对准标记信号B；其特征在于，还包括：振幅调制器，用于使所述对准标记信号B带有振幅调制信息，成为对准标记信号C；第二探测单元，用于探测所述对准标记信号C；所述第一探测单元和第二探测单元获取各自信号后提供给处理器，供所述处理器计算，用于控制对准过程。 
更进一步地，照明单元包括照明光源和光源控制器，所述照明光源，用于提供所述对准光束；所述光源控制器，用于实现所述对准光束的照明模式和参数进行切换。 
更进一步地，所述对准系统还包括分光单元，所述分光单元将所述对准标记信号B分离，转折一部分所述对准标记信号B，提供给所述第一探测单元；保持另一部分所述对准标记信号B继续直射，至所述振幅调制器，所述分光单元亦将经过所述振幅调制器调制后的所述对准标记信号C提供给所述第二探测单元。 
更进一步地，所述第一探测单元包括一第一镜组，用于将部分的所述对准标记信号B汇聚至第一探测器。所述第二探测单元包括第二镜组，用于将部分的所述对准标记信号C汇聚至第二探测器。 
更进一步地，所述照明光源为单色光或一定带宽的复色光。所述照明光源为紫外光源、可见光光源或红外光源。 
更进一步地，所述光源控制器的模式切换为自动切换或手动切换。 
更进一步地，所述振幅调制器为反射式或透射式空间光调制器。 
本发明还公开了一种基于频谱面振幅调制的对准信号处理方法，其特征在于，步骤为：利用光源照射对准标记生成对准标记信息；将所述对准标记信息转换为频谱信号；将所述频谱信号分光至第一探测单元和振幅调制器；所述第一探测单元直接探测所述频谱信号；所述第二探测单元探测经所述振幅调制器振幅调制后的所述频谱信号；将所述第一探测单元和第二探测单元探测得的信号，提供给处理器；所述处理器，用于信号数据处理，控制对准过程。 
与现有技术相比较，第一、本发明采用自适应的频谱面振幅滤波的方式，根据对准标记信息的反馈信号，自适应的提取频谱面只与相应对准标记相关的衍射频次信息，去除其余无用信号的干扰，提高对准图像的信噪比。 
第二、采用的自适应振幅滤波的方式还可以有选择性的选取需要的标记各级衍射频次信息，达到增强图像的目的，提高对准精度。 
第三、本发明中的自适应振幅滤波技术可与改变不同的照明方式相结合，最大程度的提高对准图像质量和信噪比，增加对准系统的精度及工艺适应性。 
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。 
图1是现有技术中常用的穿透式红外背面对准系统结构示意图； 
图2是本发明所示出的频谱面振幅调制对准系统第一实施方式的示意图；
图3是对准镜头傅立叶成像模型示意图；
图4是光栅对准标记的结构示意图；
图5是部分相干照明情况下标记频谱信息分布示意图；
图6是环形照明情况下标记频谱信息分布示意图；
图7是本发明所示出的频谱面振幅调制对准系统第二实施方式的示意图；
图8是本发明所示出的频谱面振幅调制对准系统第三实施方式的示意图；
图9是本发明所示出的频谱面振幅调制对准系统第四实施方式的示意图；
图10是本发明所示出的频谱面振幅调制对准系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。 
为改善现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于频谱面自适应振幅调制的对准系统，对不同的工艺情况和对准标记在频谱面进行相对应的噪声去除滤波和选择衍射级次的图像增强控制，增加复杂工艺情况下对准系统的精度和工艺适应性。另外，自适应的改变照明方式与频谱振幅调制搭配实施也作为一个技术方案在本发明中提出。 
本发明所提供的频谱面振幅调制对准系统的第一实施方式的示意图如图2所示，对准光源1发出的光经照明系统2a、分光棱镜3后，其中一束光经反射进入成像物镜组4后对对准标记5进行照明，形成对准标记信号A；对准标记信号A被成像物镜组4收集并进行傅立叶变换，形成对准标记信号B；对准标记信号B的频谱分布位于频谱面6a处，其中一束光经中继镜组7、分光棱镜8、镜组9后被探测器10收集，此为原始的未经振幅调制的对准信号，可以作为反馈信号来使用；另一束光经中继镜组7、分光棱镜8到达与频谱面6a的共轭面6b，在频谱共轭面6b处加反射式空间光调制器11（如DMD）对对准标记信号B进行振幅调制形成对准标记信号C，调制后的对准标记信号C经分光棱镜8、频谱信息到成像信息转换镜组12、13、14后成像于探测器15上。 
其中探测器10接收到未进行振幅调制的对准标记信号B信号后，将信号B传递给处理器16，处理器16对原始信号进行分析后得出对准标记5的类型及进行频谱振幅滤波的区域，处理器16分析结果发送给控制器17，控制器17发出控制信息，控制反射式空间光调制器11进行动作，对相应对准标记5的频谱信息进行振幅调制，调制好的频谱信息C被探测器15接收；探测器15所得的探测标记信息再发送给处理器16进行处理，最终处理器给出对准位置信息。 
本发明基于傅立叶光信息处理的原理，其示意图如图3所示，光源S11通过照明镜组102均匀照明标记物103，标记物103通过其后的镜组104将标记信息进行第一次傅里叶变换获得频谱面105的频谱信息，考虑光源11照明状态的影响，对照明面多点叠加的光源分布函数为： 

标记物103的图案描述为振幅和相位的透过率函数：

则对成像部分输入的标记物相关的光场分布函数为：

频谱面105的频谱信息分布函数为：

频谱面105的频谱信息经镜组106进行傅立叶反变换获得最终的像面强度分布信息，如下：

由以上可知，频谱面信息分布与光源的分布、标记物的特征、镜头的参数相关，要进行频谱面振幅调制则需要明确获得对应照明状态和标记物的频谱位置信息。
本技术方案中的光学系统工作波段可为单色光或一定带宽的复色光，对于复色光调制的系统，主要的影响因素为不同波长的衍射级次相互叠加，计算衍射级次叠加的方法如下： 
将物近似为栅距为d的衍射光栅，光栅的衍射方程为：
，其中θ为对应波长的衍射角，λ为衍射波长。
设成像物镜焦距为，那么不同波长、在物镜的频谱面衍射级次m的位置由下式表示： 
，当波长的第m+1级衍射光斑与波长的第m级衍射光斑完全重合时，此时限制了系统的波段宽度，当然，此宽度与标记的参数和频谱滤波的方式相关。
本技术方案中的频谱面振幅滤波方式为，处理器16通过对原始对准标记信息的处理，获得在特定照明模式下、对应标记5的频谱面振幅分布位置，控制反射式空间光调制器11动作，只反射需要的有效信息，提高对准标记5成像的信噪比，并且通过反射式空间光调制器阵列采样，控制0级光及更高级次的衍射光的强度分布，增强对准标记5的成像质量。 
举例而言，如图4所示，若对准标记5为光栅标记，那么在部分相干照明的情况下，频谱面的振幅信息分布如图5中所示。图5是部分相干照明情况下标记频谱信息分布示意图。图5中，DMD单元的范围如图5中的503所示，光瞳范围为501。控制反射式空间光调制器阵列503对噪声去除区域502的光不反射，对不同衍射级次的光的范围选择性采样反射以达到控制光强的目的，如0级衍射光504分布范围的反射式空间光调制器阵列单元只开启50%，这样0级光的衰减504即为50%，由此提高更高级次衍射光对成像的贡献，增强成像质量。505为1级衍射光，506为2级衍射光。本技术方案中所述光源1，可为紫外、可见光、或红外波段；本技术方案中所述调制前信号，可为图像信息或频谱信号；本技术方案中所述反射式空间光调制器，可以DMD微反射镜阵列或者有类似功能的元件。 
图6是环形照明情况下标记频谱信息分布示意图。 
本发明所提供的第二实施方式如图7中所示，该第二实施例与第一实施例的主要区别为用透射式空间光调制器18和反射组件19组合使用代替反射式空间光调制器11； 
该方案的工作流程为：
对准光源1发出的光经照明系统2a、分光棱镜3后，其中一束光经反射进入成像物镜组4后对对准标记5进行照明，形成对准标记信号A；对准标记信号A被成像物镜组4收集并进行傅立叶变换，形成对准标记信号B；对准标记信号B的频谱分布位于频谱面6a处，其中一束光经中继镜组7、分光棱镜8、镜组9后被探测器10收集，此为原始的未经振幅调制的对准信号，可以作为反馈信号来使用；另一束光经中继镜组7、分光棱镜8到达与频谱面6a的共轭面6b，在频谱共轭面6b处加反射式空间光调制器11（如DMD）对对准标记信号B进行振幅调制形成对准标记信号C，调制后的对准标记信号C经分光棱镜8、频谱信息到成像信息转换镜组12、13、14后成像于探测器15上。调制后的对准标记5信号C传给处理器16进行处理，从而得到对准位置信息。
本发明所提供的第三实施方式如图8中所示，该第三实施例与第二实施例的主要区别为取消反射镜组件19，被调制后的信号直接经成像信息转换镜组12、14成像与探测器15上，调制后的对准标记005信号传给处理器16进行处理，从而得到对准位置信息。 
第四实施方式为以上方案的汇总，信号调制部分直接用空间光调制器20代替，不对其型号和使用方法做限制，调制后的信号经成像转换镜组21后被探测器15接收，发送给处理器进行处理。第四实施方式中加入了对光源照明模式的控制，控制器17控制照明模式切换单元2b进行照明模式的切换，以达到更好的调整效果和工艺适应性。对不同的照明模式的滤波方法的举例如图6环形照明情况下标记频谱信息分布所示。 
第四实施方式中所述的照明模式切换单元2b，其作用为根据控制器17的指令实时的切换照明模式和参数，如非相干照明、部分相干照明及相干因子、环形照明及相干因子、倾斜照明、暗场照明等。 
第四实施方式的对准系统工作流程如图10中，频谱面振幅调制对准系统工作流程图所示。该对准系统工作流程如下:1001将对准标记移到视场中心；1002对准光源开启；1003光源模式控制单元按预设工作；1004对准标记频谱信息；1005调制器反馈信号进行调制；1006成像转换镜组；1007探测；1009信号处理及控制单元根据1008未加调制对准信号和1007探测信号进行输出，并产生控制信号控制反馈至1003和1005。 
与现有技术相比较，第一、本发明采用自适应的频谱面振幅滤波的方式，根据对准标记信息的反馈信号，自适应的提取频谱面只与相应对准标记相关的衍射频次信息，去除其余无用信号的干扰，提高对准图像的信噪比。 
第二、采用的自适应振幅滤波的方式还可以有选择性的选取需要的标记各级衍射频次信息，达到增强图像的目的，提高对准精度。 
第三、本发明中的自适应振幅滤波技术可与改变不同的照明方式相结合，最大程度的提高对准图像质量和信噪比，增加对准系统的精度及工艺适应性。 
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。