基于机器视觉的光刻装置对准系统与对准方法

专利名称：基于机器视觉的光刻装置对准系统与对准方法
技术领域：
本发明应用于与集成电路或其它微型器件制造领域的光刻装置，具体涉 及一种基于机器视觉的对准系统与对准方法，实现晶圆和基底台的精确对准。
背景技术：
现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路(IC)或其它微型器件的制造。通过光刻装置，可将具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的晶圆上，例如半导体晶圆或LCD (液晶)板。光刻装置 大体上分为两类， 一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在晶圆的一 个曝光区域，随后晶圆相对于掩模移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案 和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在晶圆的另一曝光区域，重复这一 过程直到晶圆上所有曝光区域都拥有掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻 装置，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫 描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与晶圆同时相对于投影系统和投 影光束移动。在光刻装置的曝光过程中，关键的步骤是将掩模与晶圆对准。第一层掩 模图案在晶圆上曝光后从装置中移开，在晶圆进行相关的工艺处理后，进行 第二层掩模图案的曝光，但为确保第二层掩模图案和随后掩模图案的像相对 于晶圆上已曝光掩模图案像的精确定位，需要将掩模和晶圆进行精确对准。 由光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在晶圆中形成多层电路，为此，光刻 装置中要求配置对准系统，实现掩模和晶圆的精确对准。当特征尺寸要求更 小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。光刻装置的对准系统，其主要功能是在套刻曝光前实现掩模和晶圆的对 准，即测出晶圆在机器坐标系中的坐标(XW， YW， (DWZ)，及掩模在机器 坐标系中的坐标(XR， YR， (DRZ)，并计算得到掩模相对于晶圆的位置，以 满足套刻精度的要求。目前，光刻装置大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指均匀 照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准 标记结构的全部信息。高级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空 间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着成像线条要求的 提高，同时采集多级衍射光(包括高级)在像平面干涉成像，经光电探测器 和信号处理，确定对准中心位置。 现有技术有以下两种对准方案一种是透过镜头的TTL (晶体管-晶体管逻辑)对准技术，激光照明在晶圆上设置的周期性相位光栅结构的对准标记，由光刻装置的投影物镜所收集 的晶圆对准标记的衍射光或散射光照射在掩模对准标记上，该对准标记可以 为振幅或相位光栅。在掩模标记后设置探测器，当在投影物镜下扫描晶圆时， 探测透过掩模标记的光强，探测器输出的最大值表示正确的对准位置。该对 准位置为用于监测晶圆台位置移动的激光干涉仪的位置测量提供了零基准。另一种是OA (离轴)对准技术，通过离轴对准系统测量位于晶圆上的 多个对准标记以及基底台上基准对准标记，实现晶圆和基底台对准；再对基 底台上的基准对准标记与掩模版上的对准标记进行对准，实现掩模与基底台 的对准；由此可以得到掩模和晶圆的位置关系，最终实现掩模和晶圆对准。所述的离轴对准技术，具体结合图l详细说明。如图1所示，该光刻装 置对准系统包括用于提供曝光光束的照明系统8'，该照明系统8'包括一 个光源、 一个使照明均匀化的透镜系统、 一个反射镜、 一个聚光镜(图中均 未示出)；该光源采用KrF准分子激光器(波长248nm)，或者ArF准分子激 光器(波长193nm)，或者F2激光器(波长157nm)，或者Kr2激光器(波 长146nm)，或者Ar2激光器(波长126nm)，或者超高压汞灯(g-线、i-线) 等；用于支承掩模版4，的掩模台6，，在掩模版4'上刻有掩模图案和具有 周期性结构的对准标记2';用于将掩模版4'上的掩模图案投影到晶圆7' 上的投影光学系统PL，其是一个投影物镜；用于支承晶圆7'的基底台9'， 在晶圆7'刻有对准标记5'，在基底台9'上刻有基准板对准标记l';用于 对准基底台9'和晶圆7'的离轴对准光学系统500'，和提供对准照明的对 准辐射源300';用于对准信号的处理单元200';用于基底台9'伺服运动的 运动台10，和测量系统IFx和IFy，该测量系统IFx是一个x向基底台位移测量装置激光干涉仪，测量系统IFy是一个y向基底台位移测量装置激光干 涉仪。首先，通过所述的离轴对准光学系统500'，对位于晶圆7'上的多个对 准标记5'和位于基底台9'上基准对准标记l'进行对准，从而实现晶圆7' 和基底台9'的对准。然后，所述的照明系统8'均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版4'上 的对准标记2'上，通过投影物镜PL将掩膜版4'上的对准标记2'的縮小 像投射到基底台9'上的作为基准的基底台对准标记1'上，利用基底台对准 标记1'透射到其下的传感器进行光电信号转换，通过一系列的扫描采集信 号，结合由x向基底台位移测量装置激光干涉仪IFx和y向基底台位移测量 装置激光干涉仪IFy测得的空间位置信号进行拟合处理，建立掩膜版4'与 基底台9，的坐标转换关系，即相互位置关系，从而实现掩膜版4'与基底台 9'的对准。最终，可以得到掩模4'和晶圆7'的相互位置关系，以实现掩模4'和 晶圆7'的对准。进一步，美国专利US 712670公布了一种晶圆标记与基底台标记的位置 测量(对准)装置与方法，该发明通过照明系统和光学成像系统，将晶圆标 记与基底台标记依次成像，图像捕获单元(CCD (电荷耦合器件)或其它光 电器件)获得晶圆标记与基底台标记的明场图像，然后采用信号处理和图像 分析的方法，确定晶圆标记与基底台标记之间的位置关系。该发明由于采用 明场成像，标记成像对比度较低，且对仅采用一组间距相等的条状标记，受 限于CCD镜头畸变、制造误差和标记工艺变形等因素的影响，难以获得较 高的对准精度。发明内容本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的光刻装置对准系统与对准方 法，其采用具有不同周期的光栅作为对准标记，使用CCD摄像机捕获相位 光栅所标记的暗场图像，通过图像处理与信号处理方法，从而实现晶圆和基 底台的对准，并获得较高的对准精度。为了达到上述目的，本发明提供了一种基于机器视觉的光刻装置对准系统，实现晶圆与基底台的对准，该对准系统包括位于晶圆或基底台上的对 准标记，依次设置的光源模块，照明模块，成像模块，图像采集模块，图像 处理模块，和位置数据采集与运动控制模块；所述的位于晶圆或基底台上的 对准标记设置在成像模块和位置数据采集与运动控制模块之间；所述的对准标记由一组用于粗对准的大周期光栅分支与单个用于精对准 的小周期光栅分支组成；所述的成像模块形成对准标记的土l级衍射光相干暗场图像，其为明暗 相间的周期性光斑条纹；所述的图像采集模块包含通过电路连接的CCD摄像机与图像采集卡， 采集对准标记的暗场图像；所述的图像处理模块在上位机中运行，其对采集到的对准标记的暗场图 像进行图像信号处理，得到各个光栅分支的对准信号；利用对准算法得到对 准位置，实现基底台与晶圆的对准。所述的一组大周期光栅分支包括两个周期存在一微小固定差的光栅分支；所述的光栅为相位型光栅。所述的光源模块提供包含至少两个分立波长光波的照明光束；优选的， 该光源模块提供包含四个分立波长光波的照明光束，且其中至少有两个光波 的波长处于近红外或红外波段；所述的光源模块依次包含对应光源光波数设置的第一传输光纤，对应光 源光波数设置的光纤耦合器， 一合束器和一第二传输光纤；该第一传输光纤 和第二传输光纤为单模保偏光纤。所述的照明模块包含传输光纤和照明光学系统；该照明光学系统依次由 起偏器，第一透镜，照明孔径光阑，第二透镜和具有偏振分束面的偏振分束器构成。所述的成像模块包含依次设置在偏振分束器和对准标记间的波片， 物镜，以及依次设置在偏振分束器和图像采集模块之间的空间滤波器，多色 光分离系统和对应光源光波数设置的第三透镜；所述的空间滤波器滤除对准标记的零级衍射光和高级次衍射光，保留其 ±1级的衍射光通过；所述的多色光分离系统分离各个不同波长的衍射光。所述的图像采集模块中的CCD摄像机的设置数目对应于光源光波数，其分别获取对准标记在不同波长照明下的高分辨率暗场图像；所述的图像采 集模块中的图像采集卡对CCD摄像机输出的视频数据实时采集，并通过高 速接口，将采集的图像实时传输到图像处理模块。所述的CCD摄像机的光敏面放置于成像模块的像平面上。 所述的图像采集模块还包含一成像光纤，通过其将对准标记在不同波长 照明下的暗场图像分别引入到各个CCD摄像机的光敏面。所述的位置数据采集与运动控制模块包括运动台，位置数据采集系统和 运动控制器；该运动台上放置晶圆和基底台，其由直线电机驱动，可实现x 向或y向的直线往复运动；该位置数据采集系统通过激光干涉仪实时采集基 底台的位置数据，经过数据预处理后分别传输至运动控制器和图像处理模块； 该运动控制器控制运动台的运动轨迹。所述的对采集到的对准标记的暗场图像进行图像信号处理的方法是对 暗场图像中的每一 明暗条纹的灰度沿光栅条切向进行积分；所述的光栅分支的对准信号包括三个不同周期的信号序列； 所述的对准算法包括:利用两个存在微小周期差的大周期光栅分支信号， 确定粗对准位置；利用小周期光栅分支信号，以及粗对准位置，确定精对准 位置；利用多次根据拍摄到的对准标记的暗场图像所获得的对准位置信息， 确定最终的对准位置。本发明还提供了一种利用上述系统的基于机器视觉的光刻装置对准方 法，具体包含以下步骤-步骤l、移动对准标记，使其处于能成像在CCD摄像机的视场范围之内 的位置，采集对准标记的土l级衍射光的干涉条纹图像，并传输到图像处理 模块中，同时，位置数据采集系统采集此时基底台所处的位置数据并传输到 图像处理模块；步骤2、图像处理模块对采集到的对准标记的干涉条纹图像，进行图像 处理，获得对准标记包含的各光栅分支的对准信号；具体包括以下步骤步骤2.1、图像处理模块对采集到的对准标记的干涉条纹图像进行预处 理，降低图像噪声；步骤2.2、图像处理模块对预处理后的图像进行阈值分割，获得二值图像; 步骤2.3、图像处理模块分割出上述得到的二值图像中的对准标记所在的 区域；步骤2.4、图像处理模块对对准标记的干涉成像图像中的每一明暗条纹的 灰度进行沿光栅条切向方向的灰度积分，获得对准标记的各光栅分支图像的 灰度曲线S1、 S2和S0，即各光栅分支的对准信号；步骤3、图像处理模块对上述得到的各光栅分支的对准信号进行对准算 法处理，得到对准位置，实现基底台与晶圆的对准；具体包括以下步骤步骤3.1、延展信号曲线Sl和S2，由于Sl和S2信号曲线存在微小的周 期差，将能找到Sl延展曲线和S2延展曲线中位置最接近重合的峰值点XI 和X2，即获得粗对准位置；步骤3.2、延展信号曲线S0，在SO的延展曲线上，找到距离上述粗对准 位置XI和X2最接近的峰值点X0，即获得精对准位置并储存；步骤4、利用位置数据采集与运动控制模块，移动运动台以使基底台移 动一定的距离，重新采集对准标记的土l级衍射光的干涉条纹图像和基底台 的位置数据，并传输至图像处理模块，随后跳转到步骤2，重复多次执行步 骤2和步骤3，得到多个精对准位置信息；步骤5、综合上述得到的多个精对准位置信息，确定最终的对准位置。所述的步骤2.3中，采用边缘探测法或模板匹配法，来确定和分割出所 采集的图像中对准标记所在的区域。所述的步骤3.1和步骤3.2中，延展信号曲线的方法是采用数值拟合的 方法或者判断灰度最大值的方法，获得信号曲线的每一个峰值点，对该每一 个峰值点信息采用平均法，以得到该信号的周期，然后利用该周期，以固定 的峰值点延展信号曲线。所述的步骤5中，对得到的多个精对准位置信息，采用求平均方法，来 确定最终的对准位置。本发明提供的基于机器视觉的光刻装置对准系统与对准方法，采用具有 不同周期的光栅作为对准标记，通过光学照明系统和成像系统，可得到对准 标记的士l级衍射光相干所形成的暗场图像，该图像由CCD摄像机和图像采 集卡进行采集，并由图像处理模块进行图像信号处理和对准操作，最终获得精对准位置，实现晶圆与基底台之间的对准。由于本发明采用图像处理与对 准标记的光栅相位信息相结合的方法，在获得较高对准精度的前提下，整个 系统更为简单。


图1为现有技术中的光刻装置对准系统的结构示意图；图2为本发明的实现晶圆与基准台对准的对准系统的结构示意图；图3为本发明中对准标记的结构示意图；图4为本发明中对准标记形成的干涉成像图像和经图像处理后的信号图 形示意图；图5为本发明中对准信号曲线和对准位置的示意图；图6为本发明的实现晶圆与基准台对准的对准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合图2 图6，对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。 图2为本发明提供的基于机器视觉的光刻装置对准系统的一实施例的结 构示意图，该对准系统实现晶圆与基底台的对准，其包含位于晶圆7或基 底台9上的对准标记，依次设置的光源模块300，照明模块，成像模块，图 像采集模块，图像处理模块，和位置数据采集与运动控制模块；所述的位于 晶圆或基底台上的对准标记设置在成像模块和位置数据采集与运动控制模块 之间；所述的对准标记由一组用于粗对准的大周期光栅分支与用于精对准的单 个小周期光栅分支组成；该组大周期光栅分支包括两个周期存在一微小固定 差的光栅分支；所述的光栅为相位型光栅；如图3所示，为本实施例所采用的对准标记的结构示意图；其中三个光 栅分支的周期依次分别为P1， P0和P2，且满足P1〉P2〉P0。其中，周期为 Pl和P2的光栅分支组成大周期光栅分支，用于粗对准，且这2个光栅分支 之间存在着固定的微小周期差Apl，即表示为Pl=P2+Apl。而周期为 P0的光栅分支为所述的单个小周期光栅分支，用于精对准。所述的光源模块300提供至少包含两个分立波长的照明光束，例如，2个分立波长分别为633nm和785nm;本实施例中，该光源模块300提供的照 明光束包含4个分立波长)J、 X2、 X3和X4，分别为532nm、 633nm、 785nm 和850nm;该多波长照明光束所包含的4个光波？J、 X2、 M和人4，分别经对应设 置的4根单模保偏光纤301传输至各个光纤耦合器302,耦合后均进入合束 器303，再通过单模保偏光纤304输出到照明模块。所述的照明模块包含传输光纤和照明光学系统；该照明光学系统依次由 起偏器505，透镜506，照明孔径光阑507，透镜508和偏振分束器509构成； 多波长照明光束由传输光纤传输，依次经过所述的起偏器505，透镜506，照 明孔径光阑507，透镜50S，最后经偏振分束器509的偏振分束面509a垂直 入射到成像模块。所述的成像模块包含依次设置在偏振分束器509和对准标记之间的A/4 波片510，物镜511,以及依次设置在偏振分束器509和图像采集模块之间的 空间滤波器512，多色光分离系统513，对应光源光波数设置的透镜514;故， 本实施例中，应设置4个透镜514。多波长照明光束经过A74波片510，再经过物镜511垂直入射到位于晶圆 7或者基底台9上的对准标记1上，形成圆偏振光的光斑，并发生反射和衍 射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息，在物镜511的频 谱面上产生一系列衍射光斑，分别对应对准标记不同周期的光栅部分；对准 标记的多波长衍射光经透镜511准直后，首先经过空间滤波器512，其滤除 对准标记的所有零级衍射光和高级次衍射光，仅保留其士l级的衍射光通过； 该对准标记的士l级衍射光再经过多色光分离系统513，使得不同波长的衍射 光分离，分别得到波长为 J、人2、 X3和M的士1级衍射光，其分别经过对应 透镜514相干成像，形成带有对准标记结构信息的衍射光相干暗场图像，其 是明暗相间的周期性光斑条纹，但是图2中，仅显示了其中一种波长 d的光 路。本实施例中，照明光学系统中的照明孔径光阑507，透镜508，偏振分束 器509，以及成像模块中的X/4波片510，物镜511形成柯勒光学系统。所述的图像采集模块包含依次通过电路连接的对应光源光波数的CCD 摄像机201和图像采集卡202。该CCD摄像机201的光敏面放置于成像模块的像平面上，用以分别获取晶圆7上的对准5和基底台9上的对准标记1在不同波长照明下的高分辨率暗场图像。所述的图像采集卡202对CCD摄像 机201所输出的视频数据进行实时采集，并通过高速接口，将获得的图像实 时传输到图像处理模块。所述的图像采集模块还可包含一成像光纤(图中未示出)，通过其将对准 标记1或5的暗场图像引入到CCD摄像机201的光敏面，以获取图像信息。如图4的上半部分所示，显示了本实施例中，CCD摄像机201获得的对 准标记1在某个波长照明下的暗场图像，由于仅保留了对准标记的土l级衍射 光的干涉成像，故图像中明暗相间的条纹周期为对应的光栅分支周期的1/2，艮卩Pl， =Pl/2; P2， =P2/2; PO， =P0/2。所述的位置数据采集与运动控制模块包括运动台10，位置数据采集系统 204和运动控制器205;该运动台10上放置晶圆7和基底台9，其由直线电 机驱动，可实现横向(x向)或竖向(y向)的直线往复运动；该位置数据采 集系统204通过激光干涉仪实时采集基底台9的位置数据，并经过坐标转换 等数据预处理后，提供给运动控制器205，并通过高速接口，实时传输至图 像处理模块；该运动控制器205控制运动台的运动轨迹；所述的图像处理模块设置在上位机203中运行，该上位机203和图像采 集卡202通过电路连接，其是PC机或SUN工作站；所述的图像处理模块根 据CCD摄像机201拍摄到的对准标记1或5的暗场图像和由位置数据采集 系统204采集的基地台9的实时位置数据，通过图像信号处理与对准算法， 获得对准信号和对准位置，实现基底台与晶圆的对准。具体的，对对准标记1或5在某个照明波长下的暗场图像采用如下的图 像信号处理方法对暗场图像中的每一明暗条纹的灰度沿光栅条切向进行积 分(累积)，可获得如图4下半部分所示的半正弦波形式的灰度曲线S1、 S2 和SO (由离散像素点构成)。理论上，信号S1、 S2和S0的周期亦等于对应 的光栅分支周期的1/2，艮口 dl,.=Pl/2; d2,.=P2/2; d0,=P0/2; /=l，2，...n。但是实际中，由于成像系统存在的像差、CCD镜头畸变等因素的影响， 信号Sl、 S2和SO的周期不完全等于对应光栅分支周期的1/2，且每一信号 的波峰之间距离亦非完全相等，如可能存在dl/^112的情况。此时，可采用 对各信号波峰之间间距进行平均或者拟合的方法，获得S1、 S2和S0的名义周期。图5为具体进行信号对准过程的示意图，图中的曲线为信号S1、 S2和 SO在周期上的延展。由于2个大周期光栅分支的周期Pl和P2之间存在微小 周期差，类似于游标卡尺，在一定的周期数目内，S1和S2的信号曲线上会 表现出存在一个峰值的重合点，即X1和X2，该点即为粗对准位置。在该粗 对准位置点的附近，可以找到一个距离该粗对准位置最近的SO信号上的峰 值点XO，该峰值点即为精对准点。理论上，通过合理的设计，可保证粗对准信号峰值重合点与精对准信号 峰值点完全重合，即X1、 X2和X0重合，但由于实际生产中的标记变形、 随机误差、CCD镜头的畸变等因素的影响，XI、 X2和X0之间会存在微小 的位置误差，但这些位置误差不影响精对准位置的判断。最后，利用多次根据拍摄到的对准标记的暗场图像所获得的对准位置信 息，确定最终最精确的对准位置。如图6所示，本发明还提供了一种利用光刻装置的对准系统进行对准的 方法，具体包含以下步骤步骤1、移动对准标记1或5，使其处于能成像在CCD摄像机201的视 场范围之内的位置，采集对准标记1或5的±1级衍射光的干涉条纹图像， 并传输到图像处理模块中，同时，位置数据采集系统204采集此时基底台9 所处的位置数据并传输到图像处理模块；步骤2、图像处理模块对采集到的对准标记的干涉条纹图像，进行图像 处理，获得对准标记1包含的各光栅分支的对准信号；具体包括以下步骤步骤2.1、图像处理模块对采集到的对准标记的干涉条纹图像进行预处 理，降低图像噪声；步骤2.2、图像处理模块对预处理后的图像进行阈值分割，获得二值图像;步骤2.3、图像处理模块分割出上述得到的二值图像中的对准标记所在的 区域；步骤2.4、图像处理模块对对准标记的干涉成像图像中的每一明暗条纹的 灰度进行沿光栅条切向方向的灰度积分，获得对准标记的各光栅分支图像的 灰度曲线S1、 S2和S0，即各光栅分支的对准信号；步骤3、图像处理模块对上述得到的各光栅分支的对准信号进行对准算法处理，得到对准位置，实现基底台与晶圆的对准；具体包括以下步骤步骤3.1、延展信号曲线S1和S2，由于S1和S2信号曲线存在微小的周 期差，将能找到Sl延展曲线和S2延展曲线中位置最接近重合的峰值点XI 和X2，即获得粗对准位置；步骤3.2、延展信号曲线S0，在SO的延展曲线上，找到距离上述粗对准 位置XI和X2最接近的峰值点X0，即获得精对准位置并储存；步骤4、利用位置数据采集与运动控制模块，移动运动台10以使基底台 9移动一定的距离，重新采集对准标记1或5的±1级衍射光的干涉条纹图像 和基底台9的位置数据，并传输至图像处理模块，随后跳转到步骤2，重复 多次执行步骤2和步骤3，得到多个精对准位置信息；步骤5、综合上述得到的多个精对准位置信息，确定最终的对准位置。所述的步骤2.3中，采用边缘探测法或模板匹配法，来确定和分割出所 采集的图像中对准标记所在的区域。所述的步骤3.1和步骤3.2中，延展信号曲线的方法是采用数值拟合的 方法或者判断灰度最大值的方法，获得信号曲线的每一个峰值点，对该每一 个峰值点信息采用平均法，以得到该信号的周期，然后利用该周期，以固定 的峰值点延展信号曲线。所述的步骤5中，对得到的多个精对准位置信息，采用求平均方法，来 确定最终的对准位置。本发明提供的基于机器视觉的光刻装置对准系统与对准方法，采用具有 不同周期的光栅作为对准标记，通过光学照明系统和成像系统，可得到对准 标记的士l级衍射光相干所形成的暗场图像，该图像由CCD摄像机和图像采 集卡进行采集，并由图像处理模块进行图像信号处理和对准操作，最终获得 精对准位置，实现晶圆与基底台之间的对准。由于本发明采用图像处理与对 准标记的光栅相位信息相结合的方法，在获得较高对准精度的前提下，整个 系统更为简单。
权利要求
1、一种基于机器视觉的光刻装置对准系统，实现晶圆与基底台的对准，其特征在于，所述的对准系统包括位于晶圆或基底台上的对准标记，依次设置的光源模块，照明模块，成像模块，图像采集模块，图像处理模块，和位置数据采集与运动控制模块；该位于晶圆或基底台上的对准标记设置在成像模块和位置数据采集与运动控制模块之间；所述的对准标记由一组用于粗对准的大周期光栅分支与单个用于精对准的小周期光栅分支组成；所述的成像模块形成对准标记的±1级衍射光相干暗场图像，其为明暗相间的周期性光斑条纹；所述的图像采集模块包含通过电路连接的CCD摄像机与图像采集卡，采集对准标记的暗场图像；所述的图像处理模块在上位机中运行，其对采集到的对准标记的暗场图像进行图像信号处理，得到各个光栅分支的对准信号；利用对准算法得到对准位置，实现基底台与晶圆的对准。
2、 如权利要求1所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的一组大周期光栅分支包括两个周期存在一微小固定差的光栅分支。
3、 如权利要求2所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的光栅为相位型光栅。
4、 如权利要求1所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的光源模块提供包含至少两个分立波长光波的照明光束。
5、 如权利要求4所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的光源模块提供包含四个分立波长光波的照明光束，且其中至少有两个 光波的波长处于近红外或红外波段。
6、 如权利要求5所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的光源模块依次包含对应光源光波数设置的第一传输光纤，对应光源光 波数设置的光纤耦合器， 一合束器和一第二传输光纤。
7、 如权利要求6所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的第一传输光纤和第二传输光纤为单模保偏光纤。
8、 如权利要求1所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的照明模块包含传输光纤和照明光学系统。
9、 如权利要求8所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在于， 所述的照明光学系统依次由起偏器，第一透镜，照明孔径光阑，第二透镜和 具有偏振分束面的偏振分束器构成。
10、 如权利要求1所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的成像模块包含依次设置在偏振分束器和对准标记之间的A74波片， 物镜，以及依次设置在偏振分束器和图像采集模块之间的空间滤波器，多色 光分离系统和对应光源光波数设置的第三透镜。
11、 如权利要求IO所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的空间滤波器滤除对准标记的零级衍射光和高级次衍射光，保留其 ±1级的衍射光通过。
12、 如权利要求11所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的多色光分离系统分离各个不同波长的衍射光。
13、 如权利要求1所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，在图像采集模块中，所述的CCD摄像机的设置数目对应于光源光波数，其分别获取对准标 记在不同波长照明下的高分辨率暗场图像；所述的图像采集卡对CCD摄像机输出的视频数据实时采集，并通过高 速接口，将采集的图像实时传输到图像处理模块。
14、 如权利要求13所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的各个CCD摄像机的光敏面放置于成像模块的像平面上。
15、 如权利要求13所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的图像采集模块还包含一成像光纤，通过其将对准标记在不同波长 照明下的暗场图像分别引入到各个CCD摄像机的光敏面。
16、 如权利要求1所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的位置数据采集与运动控制模块包括运动台，位置数据采集系统和 运动控制器。
17、 如权利要求16所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，在位置数据采集与运动控制模块包括运动台中，所述的运动台上放置晶圆和基底台，其由直线电机驱动，可实现X向或y向的直线往复运动；所述的位置数据采集系统通过激光干涉仪实时采集基底台的位置数据，经过数据预处理后分别传输至运动控制器和图像处理模块； 所述的运动控制器控制运动台的运动轨迹。
18、 如权利要求1所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的图像处理模块对采集到的对准标记的暗场图像进行图像信号处理 的方法是对暗场图像中的每一明暗条纹的灰度沿光栅条切向进行积分。
19、 如权利要求18所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的光栅分支的对准信号包括三个不同周期的信号序列。
20、 如权利要求19所述的基于机器视觉的光刻装置对准系统，其特征在 于，所述的图像处理模块进行的对准算法包括利用两个存在微小周期差的 大周期光栅分支信号，确定粗对准位置；利用小周期光栅分支信号，以及粗 对准位置，确定精对准位置；利用多次根据拍摄到的对准标记的暗场图像所 获得的对准位置信息，确定最终的对准位置。
21、 一种利用权利要求1所述的对准系统的基于机器视觉的光刻装置对 准方法，其特征在于，具体包含以下步骤-步骤l、移动对准标记，使其处于能成像在CCD摄像机的视场范围之内 的位置，采集对准标记的士l级衍射光的干涉条纹图像，并传输到图像处理 模块中，同时，位置数据采集系统采集此时基底台所处的位置数据并传输到 图像处理模块；步骤2、图像处理模块对采集到的对准标记的干涉条纹图像，进行图像 处理，获得对准标记包含的各光栅分支的对准信号；步骤3、图像处理模块对上述得到的各光栅分支的对准信号进行对准算 法处理，得到对准位置，实现基底台与晶圆的对准；步骤4、利用位置数据采集与运动控制模块，移动运动台以使基底台移 动一定的距离，重新采集对准标记的土l级衍射光的干涉条纹图像和基底台 的位置数据，并传输至图像处理模块，随后跳转到步骤2，重复多次执行步 骤2和步骤3，得到多个精对准位置信息；步骤5、综合上述得到的多个精对准位置信息，确定最终的对准位置。
22、 如权利要求21所述的基于机器视觉的光刻装置对准方法，其特征在 于，所述的步骤2具体包含以下步骤步骤2.1、图像处理模块对采集到的对准标记的干涉条纹图像进行预处 理，降低图像噪声；步骤2，2、图像处理模块对预处理后的图像进行阈值分割，获得二值图像;步骤2.3、图像处理模块分割出上述得到的二值图像中的对准标记所在的 区域；步骤2.4、图像处理模块对对准标记的干涉成像图像中的每一明暗条纹的 灰度进行沿光栅条切向方向的灰度积分，获得对准标记的各光栅分支图像的 灰度曲线S1、 S2和S0，即各光栅分支的对准信号。
23、 如权利要求22所述的基于机器视觉的光刻装置对准方法，其特征在 于，所述的步骤2.3中，采用边缘探测法或模板匹配法，来确定和分割出所 采集的图像中对准标记所在的区域。
24、 如权利要求21所述的基于机器视觉的光刻装置对准方法，其特征在 于，所述的步骤3具体包含以下步骤步骤3.1、延展信号曲线Sl和S2，由于Sl和S2信号曲线存在微小的周 期差，将能找到Sl延展曲线和S2延展曲线中位置最接近重合的峰值点XI 和X2，即获得粗对准位置；步骤3.2、延展信号曲线S0，在SO的延展曲线上，找到距离上述粗对准 位置XI和X2最接近的峰值点X0，即获得精对准位置并储存。
25、 如权利要求24所述的基于机器视觉的光刻装置对准方法，其特征在 于，所述的步骤3.1和步骤3.2中，延展信号曲线的方法是采用数值拟合的 方法或者判断灰度最大值的方法，获得信号曲线的每一个峰值点，对该每一 个峰值点信息采用平均法，以得到该信号的周期，然后利用该周期，以固定 的峰值点延展信号曲线。
26、 如权利要求21所述的基于机器视觉的光刻装置对准方法，其特征在 于，所述的步骤5中，对得到的多个精对准位置信息，采用求平均方法，来 确定最终的对准位置。
全文摘要
本发明提供了一种基于机器视觉的光刻装置对准系统与对准方法，其采用具有不同周期的光栅作为对准标记，通过光学照明系统和成像系统，可得到对准标记的±1级衍射光相干暗场图像，该图像由CCD摄像机和图像采集卡进行采集，并由图像处理模块进行图像信号处理和对准操作，最终获得精对准位置，实现晶圆与基底台之间的对准。本发明采用图像处理与对准标记的光栅相位信息相结合的方法，在获得较高对准精度的前提下，整个系统更为简单。
文档编号G03F7/20GK101241313SQ20081003447
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者李运锋 申请人:上海微电子装备有限公司