矽片對準信號採集與處理系統及使用該系統的處理方法
2023-06-09 11:04:46
專利名稱:矽片對準信號採集與處理系統及使用該系統的處理方法
技術領域:
本發明涉及半導體集成電路光刻生產設備中的一種對準技術處理方法,尤 其涉及矽片對準信號採集與處理系統、處理方法。
背景技術:
在集成電路IC或其它微型器件的製造過程中,通過光刻裝置,具有不同掩模圖案的多層掩模在精確對準下依次成像在塗覆有光刻膠的矽片上,例如半導體矽片或LCD板。光刻裝置的對準系統,其主要功能是在套刻曝光前實現掩模 -矽片對準,以滿足套刻精度的要求。目前,光刻設備大多所採用的對準方式 為光柵對準。光柵對準是指均勻照明光束照射在光柵對準標記上發生衍射,衍 射後的出射光攜帶有關於對準標記結構的全部信息。高級衍射光以大角度從相 位對準光柵上散開,通過空間濾波器濾掉零級光後,採集衍射光士l級衍射光, 或者隨著CD要求的提高,同時採集多級衍射光(包括高級)在像平面幹涉成像, 經光電探測器和信號處理,確定對準中心位置。中國專利200510030807.0公開了 一種基於線性模型的矽片信號處理方法, 該發明提出了 一種基於線性模型的矽片信號處理方法,並同時採用實時信號處 理方法,以實現快速、精確地獲取信號的暗電流、振幅和相位。然而,在對準 信號振幅波動較大的情況,採用線性信號擬合模型將難以準確地描述釆樣信號, 導致對準精度的降低。文獻l (微光信號探測對準技術,楊興平,程建瑞,電子 工業專用設備,2006, 140: 7 ~ 12 )公開了 一種光刻裝置中的微光信號探測對 準技術,該技術在信號的採集與擬合過程,釆用高階非線性擬合模型,通過迭 代求解算法,獲得高對準精度。對準採樣信號處理的過程中,非線性擬合模型 的採用能夠具有更廣泛的適用性,對于振幅波動較大的採樣信號,也能獲得高 的對準精度,但求解過程需通過迭代的方法,增加了計算時間,降低了系統的 實時性和對準效率。發明內容本發明的目的在於提供一種矽片對準信號釆集與處理系統及使用該系統的 對準信號的處理方法,能夠實現矽片對準信號實時採集與處理,完成對準掃描 過程中的定位,在保證對準精度的前提下,縮短計算時間,提高系統的實時性 和對準效率。為了達到上述目的,本發明提供了 一種用於矽片對準的信號採集與處理系統,包括光解調器,用於將光強信號轉換為電壓信號;光強模數轉換器,用 於提供該電壓信號到數位訊號的採樣與輸出;雷射幹涉儀,用於提供對準掃描 過程工件臺x、 y向位移的測量;位置數據處理器,用於將該工件臺位移轉換為 基底臺的位置採樣坐標;時序控制器,用於提供該光強採樣與位置採樣的同步 觸發信號;與對準信號處理器,用於提供矽片對準信號的處理與擬合,確定對 準位置。該光解調器用於實現光強信號到頻率不變、幅值相同的電壓信號的轉換, 包括光電傳感器,用於提供該光信號到電流信號的轉換;前置放大器,用於 提供該電流信號到電壓信號的轉換與放大;頻率選擇器,用於提供濾波頻率; 帶通濾波器,用於提供該電壓信號的帶通濾波;自適應增益器,用於提供該電 壓信號的自適應增益放大;移相器,用於提供調製後的信號與原始輸入信號的 相位比較與移相;解調器,用於提供信號的解調;與差分輸出器,用於提供信 號的差分輸出。該頻率選擇器依據光強信號的頻率,選擇帶通頻率。該自適應 增益器由可變增益運算放大器構成。該移相器採用模數混合移相方式,模擬電 路部分提供移相功能,數字電路部分提供相位的檢測功能。該解調器採用乘法 器的方式,將調製後的光信號,轉換成包絡線信號與基準信號相乘後的信號。該光強模數轉換器包括差分轉換器,用於提供輸入的差分信號到單邊信 號的輸出轉換;模擬濾波器,用於提供該信號的多級濾波去噪功能;與A/D轉 換器,用於提供該模擬信號到數位訊號的採樣與輸出。該位置數據處理器包括位置數據採樣器;與數據坐標轉換器;該位置數 據採樣器在該時序控制器觸發信號控制下,實現與光強數據採樣的同步;該數 據坐標轉換器通過位置數據坐標的轉換,提供雷射千涉儀測量位移到工件臺坐 標系中的坐標轉化。6該對準信號處理器包括相位計算器,用於獲得對準信號的相位信息;峰 值計算器,用於獲得對準信號的系列峰值點的位置;與對準位置計算器,用於 根據該峰值點信息,確定對準位置。本發明還提供一種使用該矽片對準信號採集與處理系統的矽片對準信號的 處理方法,該對準信號處理方法採用高階非線性信號擬合模型,利用分步擬合 處理方法,首先獲得採樣信號的包絡線參數,然後在此基礎上獲得採樣信號的 相位信息。該矽片對準信號的處理方法包括如下步驟(a) 位置採樣數據輸入;(b) 光強採樣數據輸入;(c) 包絡線擬合,用於獲得釆樣信號的包絡線參數;(d) 獲得次級模型;(e) 相位擬合,用於獲得採樣信號的相位;與(f) 相位信息輸出。該包絡線擬合包括如下計算步驟(a) 波峰採樣數據;(b) 波谷採樣數據;(c) 上包絡線擬合,獲得上包絡線參數;(d) 下包絡線擬合,獲得下包絡線參數;(e) 計算包絡線參數,用於提供該包絡線參數。該上包絡線擬合步驟利用 一系列採樣信號的波峰點,基於最小二乘的方法, 獲得上包絡線的參數。該採樣信號的波峰點通過逐點比較獲得。該下包絡線擬 合步驟利用一系列採樣信號的波谷點,基於最小二乘的方法,獲得下包絡線的 參數。該採樣信號的波谷點通過逐點比較獲得。該計算包絡線參數步驟利用上 包絡線參數和下包絡線參數的平均值,獲得包絡線的參數。該相位擬合步驟利用採樣數據和該次級模型,基於最小二乘的方法,獲得採樣信號的相位信息。在保證足夠的對準精度前提下,該方法能夠避免迭代求解過程,有效地縮 短了採樣信號的處理時間,提高了系統的處理效率。此外,該方法具有更好地擴展性,即增加非線性信號擬合模型的階數,不會顯著地增加計算時間。
圖1為矽片對準系統示意圖;圖2為矽片對準信號採集與處理系統結構示意圖;圖3為光解調器結構示意圖;圖4為光強模數轉換器結構示意圖;圖5為位置數據處理器結構示意圖;圖6為對準信號處理器結構示意圖;圖7為信號相位計算器的主要計算步驟圖;圖8為包絡線擬合計算步驟圖;圖9為對準採樣信號的波形圖;圖IO為對準採樣信號的包絡示意圖。附圖中1、照明系統;2、光柵標記;3、掩模版;4、掩模臺;5、投影 光學系統;6、矽片;7、矽片光柵標記;8、基底臺;9、運動臺;10、對準光 柵標記;11、伺服運動控制系統;12、照明系統;300、矽片對準採集與處理系 統;301、採集與處理模塊;302、對準信號處理模塊;303、採集與處理模塊; 310、光解調器;311、光電傳感器;312、前置放大器;313、頻率選擇器;314、 帶通濾波器;315、自適應增益器;316、移相器;317、解調器;318、差分輸 出器;320、光強模數轉換器;321、差分轉換器;322、模擬濾波器;323、 A/D 轉換器;330、雷射幹涉儀;340、位置數據處理器;341、位置數據採樣器;342、 數據坐標轉換器;350、時序控制器;360、對準信號處理器;361、相位計算器; 362、峰值計算器;363、對準位置計算器;370、位置採樣數據輸入;371、光 強採樣數據輸入;372、包絡線擬合;372—1、波峰採樣數據;372_2、波谷釆樣 數據;372—3、 ,(x)上包絡線擬合;372—4、《(x)下包絡線擬合;372—5、獲得上 包絡線參數《和6;值;372_6、獲得下包絡線參數《和6,"值;372_5、計算包絡 線參數",和6,; 373、次級模型;374、相位擬合;375、相位信息輸出;IFx、測 量系統;IFy、測量系統。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的說明。圖1示出了一種矽片對準系統示意圖。光刻裝置的構成包括用於提供曝 光光束的照明系統l;用於支承掩模版3的掩模臺4,掩模版上有掩模圖案和用 於掩模對準的周期性結構對準光柵標記2;用於將掩模版3上的掩模圖案投影到 矽片6上的投影光學系統5;用於支撐矽片6的基底臺8,基底臺8上有刻有對 準光柵標記10;用於驅動基底臺x和y向直線往復移動的運動臺9,運動臺9 由伺服運動控制系統11和測量系統IFx和IFy採集與控制;用於提供矽片對準 照明的照明系統12,矽片對準照明光束用於投射到矽片光柵標記7或基底臺光 柵標記10上;用於對準光信號的採集與處理模塊301;用於位置數據的採集與 處理模塊303;基於對準光強信號和位置數據,確定對準位置的對準信號處理模 塊302。對準光信號的採集與處理模塊301,位置數據的採集與處理模塊303、 對準信號處理模塊302、時序同步控制器(圖中未示出),構成矽片對準採集與 處理系統300。對準掃描過程中,對準照明系統12提供的多個分立波長照明光束,經傳輸 光纖照射到矽片光柵標記7或基底臺光柵標記10上,發生衍射,衍射後的出射 光攜帶有關於對準光柵標記的結構信息,經對準光學成像系統(圖中未示出), 在參考光柵前表面上形成明暗相間的周期性光斑條紋。隨著運動臺的勻速直線 移動,帶動矽片光柵標記7和基底臺光柵標記IO—起做勻速運動,周期性光斑 條紋將勻速掃過參考光柵,對準光信號的採集與處理模塊301將探測到具有恆 定周期的正弦形式的信號曲線,結合位置數據的採集與處理303,經對準信號處 理模塊302,可獲得隨位置做正弦形式變化的光強曲線,從而確定對準位置。圖2示出了矽片對準信號採集與處理系統300的結構示意圖。矽片對準信 號採集與處理系統300主要由光解調器310、光強模數轉換器320、雷射幹涉儀 330、位置數據處理器340、時序控制器350和對準信號處理器360組成,能夠 完成光強、位置數據的採樣與處理,對準信號的擬合處理,確定對準位置。圖3示出了光解調器310的結構示意圖。光解調器310主要包括光電傳感 器311、前置放大器312、頻率選擇器313、帶通濾波器314、自適應增益器315、 移相器316、解調器317和差分輸出器318等,能夠將不同的連續光強信號轉換為頻率保持不變、幅值相同的連續電壓信號,輸出到光強模數轉換器320。經參 考光柵調製後的周期性明暗相間的光斑條紋,通過放置在參考光柵後表面的光 纖,將光信號收集並傳輸到光電傳感器311,光信號轉換為連續的電流信號。微 弱電流信號經過前置放大器312,實現電流到電壓信號的轉換與放大。根據光強 信號的具體頻率,由頻率選擇器313,選擇相應頻率的帶通濾波器314,濾除高 頻和低頻噪聲信號,保留有用信號。光強信號經過自適應增益器315,將帶通濾 波後的信號轉換為幅值相同的信號,自適應增益器315由可變增益運算放大器 構成。移相器316釆用模數混合移相方式,模擬電路部分提供移相功能,數字 電路部分提供相位的檢測功能,實現調製後的信號與原始輸入信號的相位比較 與移相。解調器318直接採用乘法器的方式,將調製後的光信號,轉換成包絡 線信號與基準信號相乘後的信號,實現信號的解調。差分輸出器318採用雙運 算放大器,搭建差分電路,實現信號的差分輸出。圖4示出了光強模數轉換器320結構示意圖。光強模數轉換器320主要包 括差分轉換器321、模擬濾波器322和A/D轉換器323等,實現矽片對準光強 的模擬信號到數位訊號的轉換。輸入的光強模擬差分信號,經差分轉換器321, 實現差分信號到單邊信號的轉換,通過模擬濾波器322的多級濾波,完成信號 的濾波去噪,然後由A/D轉換器323,最終實現光強模擬信號到數位訊號的採 樣與輸出。雷射幹涉儀330用於對準掃描過程中運動臺x、 y向移動的高精密測量,並 將測量數據輸送到位置數據處理器340中。圖5示出了位置數據處理器340結構示意圖。位置數據處理器340主要包 括位置數據採樣器341和數據坐標轉換器342等,完成雷射幹涉儀採集信號到 光刻裝置物理坐標體系中位置數據的採樣與轉換。雷射幹涉儀採集信號經過置 數據採樣器341,實現位置信號的離散採樣,並在時序控制器350發出的觸發信 號控制下,實現與光強數據採樣的同步。坐標轉換器342,通過旋轉與平移,完 成位置數據的坐標轉換,實現雷射幹涉儀測量位移到工件臺坐標系中的坐標轉 化。時序控制器350通過發送觸發信號的方式,控制位置數據的和光強數據的 採樣的同步性。圖6示出了對準信號處理器360結構示意圖。對準信號處理器360主要包 括相位計算器361、峰值計算器362和對準位置計算器363等,實現矽片掃描過 程中精確對準位置的確定。來自光強模數轉換器320的光強採樣數據,與來自 位置數據處理器340的位置數據,通過相位計算器361,獲得對準信號的相位信 息,然後由信號的相位信息,經峰值計算器362,計算得到對準信號的一系列波 峰點位置與光強,最後由對準位置計算器363,根據對準信號的峰值信息,確定 矽片對準位置,即基底臺光柵標記與矽片光柵標記的對準位置。為提高信號模型與採樣信號的吻合度,獲得更為精確的對準信號相位信息, 相位計算器361中的信號擬合模型採用式(1)所示的高階非線性數學模型 /(x) formula see original document page 11 (式1)其中,x為位置數據,/(x)為對應的光強數據,",為直流分量包絡線參數,6,. 為幅值包絡線參數,/ = 0,l,2n, /fc為信號的角頻率,(p為相位參數,"^1為模 型階數。式(1)所示的信號擬合模型的上包絡線和下包絡線分別為(見圖9):formula see original document page 11 (式2 )formula see original document page 11 (式3) 採樣信號的擬合處理過程在相位計算器361中完成,圖7示出了信號相位 計算器361的主要計算步驟,包括位置採樣數據輸入370、光強採樣數據輸入 371、包絡線擬合372、獲得次級模型373、相位擬合374和相位信息輸出375。 採樣信號的擬合採用分步擬合處理方法,首先,利用採樣信號的一系列波峰、 波谷點,基於最小二乘方法,擬合出採樣信號的包絡線,獲得包絡線參數",和V, 其次,獲得包絡線參數後,高階非線性模型將轉化為線性次級模型 /(x)=,(x)+/2(x)cos(fec —p)(式4),此時y;(x)和/2(x)已為已知函數;最後利用全部採樣數據,基於最小二乘的方法,可擬合出採樣信號曲線,獲得採樣信號的相位參數cp。圖8示出了包絡線擬合372的基本步驟,包括波峰採樣數據372—1、波谷釆 樣數據372—2、 ,(x)上包絡線擬合372—3、 /2(x)T包絡線擬合372_4、獲得上包絡線參數《和6;值372—5、獲得下包絡線參數《和6,"值372—6、計算包絡線參 數a,和6, 372—5等。首先採用逐點比較的方法,找出採樣信號中一系列的波峰點 和波谷點;然後利用波峰採樣點,對式(2)所示的上包絡線,(x)進行擬合,獲 得上包絡線參數";和6;值;同理利用波谷釆樣點,對式(3)所示的下包絡線/,(x)進行擬合,獲得下包絡線參數《和6;'值;最後利用上包絡線參數(fl;和6;)和下包絡線參數(《和6;')的平均值,獲得包絡線的參數",和6,,即a, = i/2(";+《) (式5) 6, = i/2(6;+ y) (式6)圖9示出了對準採樣信號的波形圖,其中橫坐標表示位置,縱坐標表示光 強。圖IO示出了對準採樣信號的包絡示意圖。,(x)為上包絡線,包絡信號的波 峰點;/J;c)為下包絡線,包絡信號的波谷點。一個矽片對準採樣信號擬合過程的實施例為採樣信號的周期為8um,採 樣步長為137.5nm,共採集640個採樣點,擬合模型採用式(1 )所示的2階非 線性數學模型。採用文獻l (微光信號探測對準技術,楊興平,程建瑞,電子工 業專用設備,2006, 140: 7~12)中的牛頓迭代求解方法,首先固定相位參數cp 值,求解包絡線參數,然後求解cp的方向導數,修正cp:(p + Acp,如此循環迭代8 次,直到Acp收斂到0.00001rad範圍之內,獲得採樣信號的相位解為cp = 3.07933rad; 採用本發明提出的採樣信號擬合處理方法,無需迭代求解,只基於最小二乘方 法,分布求解包絡線參數和相位參數,獲得的採樣信號的相位解為cp-3.07951rad。 兩種方法獲得的相位差在0.00018rad,轉換為位置誤差為0.00018/(2xPi)x8 = 0.229nm。與採樣信號8um長度的周期相比,可認為兩種方法相位cp求解結果基 本一致,由於本發明所給出的信號擬合方法無需迭代,所需的計算時間約為文 獻1方法所需時間的三分之一,表現出更好的實時性。
權利要求
1、一種矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於,包括光解調器,用於將光強信號轉換為電壓信號;光強模數轉換器,用於提供所述電壓信號到數位訊號的採樣與輸出;雷射幹涉儀,用於提供對準掃描過程工件臺x、y向位移的測量;位置數據處理器,用於將所述工件臺位移轉換為基底臺的位置採樣坐標;時序控制器,用於提供所述光強採樣與位置採樣的同步觸發信號;與對準信號處理器,用於提供矽片對準信號的處理與擬合,確定對準位置。
2、 根據權利要求1所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述光解調器用於實現光強信號到頻率不變、幅值相同的電壓信號的轉換,其包 括光電傳感器,用於提供所述光信號到電流信號的轉換; 前置放大器,用於提供所述電流信號到電壓信號的轉換與放大; 頻率選擇器,用於提供濾波頻率; 帶通濾波器,用於提供所述電壓信號的帶通濾波; 自適應增益器,用於提供所述電壓信號的自適應增益放大; 移相器,用於4是供調製後的信號與原始輸入信號的相位比較與移相; 解調器,用於4是供信號的解調;與 差分輸出器,用於提供信號的差分輸出。
3、 根據權利要求2所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述頻率選擇器依據光強信號的頻率,選擇帶通頻率。
4、 根據權利要求2所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述自適應增益器由可變增益運算放大器構成。
5、 根據權利要求2所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述移相器採用模數混合移相方式,模擬電路部分提供移相功能,數字電路部分 提供相位的檢測功能。
6、 根據權利要求2所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述解調器採用乘法器的方式,將調製後的光信號,轉換成包絡線信號與基準信號相乘後的信號。
7、 根據權利要求1所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述光強模數轉換器包括差分轉換器,用於提供輸入的差分信號到單邊信號的輸出轉換; 模擬濾波器,用於提供所述信號的多級濾波去噪功能;與 A/D轉換器,用於提供所述模擬信號到數位訊號的採樣與輸出。
8、 根據權利要求1所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述位置數據處理器包括位置數據採樣器;與 數據坐標轉換器;所述位置數據採樣器在所述時序控制器觸發信號控制下,實現與光強數據 採樣的同步;所述數據坐標轉換器通過位置數據坐標的轉換,提供雷射幹涉儀 測量位移到工件臺坐標系中的坐標轉化。
9、 根據權利要求1所述的矽片對準信號採集與處理系統,其特徵在於所 述對準信號處理器包括相位計算器,用於獲得對準信號的相位信息; 峰值計算器,用於獲得對準信號的系列峰值點的位置;與 對準位置計算器,用於根據所述峰值點信息,確定對準位置。
10、 一種使用權利要求1所述的矽片對準信號採集與處理系統的矽片對準 信號的處理方法,其特徵在於所述對準信號處理方法採用高階非線性信號擬 合模型,利用分步擬合處理方法,首先獲得採樣信號的包絡線參數,然後在此 基礎上獲得採樣信號的相位信息。
11、 根據權利要求IO所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於所述 矽片對準信號的處理方法包括如下步驟(a) 位置採樣數據輸入;(b) 光強採樣數據輸入;(c) 包絡線擬合,用於獲得採樣信號的包絡線參數;(d) 獲得次級模型;(e) 相位擬合,用於獲得採樣信號的相位;與(f)相位信息輸出。
12、 根據權利要求11所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於,所述包絡線擬合包括如下計算步驟(a) 波峰採樣數據;(b) 波谷採樣數據;(c) 上包絡線擬合,獲得上包絡線參數;(d) 下包絡線擬合,獲得下包絡線參數;(e) 計算包絡線參數,用於提供所述包絡線參數。
13、 根據權利要求12所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於所述 上包絡線擬合步驟利用一系列採樣信號的波峰點,基於最小二乘的方法,獲得 上包絡線的參數。
14、 根據權利要求13所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於所述 採樣信號的波峰點通過逐點比較獲得。
15、 根據權利要求12所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於所述 下包絡線擬合步驟利用一系列採樣信號的波谷點,基於最小二乘的方法,獲得 下包絡線的參數。
16、 根據權利要求15所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於所述 採樣信號的波谷點通過逐點比較獲得。
17、 根據權利要求12所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於所述 計算包絡線參數步驟利用上包絡線參數和下包絡線參數的平均值,獲得包絡線 的參數。
18、 根據權利要求11所述的矽片對準信號的處理方法,其特徵在於所述 相位擬合步驟利用釆樣數據和所述次級模型,基於最小二乘的方法,獲得採樣 信號的相位信息。
全文摘要
本發明提供了一種矽片對準信號採集與處理系統,該系統能夠實時完成光信號到電信號的採集、濾波、調製與解調等功能,以及位置數據的同步採集與處理,並通過採樣信號的擬合處理,實現光刻裝置的矽片對準功能。本發明同時還提供了一種矽片對準信號的處理方法,該方法採用高階非線性信號擬合模型,利用分步擬合處理方法,首先獲得採樣信號的包絡線參數,將高階的非線性模型轉化為1階線性模型,然後在此基礎上獲得採樣信號的相位信息。
文檔編號G03F9/00GK101246314SQ20081003511
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月25日 優先權日2008年3月25日
發明者暢 周, 李運鋒, 陳勇輝, 陳延太, 韋學志 申請人:上海微電子裝備有限公司