專利名稱：一種大面積投影光刻系統(tǒng)及其對(duì)準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種大面積投影光刻系統(tǒng)及其對(duì)準(zhǔn)方法，特別是一種用于光學(xué)投影曝光微納加工光刻領(lǐng)域中的掩模硅片對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。屬于大面積投影光刻系統(tǒng)及其對(duì)準(zhǔn)方法的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
光刻投影物鏡、掩模硅片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、激光定位工件臺(tái)并稱為投影光刻機(jī)的三大核心部分。由于高密度的印刷電路板布線或者集成電路芯片都需要多次曝光才能制作完成， 即每一次曝光前都需要與前面已曝光的圖形進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)后才能曝光，以保證每次曝光都有正確的相對(duì)位置，簡(jiǎn)稱為套刻曝光，而套刻精度正是取決于上述三大核心部件中的掩模硅片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度。掩模硅片對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)按探測(cè)器的類型可分為衍射光柵型與光度型兩種。前者是通過相位變化來測(cè)量，目前的高精度投影光刻機(jī)基本都是采用該類型，但由于該類型的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)使用了分別為相位光柵與振幅光柵的兩塊高密度光柵，并需要后續(xù)的多塊半玻片、1/4玻片、光強(qiáng)調(diào)制器激光干涉儀等光學(xué)元件作為伺服系統(tǒng)，制作成本高昂。后者主要采用CCD視頻信號(hào)通過光強(qiáng)的變化作為對(duì)準(zhǔn)依據(jù)，也就是將掩模與硅片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記同時(shí)成像在CCD 上，通過計(jì)算對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的圖像中心在CXD靶面的坐標(biāo)給出掩模和硅片的相對(duì)位置，這種方法簡(jiǎn)單易行，但主要的缺陷是精度相對(duì)較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種顯著提高對(duì)準(zhǔn)精度，可直接媲美衍射光柵型對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的大面積投影光刻系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用的大面積投影光刻系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的大面積投影光刻系統(tǒng)，包括有準(zhǔn)分子激光器、照明系統(tǒng)、平移臺(tái)、掩模板、投影系統(tǒng)、硅片基板，其中掩模板及硅片基板分別裝設(shè)在平移臺(tái)的兩端，準(zhǔn)分子激光器通過照明系統(tǒng)進(jìn)行光路調(diào)制與光束質(zhì)量?jī)?yōu)化后，使紫外激光的光斑透過安裝在平移臺(tái)一端位置上的掩模板，掩模板所成的激光物象通過投影系統(tǒng)成像在安裝在平移臺(tái)另一端位置上的硅片基板上。上述平移臺(tái)具有三個(gè)相互垂直的三維立體自由度，分別為水平方向xl，垂直紙面方向yl，豎直方向ζ ；ζ的調(diào)節(jié)遵循物象共軛準(zhǔn)則使得掩模板上的密布電路圖案通過投影系統(tǒng)曝光清晰成像在硅片基板上；xl與yl的大范圍調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的大面積投影光刻功能。上述投影系統(tǒng)包括有兩個(gè)裝設(shè)位置分別與掩模板及硅片基板對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角棱鏡、激光器、半反半透鏡、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器，其中轉(zhuǎn)角棱鏡都鍍上介質(zhì)膜，兩個(gè)半反半透鏡分別裝設(shè)在同軸對(duì)準(zhǔn)激光器的光源的位置上，且兩個(gè)半反半透鏡的其中一個(gè)反射面分別與兩個(gè)轉(zhuǎn)角棱鏡的位置相對(duì)應(yīng)，兩個(gè)半反半透鏡的另一個(gè)反射面分別與第一圖像傳感器及第二圖像傳感器的位置相對(duì)應(yīng)，激光器在經(jīng)過半反半透鏡后，其反射光經(jīng)過轉(zhuǎn)角棱鏡的介質(zhì)膜分別照明掩模板及硅片基板，所得到的視頻圖樣再次經(jīng)半反半透鏡，最后分別被第一圖像傳感器及第二圖像傳感器獲取。上述轉(zhuǎn)角棱鏡都鍍上對(duì)532nm高透、351nm高反的介質(zhì)膜。上述激光器為同軸對(duì)準(zhǔn)光源。上述激光器為摻釹釔鋁石榴石激光器。上述平移臺(tái)與硅片基板通過具有x2、y2、θ三個(gè)方向的三維微調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置連接。本發(fā)明大面積投影光刻系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)方法，包括如下步驟
1)第一圖像傳感器實(shí)時(shí)地從掩模板獲取視頻圖，并對(duì)此圖樣進(jìn)行邊沿檢測(cè)、輪廓提取、 區(qū)域定位與二值化后得到掩模板特征標(biāo)記的二值化位圖Q，并將該二值化位圖Q常駐存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；
同時(shí)，第二圖像傳感器實(shí)時(shí)地從硅片基板獲取視頻圖樣，對(duì)此圖樣同樣地進(jìn)行邊沿檢測(cè)、輪廓提取、區(qū)域定位與二值化后得到硅片基板特征標(biāo)記的二值化位圖P，并將該二值化位圖P實(shí)時(shí)更新在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；
2)將上述二值化位圖Q及二值化位圖P兩者代入下式進(jìn)行P與Q的純相位匹配濾波器相關(guān)運(yùn)算
M = IFT\FT\OY FT[P]]
式中，F(xiàn)T[]代表傅立葉變換運(yùn)算，*代表求復(fù)共軛運(yùn)算，IFT{}代表反傅立葉變換運(yùn)算， M代表輸出的相關(guān)識(shí)別位3)根據(jù)上述運(yùn)算結(jié)果是否出現(xiàn)相關(guān)峰進(jìn)行判別，若沒有相關(guān)峰，則根據(jù)預(yù)設(shè)的步進(jìn)量驅(qū)動(dòng)三維微調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置中的θ自由度作微量旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后重新進(jìn)入由第二圖像傳感器實(shí)時(shí)地從硅片基板獲取視頻圖樣，對(duì)此圖樣同樣地進(jìn)行邊沿檢測(cè)、輪廓提取、區(qū)域定位與二值化后得到硅片基板特征標(biāo)記的二值化位圖P，并將該二值化位圖P實(shí)時(shí)更新在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，直至獲得滿足判斷條件的相關(guān)峰值，此時(shí)旋轉(zhuǎn)量θ的微調(diào)整完畢，存儲(chǔ)相干峰所出現(xiàn)的位置值X，Y，并根據(jù)相關(guān)峰所出現(xiàn)的位置作微量平移，最后整個(gè)系統(tǒng)完成精密對(duì)位。上述當(dāng)掩模與硅片的特征標(biāo)記具有一定的相似性即在輸出圖樣M中出現(xiàn)尖銳的相干峰，相干峰的尖銳程度由輸入圖樣的相似程度決定，相干峰所出現(xiàn)的位置直接高精度地反映了掩模與硅片的相對(duì)平移坐標(biāo)；若兩相似圖樣具有細(xì)微的旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)夾角，將迅速使得原有的尖銳相干峰坍塌，如此的旋轉(zhuǎn)敏感性可使用特定的算法間接高精度地獲取掩模與硅片的相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。本發(fā)明采用了準(zhǔn)分子激光器通過照明系統(tǒng)進(jìn)行光路調(diào)制與光束質(zhì)量?jī)?yōu)化，使紫外激光的光斑透過安裝在平移臺(tái)一端位置上的掩模板，掩模板所成的激光物象通過投影系統(tǒng)，成像在平移臺(tái)另一端的硅片基板上的結(jié)構(gòu)；本發(fā)明采用了計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理中的模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)掩模、硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相對(duì)位置的計(jì)算，以取代傳統(tǒng)光度型方法中采用的求和投影算法的相對(duì)位置計(jì)算方式，可有效提高對(duì)準(zhǔn)精度，本發(fā)明已成功使用在分辨精度為亞十微米級(jí)的大面積PCB印刷電路板的投影光刻機(jī)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明本發(fā)明對(duì)準(zhǔn)精度對(duì)比傳統(tǒng)方法有顯著的提高，可直接媲美衍射光柵型對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。本發(fā)明是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的大面積投影光刻系統(tǒng)。本發(fā)明的對(duì)準(zhǔn)方法操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用。


圖1為本發(fā)明的原理圖2為本發(fā)明中平移臺(tái)具有水平方向xl，垂直紙面方向yl，豎直方向ζ三個(gè)相互垂直的三維立體自由度的示意圖3為本發(fā)明中三維微調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置具有x2、y2、θ三個(gè)方向的自由度的示意圖； 圖4為本發(fā)明對(duì)準(zhǔn)方法的流程圖； 圖5為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角與相干峰峰值關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例
本發(fā)明的原理圖如圖1所示，本發(fā)明的大面積投影光刻系統(tǒng)，包括有準(zhǔn)分子激光器1、 照明系統(tǒng)2、平移臺(tái)3、掩模板4、投影系統(tǒng)5、硅片基板6，其中掩模板4及硅片基板6分別裝設(shè)在平移臺(tái)3的兩端，準(zhǔn)分子激光器1通過照明系統(tǒng)2進(jìn)行光路調(diào)制與光束質(zhì)量?jī)?yōu)化后，使紫外激光的光斑透過安裝在平移臺(tái)3—端位置上的掩模板4，掩模板4所成的激光物象通過投影系統(tǒng)5成像在安裝在平移臺(tái)3另一端位置上的硅片基板6上。本實(shí)施例中，上述平移臺(tái)3具有三個(gè)相互垂直的三維立體自由度7，分別為水平方向xl，垂直紙面方向yl，豎直方向ζ ；ζ的調(diào)節(jié)遵循物象共軛準(zhǔn)則使得掩模板4上的密布電路圖案通過投影系統(tǒng)5曝光清晰成像在硅片基板6上；xl與yl的大范圍調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的大面積投影光刻功能。本實(shí)施例中，上述投影系統(tǒng)5包括有兩個(gè)裝設(shè)位置分別與掩模板4及硅片基板6 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角棱鏡、激光器8、半反半透鏡9、第一圖像傳感器10、第二圖像傳感器11，其中轉(zhuǎn)角棱鏡都鍍上介質(zhì)膜，兩個(gè)半反半透鏡9分別裝設(shè)在同軸對(duì)準(zhǔn)激光器8的光源的位置上，且兩個(gè)半反半透鏡9的其中一個(gè)反射面分別與兩個(gè)轉(zhuǎn)角棱鏡的位置相對(duì)應(yīng)，兩個(gè)半反半透鏡 9的另一個(gè)反射面分別與第一圖像傳感器10及第二圖像傳感器11的位置相對(duì)應(yīng)，激光器8 在經(jīng)過半反半透鏡9后，其反射光經(jīng)過轉(zhuǎn)角棱鏡的介質(zhì)膜分別照明掩模板4及硅片基板6， 所得到的視頻圖樣再次經(jīng)半反半透鏡9，最后分別被第一圖像傳感器10及第二圖像傳感器 11獲取。本實(shí)施例中，上述轉(zhuǎn)角棱鏡都鍍上對(duì)532nm高透、35 Inm高反的介質(zhì)膜。上述激光器8為同軸對(duì)準(zhǔn)光源。上述激光器8為摻釹釔鋁石榴石激光器，即Nd3+ YAG激光器。本實(shí)施例中，上述平移臺(tái)3與硅片基板6通過具有x2、y2、θ三個(gè)方向的三維微調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置12連接。具有x2、y2、θ三個(gè)方向的三維微調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置12使得掩模板4與硅片基板6的CXD視頻圖樣經(jīng)過一系列算法運(yùn)算后得到精密的中心位置相對(duì)坐標(biāo)(x2，W)與特征方向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(θ )，利用這三個(gè)坐標(biāo)值調(diào)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)裝置12，實(shí)現(xiàn)硅片基板6與掩模板4的精密對(duì)準(zhǔn)功能。本發(fā)明大面積投影光刻系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)方法，包括如下步驟
1)第一圖像傳感器10實(shí)時(shí)地從掩模板4獲取視頻圖，并對(duì)此圖樣進(jìn)行邊沿檢測(cè)、輪廓
6提取、區(qū)域定位與二值化后得到掩模板特征標(biāo)記的二值化位圖Q，并將該二值化位圖Q常駐存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；
同時(shí)，第二圖像傳感器11實(shí)時(shí)地從硅片基板6獲取視頻圖樣，對(duì)此圖樣同樣地進(jìn)行邊沿檢測(cè)、輪廓提取、區(qū)域定位與二值化后得到硅片基板特征標(biāo)記的二值化位圖P，并將該二值化位圖P實(shí)時(shí)更新在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；
2)將上述二值化位圖Q及二值化位圖P兩者代入下式進(jìn)行P與Q的純相位匹配濾波器相關(guān)運(yùn)算
權(quán)利要求
1.一種大面積投影光刻系統(tǒng)，其特征在于包括有準(zhǔn)分子激光器(1)、照明系統(tǒng)(2)、平移臺(tái)(3)、掩模板(4)、投影系統(tǒng)(5)、硅片基板(6)，其中掩模板(4)及硅片基板(6)分別裝設(shè)在平移臺(tái)(3 )的兩端，準(zhǔn)分子激光器(1)通過照明系統(tǒng)(2)進(jìn)行光路調(diào)制與光束質(zhì)量?jī)?yōu)化后，使紫外激光的光斑透過安裝在平移臺(tái)(3)—端位置上的掩模板(4)，掩模板(4)所成的激光物象通過投影系統(tǒng)(5 )成像在安裝在平移臺(tái)(3 )另一端位置上的硅片基板(6 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積投影光刻系統(tǒng)大面積投影光刻系統(tǒng)，其特征在于上述平移臺(tái)(3)具有三個(gè)相互垂直的三維立體自由度(7)，分別為水平方向xl，垂直紙面方向 yl，豎直方向ζ ；ζ的調(diào)節(jié)遵循物象共軛準(zhǔn)則使得掩模板(4)上的密布電路圖案通過投影系統(tǒng)(5)曝光清晰成像在硅片基板(6)上；xl與yl的大范圍調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的大面積投影光刻功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積投影光刻系統(tǒng)，其特征在于上述投影系統(tǒng)(5)包括有兩個(gè)裝設(shè)位置分別與掩模板(4)及硅片基板(6)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角棱鏡、激光器(8)、半反半透鏡 (9)、第一圖像傳感器(10)、第二圖像傳感器(11)，其中轉(zhuǎn)角棱鏡都鍍上介質(zhì)膜，兩個(gè)半反半透鏡(9)分別裝設(shè)在同軸對(duì)準(zhǔn)激光器(8)的光源的位置上，且兩個(gè)半反半透鏡(9)的其中一個(gè)反射面分別與兩個(gè)轉(zhuǎn)角棱鏡的位置相對(duì)應(yīng)，兩個(gè)半反半透鏡(9)的另一個(gè)反射面分別與第一圖像傳感器(10)及第二圖像傳感器(11)的位置相對(duì)應(yīng)，激光器(8)在經(jīng)過半反半透鏡(9)后，其反射光經(jīng)過轉(zhuǎn)角棱鏡的介質(zhì)膜分別照明掩模板(4)及硅片基板(6)，所得到的視頻圖樣再次經(jīng)半反半透鏡(9)，最后分別被第一圖像傳感器(10)及第二圖像傳感器(11) 獲取。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大面積投影光刻系統(tǒng)，其特征在于上述轉(zhuǎn)角棱鏡都鍍上對(duì) 532nm高透、351nm高反的介質(zhì)膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大面積投影光刻系統(tǒng)，其特征在于上述激光器(8)為同軸對(duì)準(zhǔn)光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大面積投影光刻系統(tǒng)，其特征在于上述激光器(8)為摻釹釔鋁石榴石激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的大面積投影光刻系統(tǒng)，其特征在于上述平移臺(tái) (3)與硅片基板(6)通過具有x2、y2、θ三個(gè)方向的三維微調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置(12)連接。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的大面積投影光刻系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于包括如下步驟1)第一圖像傳感器(10)實(shí)時(shí)地從掩模板(4)獲取視頻圖，并對(duì)此圖樣進(jìn)行邊沿檢測(cè)、 輪廓提取、區(qū)域定位與二值化后得到掩模板特征標(biāo)記的二值化位圖Q，并將該二值化位圖Q 常駐存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；同時(shí)，第二圖像傳感器(11)實(shí)時(shí)地從硅片基板(6)獲取視頻圖樣，對(duì)此圖樣同樣地進(jìn)行邊沿檢測(cè)、輪廓提取、區(qū)域定位與二值化后得到硅片基板特征標(biāo)記的二值化位圖P，并將該二值化位圖P實(shí)時(shí)更新在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；2)將上述二值化位圖Q及二值化位圖P兩者代入下式進(jìn)行P與Q的純相位匹配濾波器相關(guān)運(yùn)算M ^IFT\FT\QX - Fr[P] J式中，F(xiàn)T[]代表傅立葉變換運(yùn)算，*代表求復(fù)共軛運(yùn)算，IFT{}代表反傅立葉變換運(yùn)算， M代表輸出的相關(guān)識(shí)別位圖；3)根據(jù)上述運(yùn)算結(jié)果是否出現(xiàn)相關(guān)峰進(jìn)行判別，若沒有相關(guān)峰，則根據(jù)預(yù)設(shè)的步進(jìn)量驅(qū)動(dòng)三維微調(diào)對(duì)準(zhǔn)裝置(12)中的θ自由度作微量旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后重新進(jìn)入由第二圖像傳感器(11)實(shí)時(shí)地從硅片基板(6)獲取視頻圖樣，對(duì)此圖樣同樣地進(jìn)行邊沿檢測(cè)、輪廓提取、區(qū)域定位與二值化后得到硅片基板特征標(biāo)記的二值化位圖P，并將該二值化位圖P實(shí)時(shí)更新在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，直至獲得滿足判斷條件的相關(guān)峰值，此時(shí)旋轉(zhuǎn)量θ的微調(diào)整完畢，存儲(chǔ)相干峰所出現(xiàn)的位置值X，Y，并根據(jù)相關(guān)峰所出現(xiàn)的位置作微量平移，最后整個(gè)系統(tǒng)完成精密對(duì)位。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積投影光刻系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于上述當(dāng)掩模與硅片的特征標(biāo)記具有一定的相似性即在輸出圖樣M中出現(xiàn)尖銳的相干峰，相干峰的尖銳程度由輸入圖樣的相似程度決定，相干峰所出現(xiàn)的位置直接高精度地反映了掩模與硅片的相對(duì)平移坐標(biāo)；若兩相似圖樣具有細(xì)微的旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)夾角，將迅速使得原有的尖銳相干峰坍塌， 如此的旋轉(zhuǎn)敏感性可使用特定的算法間接高精度地獲取掩模與硅片的相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明是一種大面積投影光刻系統(tǒng)及其對(duì)準(zhǔn)方法。本發(fā)明大面積投影光刻系統(tǒng)，包括準(zhǔn)分子激光器、照明系統(tǒng)、平移臺(tái)、掩模板、投影系統(tǒng)、硅片基板，其中掩模板及硅片基板分別裝設(shè)在平移臺(tái)的兩端，準(zhǔn)分子激光器通過照明系統(tǒng)進(jìn)行光路調(diào)制與光束質(zhì)量?jī)?yōu)化后，使紫外激光的光斑透過安裝在平移臺(tái)一端位置上的掩模板，掩模板所成的激光物象通過投影系統(tǒng)成像在安裝在平移臺(tái)另一端位置上的硅片基板上。本發(fā)明采用了計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理中的模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)掩模、硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相對(duì)位置的計(jì)算，以取代傳統(tǒng)光度型方法中采用的求和投影算法的相對(duì)位置計(jì)算方式，可有效提高對(duì)準(zhǔn)精度，本發(fā)明對(duì)準(zhǔn)精度對(duì)比傳統(tǒng)方法有顯著的提高，可直接媲美衍射光柵型對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G03F7/20GK102231049SQ201110178698
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者周金運(yùn), 施穎, 林清華, 王新星, 陳麗, 雷亮 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)