CN105607431A - 一种适用于投影光刻机的实时调平***及其调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于投影光刻机的实时调平***，由光源经第一、第二准直透镜组成为平行光束，通过投影光阑成为一道狭缝光束。狭缝光束经过第一成像镜组成像到硅片表面。从硅片表面反射的光束经第二、第三、第四成像镜组成像在线阵CCD上。当硅片在工件台上有存在偏角α时，从硅片反射的反射光束将偏转2α的角度。这一偏转，将使狭缝的像在线阵CCD上产生ΔX的位移。线阵CCD通过Cameral？link传输线将图像信息传输到图像采集控制卡。图像采集卡对图像信息经行亚像素处理，计算出硅片的偏转角，通过控制硅片台下方的压电致动器，实时调平硅片台，保证曝光时硅片的平整性要求。本发明有效的提高了光刻机工作中的实时调平效率，从而提高了光刻机的工作效率。

Description

一种适用于投影光刻机的实时调平***及其调平方法

技术领域

本发明属于微电子设备中投影光刻机的调平技术领域，具体涉及一种适用于投影光刻机的实时调平***及其调平方法，应用该***可以快速的实现硅片台的调平，提高光刻机的工作效率以及光刻工艺的质量。

背景技术

目前，集成电路的规模越来越大，单位面积上的电路密度激增，为了满足这一要求，光刻线条的特征尺寸也越来越小，对光刻分辨力提出了更为苛刻的要求。同时分辨力的提高导致焦深的急剧下降，由此对光刻***的调平调焦要求更为严苛。

目前国内的很多投影式光刻机有实时调焦***，但没有实时调平***。即使有调平***，也不能做到实时调平。光刻过程中，保证硅片的平整性，可以提高光刻工艺的质量，同时实时的调平***可以提高光刻机的工作效率。

发明内容

本发明提出了一种适用于投影光刻机的实时调平***，能够实现硅片台的实时调平，保证光刻过程中硅片台的平整性要求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于投影光刻机的实时调平***，包括光源，第一准直透镜组，第二准直透镜组，第一反射镜，投影光阑，第一成像组镜，第二反射镜，硅片，真空吸盘，工作台，第三反射镜，第二成像镜组，第三成像镜组，第四成像镜组，第四反射镜，线阵CCD，Camerallink传输线，图像采集控制卡，RS232串口和计算机；由光源经第一准直透镜组、第二准直透镜组成为平行光束，经过第一反射镜照射到投影光阑成为一道狭缝光束，狭缝光束经过第一成像组镜成像到硅片表面，从硅片表面反射的光束经第二成像镜组、第三成像镜组、第四成像镜组成像在线阵CCD上，硅片通过真空吸盘固定在工作台上，当硅片在工件台上有存在偏角α时，从硅片反射的反射光束将偏转2α的角度，这一偏转，将使狭缝的像在线阵CCD上产生△X的位移，线阵CCD通过Camerallink传输线将图像信息传输到图像采集控制卡，图像采集控制卡对图像信息经行亚像素处理，计算出硅片的偏转角，通过控制硅片台下方的压电致动器，实时调平硅片台，保证曝光时硅片的平整性要求，图像采集控制卡通过RS232串口同计算机通信，可以进行初始化设置以及调试。

本发明还提供一种适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，该方法步骤如下：

步骤一：光源经第一准直透镜组、第二准直透镜组成为平行光束，经过第一反射镜照射到投影光阑成为一道狭缝光束，狭缝光束经过第一成像组镜以及第二反射镜以较大的入射角成像到硅片表面，从硅片表面反射的光束依次经第三反射镜和第二成像镜组、第三成像镜组、第四成像镜组，再经过第四反射镜，成像在线阵CCD上；

步骤二：线阵CCD同过Camerallink传输线将采集到的图像信息传给图像采集控制卡，图像采集控制卡对图像经行亚像素处理，得到狭缝像的中心位置，根据预设的最佳平整位置，计算出偏移量△X，再通过公式转换为硅片的偏角；

步骤三：图像采集控制卡通过计算出的偏移量,控制硅片台下方的压电致动器，实时调整硅片的偏移，保证硅片台工作时的平整要求。

其中，狭缝光束成像到硅片上的O点到后面成像光学镜组的A点之间的距离为第二成像镜组的焦距，使不同角度的入射光束经第二成像镜组、第三成像镜组、第四成像镜组后，平行岀射到线阵CCD上。

其中，调整硅片的平整度时，通过控制硅片台下方，按三角形分布的压电致动器，进行硅片台的高精度调平。

其中，所述线阵CCD采用高灵敏度低噪声黑白线扫描CCD传感器，具有2048个有效像素，像素尺寸14μm×14μm，自带AD，具有8bit/10bit/12bit可配置输出数据精度，16位高精度积分时间设置，具有改进的相机配置串行通讯协议，最高数据率25MHz，最高行频11.7KHz。

其中，所述的CPU模块是采用Xilinx公司的FPGA实现的，利用FPGA的高速并行处理能力以及灵活的可编程能力，可以快速的提高***的实时调平功能，所述的Camerallink接口模块采用标准的MDR26接口；Camerallink接口与LVDSTo28bit和通信模块之间用差分连接，视频图像信息以5路串行低压差分信号传输到LVDSTo28bit模块，由于使用了Camerallink协议的Base模式，仅输出8位并行信号、1位行同步信号和1位Camerallink时钟信号到CPU处理器模块；同时，通信模块有一个LVDSDriver/Receiver和一个4路差分驱动器组成，LVDSDriver/Receiver负责FPGA和Camerallink之间的串行命令收发，4路差分线驱动器负责把4路FPGA的相机控制信号转换成低电压差分信号给Camerallink。

其中，通过图像采集控制卡上的拨码开关可以对***进行预设处理，硅片处于理想平整状态时，将此时线阵CCD上对应的位置标定为参考位置，用于与硅片处于有一定偏角时的线阵CCD上的其他位置进行比较，通过图像采集控制卡处理后，得出硅片的偏角，通过控制硅片台下的压电陶瓷电机的位移，调平硅片台。

其中，所采用的图像处理算法，首先经过高斯滤波的图像利用梯度算子获取其对应的梯度图像；然后求得梯度图像极大值即为图像的边缘点，再通过对边缘点附近进行二次差值处理，求得亚像素级的图像边沿位置，最后取其平均值即为狭缝亮纹的中心。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明充分利用了FPGA的高速并行性，有效的提高了光刻机工作中的实时调平效率，从而提高了光刻机的工作效率。

(2)、本发明采用了压电致动器进行硅片台的调平，可以实现高精度硅片台调平。

(3)、本发明将大量的数据处理过程放在下位机上处理，大大减轻了上位机的负载，同时通过上位机进行初始化设置以及调试，操作方便简单，运行可靠。

附图说明

图1为本发明一种适用于投影光刻机的实时调平***结构原理图，其中，1为光源，2为第一准直透镜组，3为第二准直透镜组，4为第一反射镜，5为投影光阑，6为第一成像组镜，7为第二反射镜，8为硅片，9为真空吸盘，10为工作台，11为第三反射镜，12为第二成像镜组，13为第三成像镜组，14为第四成像镜组，15为第四反射镜，16为线阵CCD，17为Camerallink传输线，18为图像采集控制卡，19为RS232串口，20为计算机。

图2为本发明采用的采集控制卡模块框图。

图3为本发明中图像处理算法流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图做进一步的详细描述。

如图1所示，一种适用于投影光刻机的实时调平***，包括光源1，第一准直透镜组2，第二准直透镜组3，第一反射镜4，投影光阑5，第一成像组镜6，第二反射镜7，硅片8，真空吸盘9，工作台10，第三反射镜11，第二成像镜组12，第三成像镜组13，第四成像镜组14，第四反射镜15，线阵CCD16，Camerallink传输线17，图像采集控制卡18，RS232串口19，计算机20。由光源1经第一准直透镜组2、第二准直透镜组3成为平行光束，经过第一反射镜4照射到投影光阑5成为一道狭缝光束。狭缝光束经过第一成像组镜6成像到硅片8表面。从硅片表面反射的光束依次经第二成像镜组12、第三成像镜组13、第四成像镜组14后成像在线阵CCD16上。硅片8通过真空吸盘9固定在工作台10上，当硅片在工件台10上有存在偏角α时，从硅片反射的反射光束将偏转2α的角度。这一偏转，将使狭缝的像在线阵CCD16上产生△X的位移。线阵CCD通过Camerallink传输线17将图像信息传输到图像采集控制卡18。图像采集控制卡18对图像信息经行亚像素处理，计算出硅片的偏转角，通过控制硅片台下方的压电致动器，实时调平硅片台，保证曝光时硅片的平整性要求。图像采集控制卡18通过RS232串口19同计算机20通信，可以进行初始化设置以及调试。

一种适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，具体步骤如下：

步骤一：光源1经第一准直透镜组2、第二准直透镜组3成为平行光束，经过第一反射镜4照射到投影光阑5成为一道狭缝光束。狭缝光束经过第一成像组镜6以及第二反射镜7以较大的入射角成像到硅片8表面。从硅片表面反射的光束依次经第三反射镜11和第二成像镜组12、第三成像镜组13、第四成像镜组14，再经过第四反射镜15，成像在线阵CCD16上；

步骤二：线阵CCD16同过Camerallink传输线17将采集到的图像信息传给图像采集控制卡18，图像采集控制卡对图像经行亚像素处理，得到狭缝像的中心位置，根据预设的最佳平整位置，计算出偏移量△X，再通过公式转换为硅片的偏角，所述的图像采集卡包含13个模块，分别为：CPU模块A，光电开光模块B，复位模块C，压电致动模块D，时钟模块E，电源模块F，数码管显示模块G，预设值模块H，JTAG配置模块I，通信模块J，LVDSTo28bit模块K，CamerallinkL，串口通信模块M；

步骤三：图像采集控制卡18通过计算出的偏移量，控制工件台的调平***，实时调整硅片的偏移，保证硅片台工作时的平整要求。其中，硅片偏移α角度，将会使狭缝在线阵CCD上产生△X的位移，通过不断调整硅片台下方压电致动器，使硅片台达到要求的平整度为止。其中采用的图像处理算法，首先经过高斯滤波的图像利用梯度算子获取其对应的梯度图像；然后求得梯度图像极大值即为图像的边缘点，再通过对边缘点附近进行二次差值处理，求得亚像素级的图像边沿位置，最后去其平均值即为狭缝亮纹的中心。

图1是投影光刻机中实时调平***的原理图，其中OA距离为第二成像镜组12的焦距，这样使得从硅片反射的狭缝光束经过后方成像透镜组后，变为平行光岀射。当硅片有α的偏角时，会引起反射光线2α角度的偏移。由公式：

$tan\left(2\mathrm{\α}\right)=\frac{{\mathrm{\ΔX}}^{\′}}{OA}---\left(1\right)$

△X＝a△X'(2)

其中，a为第二成像镜组12、第三成像镜组13、第四成像镜组14组成的镜组的放大倍率，OA为第二成像镜组12的焦距，△X和△X'分别为经过第二成像镜组12、第三成像镜组13、第四成像镜组14后的偏移量和原始偏移量。一般情况，α都很小，可以将公式(1)近似为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ΔX}}^{\′}}{2\×OA}---\left(3\right)$

第二成像组镜12、第三成像镜组13、第四成像镜组14组成的镜组的放大率可以做到20倍，线阵CCD的像素间距为d＝14μm，当△X由一个像素的变化时，对应的α为1.75×10^-6rad。因此，该***能检测出硅片很细微的倾斜并进行修正。

对于图像处理算法则采用基于多项式插值的亚像素边缘检测算法，求两边缘中点作为狭缝中点，其流程图如图3所示：

步骤一：线阵CCD采集图像信息，通过Camerallink传输线传送给图像采集控制卡。

步骤二：用高斯滤波器对图像灰度信息进行低通滤波处理，降低噪声对边缘检测的影响。

步骤三：求梯度图像极大值，找边缘像元位置。设图像的灰度函数为f(x)，其中x的值为0，1，2，3……2047。然后对f(x)求梯度，得到梯度图像R(x)＝|f(x+1)-f(x)|，其中x的值为0，1，2，3……2046。当满足：

R(x)≥R(x+1)>R(x+2)(4)

R(x)≥R(x-1)>R(x-2)(5)

令：E(x)＝R(x)，否则E(x)＝0。取E(x)最大的两个位置i，j作为像元级边缘点。

步骤四：对两边缘像元位置i,j进行三点二次多项式插值。对梯度图像R(x)在两边缘位置i处取三点R(i)，R(i-1)，R(i+1)做为插值点。二次插值函数可表示为：

$P\left(x\right)=\frac{(x-x_1)(x-x_2)}{(x_0-x_1)(x_0-x_2)}R(i-1)+\frac{(x-x_0)(x-x_2)}{(x_1-x_0)(x_1-x_2)}R\left(i\right)+\frac{(x-x_1)(x-x_0)}{(x_2-x_1)(x_2-x_0)}R(i+1)---\left(6\right)$

其中，x₀＝i-d，x₁＝i，x₂＝i+d，其中d为线阵CCD像元尺寸。

对上式P(x)求导得P(x)'，当P(x)'＝0，得到x_i为i的边缘位置。

同理可以求得j的边缘位置x_j。

则狭缝亮纹的中心位置为：

$x_c=\frac{x_i+x_j}{2}---\left(7\right)$

标定位置设为x₀，则可得△X＝|x_c-x₀|，由此计算得出硅片的偏移角α。图像采集控制卡通过调整硅片台下方的压电致动器，使得狭缝偏移距离在线阵CCD上满足△X≤d为止。

总体上，本发明所述的适用于投影光刻机的实时调平***，具有较好的实时性，探测精度高，可操作性强，能有效的提高光刻工艺的效率与质量。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域人员所公知的技术。

Claims (8)

1.一种适用于投影光刻机的实时调平***，其特征在于：包括光源(1)，第一准直透镜组(2)，第二准直透镜组(3)，第一反射镜(4)，投影光阑(5)，第一成像组镜(6)，第二反射镜(7)，硅片(8)，真空吸盘(9)，工作台(10)，第三反射镜(11)，第二成像镜组(12)，第三成像镜组(13)，第四成像镜组(14)，第四反射镜(15)，线阵CCD(16)，Camerallink传输线(17)，图像采集控制卡(18)，RS232串口(19)和计算机(20)；由光源(1)经第一准直透镜组(2)、第二准直透镜组(3)成为平行光束，经过第一反射镜(4)照射到投影光阑(5)成为一道狭缝光束，狭缝光束经过第一成像组镜(6)成像到硅片(8)表面，从硅片表面反射的光束经第二成像镜组(12)、第三成像镜组(13)、第四成像镜组(14)成像在线阵CCD(16)上，硅片(8)通过真空吸盘(9)固定在工作台(10)上，当硅片在工件台(10)上有存在偏角α时，从硅片反射的反射光束将偏转2α的角度，这一偏转，将使狭缝的像在线阵CCD(16)上产生△X的位移，线阵CCD通过Camerallink传输线(17)将图像信息传输到图像采集控制卡(18)，图像采集控制卡(18)对图像信息经行亚像素处理，计算出硅片的偏转角，通过控制硅片台下方的压电致动器，实时调平硅片台，保证曝光时硅片的平整性要求，图像采集控制卡(18)通过RS232串口(19)同计算机(20)通信，可以进行初始化设置以及调试。

2.一种适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，其特征在于：该方法步骤如下：

步骤一：光源(1)经第一准直透镜组(2)、第二准直透镜组(3)成为平行光束，经过第一反射镜(4)照射到投影光阑(5)成为一道狭缝光束，狭缝光束经过第一成像组镜(6)以及第二反射镜(7)以较大的入射角成像到硅片(8)表面，从硅片表面反射的光束依次经第三反射镜(11)和第二成像镜组(12)、第三成像镜组(13)、第四成像镜组(14)，再经过第四反射镜(15)，成像在线阵CCD(16)上；

步骤二：线阵CCD(16)同过Camerallink传输线(17)将采集到的图像信息传给图像采集控制卡(18)，图像采集控制卡对图像经行亚像素处理，得到狭缝像的中心位置，根据预设的最佳平整位置，计算出偏移量△X，再通过公式转换为硅片的偏角；

步骤三：图像采集控制卡(18)通过计算出的偏移量,控制硅片台下方的压电致动器，实时调整硅片的偏移，保证硅片台工作时的平整要求。

3.根据权利要求2所述的适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，其特征在于：狭缝光束成像到硅片上的O点到后面成像光学镜组的A点之间的距离为第二成像镜组(12)的焦距，使不同角度的入射光束经第二成像镜组(12)、第三成像镜组(13)、第四成像镜组(14)后，平行岀射到线阵CCD(16)上。

4.根据权利要求2所述的适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，其特征在于：调整硅片的平整度时，通过控制硅片台下方，按三角形分布的压电致动器，进行硅片台的高精度调平。

5.根据权利要求2所述的适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，其特征在于：所述线阵CCD(16)采用高灵敏度低噪声黑白线扫描CCD传感器，具有2048个有效像素，像素尺寸14μm×14μm，自带AD，具有8bit/10bit/12bit可配置输出数据精度，16位高精度积分时间设置，具有改进的相机配置串行通讯协议，最高数据率25MHz，最高行频11.7KHz。

6.根据权利要求2所述的适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，其特征在于：所述的CPU模块(A)是采用Xilinx公司的FPGA实现的，利用FPGA的高速并行处理能力以及灵活的可编程能力，可以快速的提高***的实时调平功能，所述的Camerallink接口模块(L)采用标准的MDR26接口；Camerallink接口与LVDSTo28bit(K)和通信模块(J)之间用差分连接，视频图像信息以5路串行低压差分信号(LVDS)传输到LVDSTo28bit(K)模块，由于使用了Camerallink协议的Base模式，仅输出8位并行信号、1位行同步信号和1位Camerallink时钟信号到CPU处理器模块；同时，通信模块(J)有一个LVDSDriver/Receiver和一个4路差分驱动器组成，LVDSDriver/Receiver负责FPGA和Camerallink之间的串行命令收发，4路差分线驱动器负责把4路FPGA的相机控制信号转换成低电压差分信号给Camerallink。

7.根据权利要求2或6所述的适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，其特征在于：通过图像采集控制卡上的拨码开关可以对***进行预设处理，硅片处于理想平整状态时，将此时线阵CCD(16)上对应的位置标定为参考位置，用于与硅片处于有一定偏角时的线阵CCD(16)上的其他位置进行比较，通过图像采集控制卡处理后，得出硅片的偏角，通过控制硅片台下的压电陶瓷电机的位移，调平硅片台。

8.根据权利要求2或6所述的适用于投影光刻机的实时调平***的调平方法，其特征在于：所采用的图像处理算法，首先经过高斯滤波的图像利用梯度算子获取其对应的梯度图像；然后求得梯度图像极大值即为图像的边缘点，再通过对边缘点附近进行二次差值处理，求得亚像素级的图像边沿位置，最后去其平均值即为狭缝亮纹的中心。