一种基于莫尔条纹放大的高精度对准装置

技术领域

本申请涉及光刻对准技术领域，尤其是一种基于莫尔条纹放大的高精度对准装置。

背景技术

光刻对准是半导体工业中重要的工艺步骤之一，用于将设计图案精确地转移到光刻胶层或掩膜上，以形成芯片上的电路结构。其意义在于保证芯片制造的精确性和可靠性，提高芯片的功能和性能。光刻对准技术的发展经历了明暗场对准、干涉全息和外差干涉全息对准、混合匹配、粗糙对准到精细对准等多个技术阶段。对准精度也由微米级提高到纳米级，这对于集成电路制造业的发展具有深远的意义。

当前集成电路特征尺寸的缩小，使得特征线宽也逐渐变得更细，因此对高精度光刻技术提出了更高的要求。因此，对准嵌入精度不断提高，各种对准装置与系统应运而生。现有光刻对准技术中常用的技术方法包括基于波带片强度的光刻对准方法、基于光栅衍射激光干涉的光刻对准方法、基于光栅衍射强度的光刻对准方法等等。基于波带片强度的光刻对准方法的工作台漂移误差很大，实际精度在180nm左右。基于光栅衍射激光干涉的光刻对准方法理论上可以将精度控制在20nm，但是该方法受光栅平行度、加工误差影响很大。基于光栅衍射强度的光刻对准方法存在多组接受激光信号的光电传感器，虽然测量精度有所提高，但是设备变得更为复杂，漂移情况依然无法保障。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于莫尔条纹放大的高精度对准装置，本申请的技术方案如下：

一种基于莫尔条纹放大的高精度对准装置，该高精度对准装置包括控制平台、相机、光源和光栅尺组合，控制平台连接并控制相机；

光栅尺组合包括固定光栅和掩膜光栅，固定光栅的位置固定，掩膜光栅搭载在待对准设备上，待对准设备带动掩膜光栅在水平面上沿着预定方向移动；光源发出的平行光照射固定光栅衍射出第一条纹对并照射到相机的感光面上，光源发出的平行光照射掩膜光栅衍射出第二条纹对并照射到相机的感光面上，掩膜光栅与固定光栅相互交叉并形成预定交叉角度以使得衍射出的第一条纹对和第二条纹对交织形成菱形块结构；

控制平台实现的方法包括：

在通过待对准设备带动掩膜光栅沿着预定方向移动的过程中，通过相机获取待处理图像，从待处理图像中识别得到光栅尺组合衍射出的菱形块结构并确定菱形块结构的实时质心坐标，直至实时质心坐标达到目标质心坐标时确定对待对准设备完成对准；

其中，当待对准设备带动掩膜光栅沿着预定方向移动的过程中，固定光栅衍射出第一条纹对保持不变，掩膜光栅衍射出的第二条纹对同步平移。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种基于莫尔条纹放大的高精度对准装置，该高精度对准装置采用更高精度的CMOS相机作为图形空间传感器，利用莫尔条纹放大现象，通过捕捉平行光在交叉莫尔条纹下产生的衍射菱形块结构的实时质心坐标来实现对准，该菱形块结构在待对准设备的小位移下会产生位移放大效果，该放大效果不受外界设备水平程度影响、不受光栅真实尺寸影响，在高倍镜头配合下产生高精度的位移对准效果，提高对准精度，满足光刻机的对准需求，还可以推广应用于其他高精度位移设备的判定、对准与距离测量，具有广泛应用前景。

该装置结构简单且便携，对准精度可以小于15nm，精度较高。配合高精度的调试移动平台可以对装置的对准精度进行测量和调试，如果采用更高放大倍数镜头和调小固定光栅与掩膜光栅之间的夹角，对准精度会进一步提高。实际测量时，鉴于高精度相机与镜头的小畸变特点，节省相机标定工作，该装置与方法在重复试验下可以验证实验精度，可满足在光刻机工作等高精设备的对准测量工作。

附图说明

图1是本申请一个实施例的基于莫尔条纹放大的高精度对准装置的结构示意图。

图2是图1中的高精度对准装置的局部放大图。

图3是本申请一个实施例中，调试移动平台带动掩膜光栅移动的过程中莫尔条纹放大的原理示意图。

图4是本申请一个实施例的高精度对准装置实现的高精度对准方法的方法流程图。

图5是本申请一个实施例中从待处理图像中识别得到的菱形块结构的示意图。

图6是本申请一个实施例中确定平台位移计算值以及调节对准精度的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于莫尔条纹放大的高精度对准装置，请参考图1所示的装置整体结构图以及图2所示的局部放大图，该高精度对准装置包括控制平台、相机1、光源2和光栅尺组合。控制平台连接并控制相机和调试移动平台，图1未示出控制平台，控制平台可以采用现有市售的处理器和工控机等设备实现。该高精度对准装置还包括必要的基座和支架等组件，该实施例对此不详细赘述。

光栅尺组合包括固定光栅3和掩膜光栅4，固定光栅3的位置固定，而掩膜光栅4搭载在待对准设备上，待对准设备可以带动掩膜光栅4在水平面上沿着预定方向移动。当该高精度对准装置应用于光刻机的光刻对准场景下时，该待对准设备一般是光刻机的光刻移动平台，则将掩膜光栅4与光刻机的光刻移动平台相连即可。

光源2发出的平行光照射固定光栅3并衍射出第一条纹对并照射到相机1的感光面上，光源2发出的平行光照射掩膜光栅4衍射出第二条纹对并照射到相机1的感光面上。掩膜光栅4与固定光栅3相互交叉并形成预定交叉角度以使得衍射出的第一条纹对和第二条纹对交织形成菱形块结构。请参考图3所示的示意图，光源2照射固定光栅3衍射出的第一条纹对包括条纹L1和条纹L2，光源2照射掩膜光栅4衍射出的第二条纹对包括条纹L3和条纹L4，两组条纹对交织形成菱形块结构ABCD，第一条纹对形成菱形块结构的一组平行边，第二条纹对形成菱形块结构的另一组平行边。

为了实现该光路结构，根据光源2、固定光栅3和掩膜光栅4和相机1有多种位置布设结构，如图1和图2示出了其中一种实现方法，在这种实现方法中，固定光栅3和掩膜光栅4均采用透射光栅，光源2发出的平行光正对相机1的镜头，固定光栅3和掩膜光栅4分别设置在光源2至相机1的光路上，光源2发出的平行光透过固定光栅3衍射出第一条纹对并照射到相机1的感光面上，光源2发出的平行光透过掩膜光栅4衍射出第二条纹对并照射到相机1的感光面上。比如在实际实现时如图1和图2所示，为了方便设置固定光栅3，可以直接将固定光栅3固定在光源2的表面。

在另一种可行的实现方式中，固定光栅3和掩膜光栅4也均采用透射光栅，该高精度对准装置还包括反射平面，光源2发出的平行光照射到反射平面上，经过反射平面反射到相机1的镜头，固定光栅3和掩膜光栅4分别设置在反射平面至相机1的光路上。反射平面反射出的平行光透过固定光栅3衍射出第一条纹对并照射到相机1的感光面上，反射平面反射出的平行光透过掩膜光栅4衍射出第二条纹对并照射到相机1的感光面上。

在另一种可行的实现方式中，固定光栅3和掩膜光栅4均采用反射光栅，光源2发出的平行光照射到固定光栅3上发生反射并照射到相机1，固定光栅3衍射出的第一条纹对照射到相机1的感光面上，光源2发出的平行光照射到掩膜光栅4上发生反射并照射到相机1，掩膜光栅4衍射出的第二条纹对照射到相机1的感光面上。

或者在其他更多实现方式中，固定光栅3和掩膜光栅4可以一个采用反射光栅、一个采用透射光栅，再结合不同位置布设的反射平面，可以通过不同的布设位置进行光路搭建，只要能实现本申请所要实现的光路结构即可。

本申请的相机采用高精度CMOS相机，相机1投入使用前，已经采用张正友标定法对相机进行标定并获取了相机的内参矩阵。在一个实施例中，相机1采用变倍镜头，则相机1通过变倍镜头就可以调节成像倍数。在另一个实施例中，相机1的镜头还具有变焦功能或者相机搭载在变焦平台上，如图1以相机1搭载在变焦平台5上为例，则通过调节相机1的镜头或者调节变焦平台5就能实现变焦。

在另一个实施例中，掩膜光栅4与固定光栅3的预定交叉角度可以自定义设置调节，为了方便调节该预定交叉角度，如图1所示，该高精度对准装置还包括环形盘6，环形盘6所在平面为水平面，环形盘6不遮挡光源2、固定光栅3、相机1之间的光路，环形盘6也不遮挡光源2、掩膜光栅4、相机1之间的光路。比如在图1这种结构中，光源2和相机1分别设置在环形盘6的内环区域的两侧，光源2发出的平行光穿过环形盘6的内环，相机1的成像区域覆盖环形盘6的内环区域。环形盘6的内环沿着周向开设有一圈卡槽7，环形盘6的尺寸与掩膜光栅4的长度相匹配，如图1和图2所示，掩膜光栅4的长度方向沿着环形盘6的径向设置、掩膜光栅4的两端分别卡设在环形盘6的内环的径向两端的卡槽7内。因此掩膜光栅4通过环形盘6搭载在待对准设备上，将环形盘6与待对准设备相连，待对准设备即可通过带动环形盘6来带动掩膜光栅4在水平面上沿着预定方向移动。而通过控制掩膜光栅4在环形盘6的内环的卡槽7内周向转动至不同位置即可调节掩膜光栅4与固定光栅3之间的预定交叉角度。

基于该高精度对准装置，控制平台实现的高精度对准方法包括：在通过待对准设备带动掩膜光栅4沿着预定方向移动的过程中，通过相机1获取待处理图像，从获取到的待处理图像中识别得到光栅尺组合衍射出的菱形块结构并确定菱形块结构的实时质心坐标，直至实时质心坐标达到目标质心坐标时确定完成对待对准设备的对准，也即待对准设备已经到达目标质心坐标处。其中，当在待对准设备带动掩膜光栅沿着预定方向移动的过程中，固定光栅衍射出第一条纹对保持不变，掩膜光栅衍射出的第二条纹对同步平移。比如在图3中，在待对准设备带动掩膜光栅沿着预定方向移动的过程中，L1和L2保持不变，L3和L4会同步移动至L3’和L4’。

如图4所示的流程图，预先给定目标质心坐标。在每个采样时刻，通过相机1获取一帧待处理图像并识别确定其中的菱形块结构的实时质心坐标。当该实时质心坐标与目标质心坐标的坐标误差超出误差范围时，通过待对准设备带动掩膜光栅4按照预定步进沿着预定方向移动，该预定方向为直线方向，因此实际包括两侧朝向，本领域技术人员可以根据实时质心坐标与目标质心坐标的相对位置确定具体的朝向，该实施例不再赘述，然后进入下一个采样时刻获取一帧待处理图像并识别实时质心坐标，重复上述过程。当该实时质心坐标与目标质心坐标的坐标误差在误差范围内时，确定实时质心坐标达到目标质心坐标并完成对准。

在该实施例中，在每个采样时刻获取一帧待处理图像并识别确定其中的菱形块结构的实时质心坐标的方法包括如下步骤：

(1)通过相机获取待处理图像。

通过相机的镜头或通过变焦平台实现成像对焦调整，获取达到清晰度要求的待处理图像，通过对焦调整，可以在微小范围内调整光源产生的衍射效果，使得莫尔条纹交叉形成的菱形块结构更清晰。

另外调整图像采集参数，尽量减少衍射产生的发散虚影，降低图像采集亮度，通过提高图像对比度、提高图像锐度，进而提高菱形块结构边缘的清晰度，降低图像采集增益，从而降低光栅表面反光度。

(2)对待处理图像进行图像处理，首先利用基于可调双阈值的Canny算子从待处理图像的感兴趣区域中提取图像边缘。在高倍放大成像下，获取到的待处理图像为黑底、白色尖角菱形的图像，对环境中存在的暗黑斑点进行图像滤波，然后基于可调双阈值的Canny算子提取图像边缘，此时提取到的图像边缘除了包括若干闭合边缘之外，还包括若干非闭合边缘以及坏点。

(3)利用基于膨胀腐蚀的开闭运算扩张提取得到的图像边缘中的非闭合边缘并消除坏点，得到若干闭合边缘构成的候选轮廓。

(4)基于轮廓面积值以及轮廓嵌套层级关系从所有候选轮廓出筛选出非规则的目标闭合轮廓。

(5)使用基于概率Hough的直线拟合对非规则的目标闭合轮廓进行直线拟合与多边形拟合，提取得到菱形块结构的菱形轮廓，如图5所示。

在提取得到菱形块结构的菱形轮廓之后，即可提取得到菱形块结构的菱形边缘中一组邻边形成的锐角的夹角θ。另外还可以基于提取得到的菱形轮廓内的菱形块结构提取得到菱形块结构的实时质心坐标。

在一个实施例中，以菱形块结构的亚像素质心坐标(X,Y)作为菱形块结构的实时质心坐标，实时质心坐标的计算公式为：

其中，菱形块结构中包括N个像素点，I

本申请的高精度对准装置发挥莫尔条纹方法在放大方面的优势，采用更高精度的CMOS相机作为图形空间传感器，平行光在交叉莫尔条纹下产生衍射的菱形块结构，该菱形块结构的质心在待对准设备较小位移下会被放大成更大的位移，通过高精度CMOS相机对菱形块结构的实时质心坐标进行捕捉，就能通过视觉方法实现对待对准设备的高精度对准。

为了保证该高精度对准装置的对准精度，该高精度对准装置在投入使用之前还包括对准精度的测量以及调试的过程：

为了调试该高精度对准装置的对准精度，该高精度对准装置还包括调试移动平台8，与待对准设备一样，该调试移动平台8与掩膜光栅4连接在一起，使得掩膜光栅4被搭载在调试移动平台8上，调试移动平台8即能带动掩膜光栅4一起移动。同样的当该高精度对准装置包括环形盘6时，调试移动平台8与环形盘6连接在一起。另外调试移动平台8还自带位移测量功能，也即调试移动平台8在带动掩膜光栅4移动时，可以直接测量读取得到平台位移实际值。

对该高精度对准装置的调试过程包括：通过调试移动平台8带动掩膜光栅4沿着预定方向移动，在通过调试移动平台8带动掩膜光栅4沿着预定方向移动的过程中，通过相机1获取多帧调试图像，从每帧调试图像中识别得到光栅尺组合衍射出的菱形块结构并确定菱形块结构的实时质心坐标。获取调试图像并从调试图像中识别确定实时质心坐标的方法与上述对待处理图像的图像处理过程相同，该实施例不再赘述。

然后利用多帧调试图像中识别得到的实时质心坐标来实现高精度位移测量，包括：根据任意第m帧调试图像和第n帧调试图像中菱形块结构的实时质心坐标以及该高精度对准装置的装置参数，确定调试移动平台8在第m帧调试图像和第n帧调试图像的采样时刻之间的平台位移计算值。包括如下步骤，请参考图6所示的流程图：

(1)根据第m帧调试图像提取的实时质心坐标和第n帧调试图像提取的实时质心坐标，确定调试移动平台8从第m帧调试图像的采样时刻至第n帧调试图像的采样时刻的质心实际位移Δd。第m帧调试图像和第n帧调试图像是任意采样到的两帧调试图像，确定质心实际位移Δd的方法包括：

首先计算第m帧调试图像提取的实时质心坐标至第n帧调试图像提取的实时质心坐标的质心像元位移。然后将质心像元位移乘以相机底片上单个像元大小和相机的成像倍数，即能得到从第m帧调试图像的采样时刻至第n帧调试图像的采样时刻的质心实际位移Δd。

(2)确定调试移动平台8从第m帧调试图像的采样时刻至第n帧调试图像的采样时刻的平台位移计算值Δh＝sinθ·Δd，θ是从调试图像中识别得到菱形块结构的菱形边缘中一组邻边形成的锐角的夹角。

请参考图3所示的示意图，在第m帧调试图像中，提取得到的L1和L2是固定光栅3衍射出的菱形块结构的第一条纹对，L3和L4是掩膜光栅衍射出的菱形块结构的第二条纹对，从第m帧调试图像中识别得到菱形块结构ABCD且实时质心坐标为P。当调试移动平台8移动后采集到的第n帧调试图像中，固定光栅3衍射出的L1和L2不变，掩膜光栅衍射出的L3和L4变为L3’和L4’，从第n帧调试图像中识别得到菱形块结构EFGH且实时质心坐标为P’。从实时质心坐标P至实时质心坐标P’的质心实际位移Δd，通过三角变量关系即可确定调试移动平台8的平台位移计算值Δh＝sinθ·Δd。从图3也可以看出，较小的Δh就能产生一个较大的Δd。

在确定调试移动平台8从第m帧调试图像至第n帧调试图像的采样时刻之间的平台位移计算值后，结合调试移动平台8从第m帧调试图像至第n帧调试图像的采样时刻之间的平台位移实际值，即能确定该高精度对准装置的对准精度。可以计算平台位移计算值与平台位移实际值之间的差值作为对准精度。或者计算不同帧调试图像的采样时刻之间的平台位移计算值与平台位移实际值之间的差值，并求取平均值作为对准精度，以减少单次的误差。

在确定该高精度对准装置的对准精度后，还可以通过调节高精度对准装置的装置参数来调节对准精度，直至对准精度达到设定的对准精度阈值。如上分析可知，平台位移计算值与夹角θ和相机的成像倍数相关，而夹角θ与掩膜光栅与固定光栅3之间的预定交叉角度相关，因此通过增大相机的成像倍数，和/或，减小掩膜光栅与固定光栅3之间的预定交叉角度，就能提高对准精度，重复上述过程，就能调节使得对准精度达到对准精度阈值。经实验验证，该高精度对准装置的测量精度可以达到小于15nm。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。