一种使用信号处理的方法进行硅片对准的对准系统及方法

摘要

本发明提出了一种使用信号处理的方法进行对准的对准系统及使用该对准系统的对准方法，通过使用步进方式扫描对准标记，基于对准标记及相应的参考光栅的特殊结构，可以通过对扫描得到的光强信号进行数字滤波的方法，提取其光强信号的第三级信号用于对准，通过分析该对准信号振荡波形中最靠近原始光强信号中心位置的峰值位置，可以得到对准位置。本对准系统与对准方法通过步进扫描结合光栅标记与参考光栅的结构设计，并使用扫描光强信号的第三级信号进行对准的方法，因而具有较高的对准精度。

说明书

技术领域

本发明与集成电路或其它微型器件制造领域的光刻装置有关，特别涉及一种基于对准信号频谱的硅片对准系统与对准方法。

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，以保证两层图形之间的正确相对位置，即套刻的精度。套刻精度是投影光刻机的关键技术指标之一。影响套刻精度的因素众多，其中掩膜与硅片之间的对准精度是其中一个重要的影响因素。

早期的光刻对准系统采用的是掩模-硅片直接对准的方式，由于对准光源需经过投影物镜，这就要求投影物镜要同时考虑曝光光源和对准光源的透过率。当曝光光源采用深紫外光源(波长193nm或248nm)以提高光刻分辩力时，即使投影物镜只镀深紫外单峰增透膜已经非常困难了，几乎没有可能再保证对准光源的透过率。因此，深紫外光刻对准系统通常采用掩模对准加硅片对准的间接对准方式。具体而言，通过在工件台基准板上设置对准标记，采用曝光光源作为对准光源，实现掩模对准标记与基准板标记之间的对准；同时采用专用对准光源，实现硅片标记与基准板标记之间的对准；从而间接地建立硅片标记与掩模标记之间的位置坐标关系，即实现了掩模硅片的对准。

硅片对准系统通常采用激光分布对准方式(Laser Step Alignment，LSA)、场像对准方式(Field Image Alignment，FIA)和激光干涉对准方式(LaserInterferometric Alignment，LIA)。场像对准方式使用宽波光源，通过探测对准标记和参考标记的明场图像，由图像处理的方法得到对准标记的边缘位置，从而得到对准标记相对于参考标记的位置。该硅片对准系统包括一个照明光源、一个传导光纤，光源采用卤素灯照明或者其它宽波照明系统；如图1所示，照明光束从反射镜1上方入射，经过透镜1、反射镜2、透镜2和反射镜3垂直入射到硅片对准标记上，从对准标记反射的光束经过透镜2和透镜3组成的双远心成像系统成像；像面位置为参考标记平面，参考标记平面是由刻有不透光的参考标记的透明介质构成，这些标记由一些相互垂直的横线和竖线组成，分别用于X和Y方向的对准。参考标记的位置以基准标记作为参考。经参考标记平面透过的光束包含了对准标记和参考标记的信息，标记和参考标记再经成像透镜3同时成像在用于X方向信号探测的CCD相机1和用于Y方向信号探测的CCD相机2上。两个CCD相机线性步进扫描输出X和Y方向的视频信号，输入到对准信号处理单元。信号处理单元根据获得信号强度曲线，求解出标记所成像的中心X_c(或Y_c)，并通过参考标记所成像的X_l和X_r(或Y_l和Y_r)与基准板建立坐标关系，实现硅片与基准板之间的对准。

进一步地，美国专利US 6876946公布了一种基于场像对准方式的硅片对准系统，该对准系统采用图1所示的对准装置，根据获得的标记图像信号确定标记中心，并通过参考标记图像信号，建立硅片标记与基准板标记之间的位置关系。此外，美国专利US 7038777也采用了类似的装置和方法实现硅片对准。本质上，这些发明中确定对准位置的方法是利用标记所成像的灰度或信号强度曲线，通过获取曲线的中心位置或曲线上某个特定位置确定标记的位置坐标。其对准精度依赖于用来获取标记图像的CCD相机的分辨率，而通常所用的CCD相机其实际能提供的精度只能达到图像上每两个象素点对应的物体上两点之间的实际距离为1微米左右。这样的对准精度满足不了进一步提高的光刻对准精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用信号处理的方法进行硅片对准的对准系统及方法，以提高光刻设备的对准精度。

为达到上述目的，本发明提供一种用于光刻设备的硅片对准系统，包括：光源模块，激光调制模块，对准标记，照明与成像单元，对准信号采集单元，对准信号处理单元，以及位置采集与运动控制单元；所述光源模块提供照明光，所述激光调制模块调制所述照明光，所述照明与成像单元将硅片对准标记成像于对准信号采集单元的参考光栅上，并由所述对准信号采集单元将光信号转换为数字信号，所述对准信号处理单元对对准信号采集单元输出的信号进行拟合并提取对准位置，所述位置采集与运动控制单元根据该提取出的对准位置，控制工件台运动到指定位置，所述对准标记包括两组排列方向相互垂直的标记，所述每组标记由一组等间距排列的线条构成，相邻线条之间形成沟槽，且线条宽度小于槽宽；所述对准信号采集单元包括光电信号处理器、模数转换模块和数字滤波器。

所述对准标记包括位于硅片上的硅片对准标记和位于基准板上的基准板标记，所述硅片对准标记和所述基准板对准标记具有完全相同的结构。

所述参考光栅为透射型光栅，光栅图形具有与所述对准标记相同的周期，且所述光栅图形上的线条个数与所述对准标记中每组标记的线条个数相同，所述光栅图形的占空比大于所述对准标记的占空比。

所述光源模块是波长为300nm～800nm的单波长激光光源。较佳的，所述光源是波长为633纳米的红光或波长为532纳米的绿光。

所述激光调制模块对激光信号进行高频调制。

所述照明与成像单元包括中继透镜、半透半反镜、物镜、反射镜以及透镜，其中所述物镜和透镜组成双远心成像系统。

所述对准信号采集单元还包括位于光电信号处理之前的参考光栅和光电探测器，所述对准信号采集单元对硅片标记和/或基准板标记的步进扫描信号进行滤波、模数转换后，获取该数字信号中的第三级信号。其中，所述光电信号处理器包括模拟带通滤波器，且其通带频率包含所述激光调制模块的调制信号的频率。所述数字滤波器包括低通数字滤波器和高通数字滤波器，所述低通数字滤波器的截止频率为所选取的对准信号的频谱中第三级信号的上限，所述高通数字滤波器的截止频率为所选取的对准信号的频谱中第三级信号的下限。

所述对准信号处理单元包括对准信号拟合环节、对准位置求解环节、对准控制环节。其中，所述对准信号拟合环节以正弦模型对对准信号进行拟合处理。所述对准位置求解环节根据拟合得到的拟合曲线求取其最靠近原始信号中心位置的一个峰值位置，作为对准位置。所述对准控制环节将获得的对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储所述位置坐标。所述对准控制环节控制位置采集与运动控制单元、对准信号采集单元，以及整个对准系统的控制与操作。

所述位置采集与控制单元包括位置数据采集模块，用于承载工件台的运动台，以及运动控制模块；所述位置采集模块采集工件台的位置信息，并将位置数据实时地提供给对准信号处理单元和运动控制模块；所述运动控制模块控制运动台带动工件台到特定的位置，对硅片标记或基准板标记进行步进扫描；所述运动台由直线电机驱动，在运动控制模块的控制下，在水平面内正交方向上进行直线往复运动和高精度定位。

相应的，本发明还提供了一种用于光刻设备的硅片对准方法，包括如下步骤：

步骤1、对准信号处理单元下发待对准的硅片标记或基准板标记的位置到运动控制模块；

步骤2、运动控制模块控制工件台移动所述标记到指定位置；

步骤3、打开对准光源，照射所述标记；被照射部分标记经成像系统成像于参考光栅上；经参考光栅调制后投射到参考光栅后面的光电探测器，光电探测器收集所述标记所成像产生的光强信号；

步骤4、按步骤3的方法，以步进方式扫描所述标记后，光电探测器采集到一个连续的光强信号，该光强信号经过滤波去噪和模数转换后得到一组数字离散信号；该光强信号还经过数字滤波器进行滤波，得到一个组成该对准信号的第三级信号；

步骤5、在完成了对整个标记的步进扫描之后，对准信号处理单元对步骤4滤波得到的信号进行拟合处理、求解对准位置，并根据当前工件台的坐标，将获得的对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储起来；

步骤6、对准信号处理单元根据所存储的基准板标记的位置坐标，以及硅片标记的位置坐标，建立二者之间的坐标位置关系。

其中，所述步骤5进一步包括如下具体步骤：

步骤5.1、对准信号处理单元中的对准信号拟合环节对获得的对准信号进行拟合，获得拟合模型的参数；

步骤5.2、对准信号处理单元中的对准位置求解环节根据求得拟合模型参数，确定对准位置；

步骤5.3、对准信号处理单元中的对准控制环节根据当前工件台的位置坐标，将对准位置求解单元求得的对准位置坐标转换为工件台坐标系下的坐标，并存储。

本发明的对准系统通过使用步进方式扫描对准标记，基于对准标记及相应的参考光栅的特殊结构，可以通过对扫描得到的光强信号进行数字滤波的方法，提取其光强信号的第三级信号用于对准，通过分析该对准信号振荡波形中最靠近原始光强信号中心位置的峰值位置，可以得到对准位置。

本对准系统与对准方法通过步进扫描结合光栅标记与参考光栅的结构设计，并使用扫描光强信号的第三级信号进行对准的方法，因而具有较高的对准精度。

附图说明

图1是现有技术的场像对准方式的对准系统示意图；

图2是本发明所涉及的对准系统的一个实施例的示意图；

图3a是本发明的对准标记的俯视图；

图3b是本发明的对准标记的横截面图；

图4是本发明的参考光栅示意图；

图5是光电探测器采集的镜参考光栅调制后的对准标记所成像的光强信息示意图；

图6是经模数转换电路转换得到的数字信号示意图；

图7是本发明的对准信号处理单元结构示意图；

图8是经过模数转换器采样及模数转换产生的数字信号的傅立叶频谱图；

图9是本发明最终的对准信号示意图；

图10是本发明对准信号拟合环节拟合得到的曲线示意图。

附图中：

2、硅片；3、基准板；4、工件台5、位置采集模块；6、运动台；7、运动控制模块；10、光源模块；11、激光调制模块；12、中继透镜；13、半透半反镜；14、物镜；15、反射镜；16、透镜；17、参考光栅；18、传导纤维；19、光电探测器；20、光电信号处理器；21、模数转换电路；22、数字滤波器；23、对准信号拟合环节；24、对准位置求解环节；25、对准控制环节；100、照明与成像单元；200、对准信号采集单元；300、对准信号处理单元；400、位置采集与运动控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图2显示了本发明所涉及的对准系统的一个实施例的示意图。该对准系统用于确定硅片标记WM和基准板标记SM之间的位置关系。

如图所示，该对准系统包括：位于硅片2上的对准标记WM和位于基准板3上的对准标记SM，依次设置的光源模块10、激光调制模块11，照明与成像单元100、对准信号采集单元200、对准信号处理单元300，位置采集与运动控制单元400。

所述的硅片对准标记WM和基准板对准标记SM具有相同的结构，该硅片对准标记或基准板对准标记又分为X向标记和Y向标记。任一方向上的标记由一组等间距排列的线条构成，相邻线条之间形成沟槽，且线条宽度小于槽宽，其俯视图如图3a所示，其横截面图如图3b所示。X向标记的线条和沟槽沿X向排列，Y向延伸；Y向标记的线条和沟槽沿Y向排列，X向延伸。

所述的光源模块10采用波长300nm～800nm的单波长激光光源，如633nm的激光光源。光源模块10所发出的照明光束经光纤输出到激光调制模块11。

所述的激光调制模块11对激光进行高频调制。高频调制的目的在于为后续对准信号探测提供高质量的高频载波，以保证对准信号具有足够高的信噪比。经过高频调制后的输出光强信号具有如下表达式：

$I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}(1+\sin \left({\delta }_0\sin \left(2\mathrm{\pi ft}\right)\right))I_{\mathrm{in}}$

其中I_in为输入光光强，I_out为输出光光强，δ₀为调制振幅，f为调制信号频率。

所述的照明与成像单元100包括中继透镜12、半透半反镜13、物镜14和反射镜15，以及透镜16，其中激光调制模块11发出的照明光束经中继透镜12、半透半反镜13、物镜14和反射镜15入射到硅片标记WM或基准板SM上，反射光束经物镜14和透镜16所组成的双远心成像系统将对准标记WM或SM成像于像平面，形成明暗相间的周期性明暗条纹。标记所成的像包含了对准标记的位置、结构与相位等信息。

所述的对准信号采集单元200包括参考光栅17，传导纤维18，光电探测器19，光电信号处理器20，模数转换电路21和数字滤波器22。

其中，所述的参考光栅17是具有和对准标记相同的周期，相同的条纹个数，但是不同的占空比的透射型光栅。如图4所示。图中所示的参考光栅的黑色部分为不透光部分，白色部分为透光部分。

所述的光电探测器19采集经参考光栅17调制后的对准标记所成像的光强信息。以对准标记和参考光栅17都具有3个条纹数为例，该光强信号具有如图5所示的形式。

所述的光电信号处理器20具有将光强信号进行滤波去噪的功能，得到频谱在调制信号频率附近的一个频段的信号。具体的，所述光电信号处理器20包括模拟带通滤波器，且其通带频率包含所述激光调制模块11的调制信号的频率。

所述的模数转换电路21将得到的模拟信号转换为数字信号，如图6所示。

所述的数字滤波器22对该数字信号进行滤波，得到组成该数字信号的第三级的信号。

如图7所示，所述的对准信号处理单元300包括对准信号拟合环节23、对准位置求解环节24和对准控制环节25，用于对准信号的处理、对准位置的确定、工件台位置数据的采集，以及工件台的运动控制等。其中，对准信号拟合环节23用于对获得的对准信号进行拟合，获得拟合模型的参数；对准位置求解环节24用于求解对准位置，获取对准标记处于对准位置时工件台的位置坐标；对准控制环节25用于控制位置采集与运动控制单元400，以及整个对准系统的控制与操作。

对准信号拟合环节23用于对获得的对准信号进行拟合处理。拟合模型可选为如下所示的正弦曲线模型：

S(x)＝DC+Acos(2πx/p)+Bsin(2πx/p)

式中，DC，A，B为模型参数。由最小二乘法，容易求解出参数DC，A，B。

对准位置求解环节24根据获得的模型参数，求解出对准信号的峰值点以确定对准位置。

对准控制环节25用于将获得的对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储该位置坐标；同时，对准控制环节25还用于控制位置采集与运动控制单元400，以及整个对准系统的控制与操作。

所述的位置采集与运动控制单元400包括工件台4，位置数据采集模块5，运动台6和运动控制模块7。

所述的位置数据采集模块5用于采集工件台4的位置信息，并将位置数据实时地提供给对准信号处理单元300和运动控制模块7；运动控制模块7用于控制运动台6带动工件台4运动到特定的位置，以便于对硅片标记WM或基准板标记SM进行步进扫描；运动台6由直线电机驱动，在运动控制模块7的控制下，可实现横向(x向)或竖向(y向)的直线往复运动和高精度的定位。

本发明还提供了一种利用上述系统的对准方法，具体包括如下步骤：

步骤1、对准信号处理单元300下发待对准的硅片标记WM或基准板标记SM的位置到运动控制模块7。

步骤2、运动控制模块7控制运动台6带动工件台4移动标记到指定位置，以进行步进扫描。

步骤3、打开对准光源10，开始步进扫描对准标记。被照射部分对准标记经成像系统成像于参考光栅17上。参考光栅17后面的光电探测器19采集经参考光栅17调制后的对准标记所成像产生的光强信号，该光强信号经光电信号处理单元20进行滤波处理，以去除噪声。

步骤4、由步骤3产生的模拟信号经过模数转换器21采样及模数转换，产生一个序列的数字信号，如图6。其傅立叶频谱如图8所示。后续的数字滤波即选取其第三级信号，如图中虚线框所示。此数字信号序列分两路下传，一路直接送到对准信号处理单元300，用于后续的比较，另一路传到数字滤波器22中进行滤波，得到最终的对准信号，如图9所示。

步骤5、在完成了对整个对准标记的步进扫描之后，对准信号处理单元300选取步骤5滤波得到的信号进行拟合处理、求解波峰位置，即对准位置，并根据当前工件台4的坐标，将获得的对准位置转换为工件台坐标系下的位置坐标，并存储起来；具体包括如下步骤：

步骤5.1、对准信号处理单元300中的对准信号拟合环节23以正弦模型对对准信号进行拟合，获得拟合模型的参数。拟合得到的曲线如图10中实线所示。

步骤5.2、对准信号处理单元300中的对准位置求解环节24根据求得的拟合模型参数，确定对准位置，即拟合得到的正弦曲线中最靠近原始信号中心位置的峰值位置，如图10中虚线框所示。

步骤5.3、对准信号处理单元300中的对准控制环节25根据当前工件台4的位置坐标，将对准位置求解单元求得的对准位置坐标转换为工件台坐标系下的坐标，并存储。

步骤6、对准信号处理单元300根据所存储的基准板标记SM的位置坐标，以及硅片标记WM的位置坐标，建立二者之间的坐标位置关系。