專利名稱：一種用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光刻中一種用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)，特別是利用雙光柵 進行相位提取的自動調焦系統(tǒng)，屬于微納加工相關技術領域。
背景技術：
光學光刻一直作為大規(guī)模集成電路工業(yè)制造技術的基礎，隨著高集成度電路以及 相關器件的研發(fā)，IC特征尺寸愈來愈小，不斷地促進光刻分辨力的提高。然而隨著分辨力 的提高，曝光場的焦深問題日益嚴重，傳統(tǒng)調焦方法的精度已經難以適應逐漸提高的光刻 分辨力?，F行的調焦方法大體上可為光度調焦、CCD調焦和光柵調焦技術。其中，光度調焦 多采用基于四象限探測器或二象限探測器來檢測狹縫像的偏移量進而獲取離焦量進行反 饋。其操作與狹縫標記制作簡單易行，但精度相對較低，多用于早期焦深較長的低分辨力光 刻。而CXD調焦是通過CXD圖像探測器來獲取放大的狹縫像，并通過序列求和、濾波、插值 細分等算法來計算離焦量進行反饋。該方法能達到一定的精度，但隨著細分次數的增加會 使得運算量增大，降低測量效率。而基于衍射光柵標記的調焦方法以光強信號大小反映硅 片表面的離焦量，能達到較高的精度，但其易受到硅片工藝等因素影響，而且需經過復雜的 光路設計與電路進行處理，成本也偏高，自動化程度較低。本發(fā)明立足于雙光柵空間相位干 涉成像原理及圖像處理相位提取原理，通過提取干涉條紋的相位來獲取離焦量。理論上具 有較好的工藝適應性和抗干擾能力，且較低的成本和簡單的裝置能實現高精度并且自動化 調焦。
發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種用于投影光刻的 納米量級雙光柵自動調焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)不易受到硅片工藝的影響，調焦精度較高，且操作簡 單易行，自動化程度高。為達成所述目的，本發(fā)明提供一種用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)，其特征 在于由光路、圖像處理模塊和電路控制模塊組成，其中光路包括準直激光束、第一光柵標 記、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第二光柵標記、硅片臺和CXD圖像探測器；準 直激光束垂直照明位于第一透鏡前焦面的第一光柵標記，并沿著第一透鏡與第二透鏡組成 第一 4f系統(tǒng)的光軸對硅片臺表面構成掠入射成像，成像投影在位于第二透鏡焦點附近的 被測表面上生成光柵像，由硅片臺的被測表面的鏡面反射，光柵像通過由第三透鏡與第四 透鏡組成的第二 4f系統(tǒng)再次成像在第四透鏡的焦面上，當第一光柵標記與第二光柵標記 的兩個光柵標記周期接近時，第一光柵標記的像與第二光柵標記以一定間隙重疊，則發(fā)生 多次衍射，某兩束同級衍射光發(fā)生干涉疊加，在第二光柵的表面形成周期相對于第一光柵 標記或第二光柵標記被放大的莫爾干涉條紋，然后成像于CXD圖像探測器上；通過圖像處 理模塊對圖像進行處理提取兩組莫爾干涉條紋的相位差，進而計算出硅片臺的被測表面偏離最佳焦面的相對位移，再通過電路控制模塊控制硅片臺移動，使硅片臺表面達到最佳焦 面位置，所述反饋過程是通過光路成像，通過CXD圖像探測器采集圖像，經圖像處理模塊得 出離焦量，電路控制模塊進行判斷，之后驅動電機移動硅片臺，再經過光學成像，采集圖像 如此循環(huán)，直到離焦量小于設定的閾值退出，實現了投影光刻納米量級自動調焦完全自動 化。優(yōu)選實施例所述圖像處理模塊包括圖像采集單元、圖像分割單元、相位提取單 元、相位差計算單元和離焦量計算單元，其中圖像采集單元是接收CCD圖像探測器采集并 轉換成數字圖像；圖像分割單元與圖像采集單元連接，接收并將通過圖像采集單元采集到 的整個條紋圖像進行處理，使整個條紋圖像分割成上下兩部分條紋圖像；相位提取單元與 圖像分割單元連接，接收并分別對上下兩部分圖像進行二維傅里葉變換，通過在頻域進行 帶通濾波分別計算出上下兩部分圖像的相位；相位差計算單元與相位提取單元連接，接收 并對上下兩部分圖像的相位進行求差，得到相位差Δ φ ；離焦量計算單元與相位差計算單 元連接，接收并通過相位差計算出硅片臺表面與最佳焦面的偏移量即離焦量；Δχ =--，
L 」Απ ηθ\Ρλ+Ρ2\其中兩組相鄰第一光柵標記和第二光柵標記的周期是第一周期P1、第二周期P2, Δ Φ為圖像處理模塊中獲得的相位差，Δχ為所求的硅片臺表面與最佳焦面的偏移量即離 焦量，θ為平行光掠入射到硅片臺表面的入射角。優(yōu)選實施例，所述電路控制模塊包括離焦量對比判斷單元、硅片臺與最佳焦面位 置確定單元、硅片臺移動方向判定單元和電機驅動單元；所述電路控制模塊的控制步驟包 括步驟Sl 獲得圖像處理模塊的離焦量；步驟S2 離焦量對比判斷單元對離焦量的絕對值與某一設定的閾值進行比較，如 果離焦量的絕對值小于閾值則退出離焦量對比判斷，并且表明硅片臺的表面已達到最佳焦 面，如果離焦量的絕對值大于閾值，則表明硅片臺的表面處于離焦狀態(tài)執(zhí)行步驟S3 ；步驟S3 硅片臺表面與最佳焦面位置確定單元利用硅片臺表面位置信息，計算確 定硅片臺的表面與最佳焦面的位置；步驟S4:硅片臺移動方向判定單元利用硅片臺表面與最佳焦面的位置判斷確定 硅片臺的移動方向；步驟S5 利用硅片臺的移動方向通過電機驅動單元驅動硅片臺，使得硅片臺移動 離焦量的距離。優(yōu)選實施例所述第一光柵標記和第二光柵標記的周期是第一周期P1、第二周期 P2,第一光柵標記和第二光柵標記都包括第一周期P1光柵和第二周期P2光柵，第一光柵標 記的第一周期P1光柵位于第二周期P2光柵上方；第二光柵標記第二周期P2光柵位于第一 周期P1光柵上方。優(yōu)選實施例所述電路控制模塊的閾值設置為納米量級，閾值范圍在Inm 10nm。本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是(1)本發(fā)明根據空間相位特征直接進行硅片表面的調焦，可以避免受光強度影響 的光刻膠等硅片工藝因素對離焦量的影響，達到高精度。
(2)本發(fā)明通過光路、圖像處理模塊、電路控制模塊形成反饋控制，即通過雙光柵 空間相位干涉成像原理將硅片臺表面偏離最佳焦面的相對位移反映在條紋的相位變化中， 通過CCD圖像探測器獲得條紋圖，再通過圖像處理相位提取方法獲得相位進而計算出離焦 量，再通過控制算法反饋電機驅動硅片臺移動，最終完成整個硅片臺表面的調焦。該發(fā)明操 作簡單易行，自動化程度高。(3)本發(fā)明通過設計的雙光柵標記發(fā)生衍射成像，再通過簡單的圖像處理，即能直 接實現調焦，具有成本低，生產效率高等優(yōu)點。
圖1為本發(fā)明光路結構示意圖；圖加和圖2b為本發(fā)明兩組光柵標記布局示意圖；圖3a和圖北為本發(fā)明硅片臺表面偏離最佳焦面產生的條紋示意圖；圖4為本發(fā)明圖像處理單元部分實現框圖；圖5為本發(fā)明電路控制單元組成框圖；圖6為本發(fā)明整個系統(tǒng)的反饋流程具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)由光路A、圖像處理模塊10和電路控 制模塊11組成，其中如圖1所示，光路A包括準直激光束1、第一光柵標記2、第一透鏡3、 第二透鏡4、第三透鏡5、第四透鏡6、第二光柵標記7、硅片臺8和CXD圖像探測器9 ；準直激 光束1 (本實施實例中入射光波長為633nm)垂直照明位于第一透鏡3前焦面的第一光柵標 記2，并沿著第一透鏡3與第二透鏡4組成的第一 4f系統(tǒng)的光軸對硅片臺8表面構成掠入 射成像(入射角θ范圍為82°到87°，本實施實例中入射角選為85° )，成像投影在位于 第二透鏡4焦點附近的被測表面上生成光柵像，由于硅片臺8的被測表面的鏡面反射，光柵 像通過由第三透鏡5與第四透鏡6組成的第二 4f系統(tǒng)再次成像在第四透鏡6的焦面上，當 第一光柵標記2的周期與第二光柵標記7的兩個光柵標記周期接近時，第一光柵標記2的 像與第二光柵標記7以一定間隙(間隙大小為IOOnm到200 μ m)重疊，并發(fā)生多次衍射，某 兩束同級衍射光發(fā)生干涉疊加，在第二光柵標記7表面形成周期相對于第一光柵標記2或 第二光柵標記7被放大的莫爾干涉條紋，然后成像于C⑶圖像探測器9上；通過圖像處理模 塊10對圖像進行處理可提取兩組莫爾干涉條紋的相位差，進而計算出硅片臺8的被測表面 偏離最佳焦面的相對位移，再通過電路控制模塊11進行判斷，當硅片臺8的表面處于最佳 焦面時，兩組條紋的相位分布一致，頻率相等；此時退出調焦過程，當硅片臺8的表面與最 佳焦面存在一定偏移時，兩組條紋的相位分布發(fā)生變化、不再一致，需判斷硅片臺移動的方 向，并控制硅片臺8移動，使硅片臺8表面達到最佳焦面位置。圖加和圖2b為本發(fā)明兩組光柵標記布局示意圖；其中圖加是第一光柵標記布局 示意圖，圖2b是第二光柵標記布局示意圖；用于成像的第一光柵標記2的周期與第二光柵 標記7的兩組標記光柵采用如圖加和圖2b所示的布局，兩組相鄰第一光柵標記2、第二光柵標記7的周期分別為第一周期P1與和第二周期P2,第一光柵標記2由具有第一周期P1光 柵和第二周期P2光柵組成，第一周期P1光柵位于第二周期P2光柵上方；第二光柵標記7由 具有第一周期P1光柵和第二周期P2光柵組成，第二周期P2光柵位于第一周期P1光柵上方； 其中本發(fā)明實施例中P1 = 10. Oym, P2 = Ilym0當準直光束1通過第一光柵標記2經硅 片臺8表面的反射，第一光柵標記2的像的+1級衍射光在右邊的第二光柵標記7面上相遇 再次發(fā)生衍射、即產生兩組干涉條紋。圖3a是硅片臺表面未在最佳焦面示意圖，圖北是硅 片臺表面在最佳焦面示意圖；圖3a和圖北為根據圖加和圖2b所示標記仿真的兩組干涉 條紋，當硅片臺8的表面與最佳焦面存在一定偏移時，其條紋分布如圖3a，這時上下兩組條 紋空間相位不一致，而且兩組條紋很容易被分別；當硅片臺8的表面處于最佳焦面時，兩組 條紋空間相位完全相等，如圖北，這時，被測物體調焦完成，并達到理想狀態(tài)。如圖4所示，本實施實例的圖像處理模塊10由圖像采集單元10a、圖像分割單元 10b、相位提取單元10c、相位差計算單元IOd和離焦量計算單元IOe五部分組成，首先通過 CCD圖像探測器9獲得視頻圖像，然后通過圖像采集單元IOa對圖像進行采集并轉化為數字 圖像，然后通過圖像分割單元IOb對整個條紋圖像(如圖3a)縱向像素值進行差分計算，然 后對差分值進行比較取最大值處為整個條紋圖像的分割線，將整個條紋圖像分割成上下兩 部分條紋圖像，然后通過相位提取單元IOc分別對兩部分圖像進行二維傅里葉變換進入頻 域，通過帶通濾波濾除噪聲并提取與離焦量相關的有效頻率部分，分別計算出上下兩部分 條紋的相位，再通過相位差計算單元IOd單元求出上下兩部分條紋圖像的相位差，最后通 過離焦量計算單元IOe通過下式
ΛΑφΡ{Ρ2Δχ =---,計算出硅片臺表面與最佳焦面的偏移量即離焦量，其中P1, P2，θ在前面的實施步 驟中已給出。如圖5所示，本實施實例的電路控制模塊11由離焦量對比判斷單元1 la、硅片臺與 最佳焦面位置確定單元lib、硅片臺移動方向判定單元Ilc和電機驅動單元Ild組成，所述 電路控制模塊的控制步驟包括步驟Sl 從圖像處理模塊10獲得硅片臺8的表面與最佳焦面的偏移量即離焦量 Δχ。步驟S2 通過離焦量對比判斷單元Ila將離焦量的絕對值與某一設定的閾值t進 行比較，如果離焦量絕對值小于閾值則退出，表明調焦完成。如果離焦量大于閾值，則進入 步驟S3，閾值范圍為Inm到lOnm，本實施實例選擇閾值為5nm。步驟S3 通過硅片臺與最佳焦面位置確定單元lib先確定硅片臺8與最佳焦面的 位置，進入步驟S4。步驟S4 通過硅片臺移動方向判定單元Ilc確定硅片臺8相對于最佳焦面的移動 方向，進入步驟S5。步驟S5 最后通過電機驅動單元Ild驅動硅片臺，使得硅片臺8移動離焦量的距
1 O如圖6所示，本實施實例的整個反饋流程，光路A以硅片臺8代替，兩光柵標記由 硅片臺8的表面偏離最佳焦面一定位移產生干涉條紋通過CXD圖像探測器9獲得視頻圖像，再通過圖像處理模塊10進行圖像采集然后進行處理得到相位差并最終計算出硅片臺8 與最佳焦面的偏移量即離焦量，將離焦量送入電路控制模塊11，將離焦量絕對值與設定閾 值進行比較，如果硅片臺表面未在最佳焦面，則并判斷硅片臺移動方向，獲取硅片臺與最佳 焦面位置，通過電機反饋驅動硅片臺8移動離焦量的位移，如此完成一次調焦過程，再進入 下一輪視頻成像、圖像采集、圖像處理、離焦量對比判斷環(huán)節(jié)，直至離焦量絕對值小于設定 的閾值后退出系統(tǒng)，表明調焦過程完成，整個過程實現了完全自動化。本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內。
權利要求
1.一種用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)，其特征在于由光路(A)、圖像處理模塊 (10)和電路控制模塊(11)組成，其中光路(A)包括準直激光束(1)、第一光柵標記O)、第一透鏡(3)、第二透鏡、第三 透鏡(5)、第四透鏡(6)、第二光柵標記(7)、硅片臺⑶和CCD圖像探測器(9)；準直激光 束(1)垂直照明位于第一透鏡(3)前焦面的第一光柵標記O)，并沿著第一透鏡(3)與第 二透鏡(4)組成的第一 4f系統(tǒng)的光軸對硅片臺(8)表面構成掠入射成像，成像投影在位于 第二透鏡(4)焦點附近的被測表面上生成光柵像，由硅片臺(8)的被測表面的鏡面反射，光 柵像通過由第三透鏡( 與第四透鏡(6)組成的第二 4f系統(tǒng)再次成像在第四透鏡(6)的 焦面上，當第一光柵標記( 與第二光柵標記(7)的兩個光柵標記周期接近時，第一光柵標 記(2)的像與第二光柵標記(7)以一定間隙重疊，則發(fā)生多次衍射，某兩束同級衍射光發(fā)生 干涉疊加，在第二光柵標記(7)的表面形成周期相對于第一光柵標記( 或第二光柵標記 (7)被放大的莫爾干涉條紋，然后成像于CCD圖像探測器(9)上；通過圖像處理模塊(10)對 圖像進行處理提取兩組莫爾干涉條紋的相位差，進而計算出硅片臺(8)的被測表面偏離最 佳焦面的相對位移，再通過電路控制模塊(11)判斷控制硅片臺(8)移動，使硅片臺(8)表 面達到最佳焦面位置，所述反饋過程是通過光路(A)成像，通過CCD圖像探測器(9)視頻成 像，經圖像處理模塊(10)得出離焦量，電路控制模塊(11)進行判斷，之后驅動電機(lib) 移動硅片臺(8)，再經過光學成像，采集圖像如此循環(huán)，直到離焦量小于設定的閾值退出，實 現了投影光刻納米量級自動調焦完全自動化。
2.根據權利要求1所述的用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)，其特征在于，所述圖 像處理模塊(10)包括圖像采集單元(IOa)、圖像分割單元(IOb)、相位提取單元(IOc)、相位 差計算單元(IOd)和離焦量計算單元(IOe)，其中圖像采集單元(IOa)接收CCD圖像探測器(9)采集并轉換成數字圖像；圖像分割單元(IOb)與圖像采集單元(IOa)連接，接收并將通過圖像采集單元(IOa) 采集到的整個條紋圖像進行處理，使整個條紋圖像分割成上下兩部分條紋圖像；相位提取單元(IOc)與圖像分割單元(IOb)連接，接收并分別對上下部分條紋圖像進 行二維傅里葉變換，通過在頻域進行帶通濾波分別計算出上下部分圖像的相位；相位差計算單元(IOd)與相位提取單元(IOc)連接，接收并對上下兩部分圖像的相位 進行求差，得到相位差Δ φ ；離焦量計算單元(IOe)與相位差計算單元(IOd)連接，接收并通過相位差計算出硅片 臺(8)表面與最佳焦面的偏移量即離焦量；其中兩組相鄰第一光柵標記( 和第二光柵標記(7)的周期是第一周期P1、第二周期 P2, Δ φ為圖像處理模塊(10)中獲得的相位差，Δχ為所求的硅片臺⑶表面與最佳焦面 的偏移量即離焦量，θ為平行光掠入射到硅片臺(8)表面的入射角。
3.根據權利要求1所述的用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)，其特征在于，所述電 路控制模塊(11)包括離焦量對比判斷單元(11a)、硅片臺與最佳焦面位置確定單元(lib)、 硅片臺移動方向判定單元(Ilc)和電機驅動單元(Ild)；所述電路控制模塊(11)的控制步 驟包括步驟Si 獲得圖像處理模塊(10)的離焦量；步驟S2 離焦量對比判斷單元(Ila)對離焦量的絕對值與某一設定的閾值進行比較， 如果離焦量的絕對值小于閾值則退出離焦量對比判斷，并且表明硅片臺(8)的表面已達到 最佳焦面，如果離焦量的絕對值大于閾值，則表明硅片臺(8)的表面處于離焦狀態(tài)執(zhí)行步 驟S3 ；步驟S3 硅片臺表面與最佳焦面位置確定單元(lib)利用硅片臺(8)表面位置信息， 計算確定硅片臺(8)的表面與最佳焦面的位置；步驟S4 硅片臺移動方向判定單元(Ilc)利用硅片臺(8)表面與最佳焦面的位置判斷 確定硅片臺(8)的移動方向；步驟S5 利用硅片臺(8)的移動方向通過電機驅動單元(Ild)驅動硅片臺(8)，使得硅 片臺(8)移動離焦量的距離。
4.根據權利要求1所述的納米量級自動調焦系統(tǒng)，其特征在于所述第一光柵標記(2) 和第二光柵標記(7)的周期是第一周期P1、第二周期P2,第一光柵標記( 和第二光柵標記 (7)都包括第一周期P1光柵和第二周期P2光柵，第一光柵標記O)的第一周期P1光柵位于 第二周期P2光柵上方；第二光柵標記(7)第二周期P2光柵位于第一周期P1光柵上方。
5.根據權利要求1所述的納米量級自動調焦系統(tǒng)，其特征在于所述電路控制模塊 (11)的閾值設置為納米量級，閾值范圍在Inm lOnm。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于投影光刻納米量級自動調焦系統(tǒng)，由光路、圖像處理模塊、電路控制模塊組成。光路包括準直激光束、兩個光柵標記、四個透鏡、硅片臺、CCD圖像探測器；準直激光束垂直照明一光柵標記，并沿著一、二透鏡的光軸對硅片臺表面構成掠入射成像，投影在硅片臺被測表面上并發(fā)生鏡面反射，光柵像通過三、四透鏡再次成像在四透鏡的焦面上，一光柵標記的像與二光柵標記以一定間隙重疊，發(fā)生多次衍射，并在光柵的表面形成放大的莫爾干涉條紋，然后成像于CCD圖像探測器上。通過圖像處理模塊對圖像進行處理提取出相位差，進而計算出離焦量；再通過電路控制模塊判斷硅片臺表面的離焦情況，進而控制硅片臺移動，使硅片臺表面達到最佳焦面位置。
文檔編號G03F7/20GK102141738SQ20111008263
公開日2011年8月3日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權日2011年4月2日
發(fā)明者周紹林, 徐鋒, 李蘭蘭, 李金龍, 盛壯, 羅正全, 胡松, 謝飛, 陳旺富 申請人:中國科學院光電技術研究所