一种具有调焦及倾斜校正设计的标记及对准方法

技术领域

本发明涉及一种具有调焦及倾斜校正设计的标记及对准方法，尤其是一种 包括对准标记和至少一对调焦标记的标记及其对准方法。

背景技术

在集成电路制造过程中，一个完整的芯片通常需要经过多次光刻曝光才能 制作完成。除了第一层光刻外，其余层次的光刻在曝光前都要将该层次的图形 与以前层次曝光留下的图形(即标记)进行精确定位，这样才能保证每一层图 形之间有正确的相对位置，即套刻精度。

在现有技术中，基于光学成像原理的对准系统是光刻机中常用的系统之一， 如NikonFIA系统、UltratecMVS等。FIA的标记样式单一，如图1所示。Ultratec MVS具有标记学习功能，标记无固定形式。此外，US6344698B2和CN102103336 考虑了工艺对标记的影响，并分别设计了受工艺影响较小的标记。

实际上，除了工艺影响测量精度外，还有众多因素会影响测量精度。

首先，畸变是一种常见的像差，在光学成像系统中，畸变对测量复现性的 影响不容忽视。它的影响机理是，测量标记在视场中的位置不确定性与畸变的 非线性耦合，影响测量复现性，如图2所示。虽然FIA系统通过多次迭代以使 标记始终处于某一固定位置被测量，减轻了畸变的影响，但是迭代需要消耗大 量的时间。

其次，如图3所示，标记的离焦倾斜效应也会影响测量复现性，被测物倾 斜角a会产生误差D。尽管光刻机中的调焦调平系统可实现倾斜与离焦的校正， 但是由于调焦调平测量面为光刻胶上表面，而对准标记有时位于光刻胶下表面， 光刻胶的厚度具有一定的波动性，因此调焦调平系统还不足以实现对准标记的 高精度调焦调平。

此外，在光学成像系统中，尽管自动调焦技术在对准传感器中已经广泛应 用，但是在自动调焦的同时实现倾斜校正的传感器还未被发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有调焦及倾斜校正设计的标记及对准方法， 所述标记包括对准标记和至少一对调焦标记，用于在调焦的同时消除倾斜对标 记的影响，同时降低畸变对标记的影响。

为了达到上述目的，本发明提供了一种具有调焦及倾斜校正设计的标记， 包括：

对准标记和至少一对调焦标记，所述对准标记的中心位于任一对所述调焦 标记连线的中点上，任一对所述调焦标记中心对称于所述对准标记的两侧。

进一步地，所述对准标记为十字型标记或者米字型标记。

进一步地，所述对准标记的线宽大于离散化粒度。

进一步地，所述对准标记的线宽大于两倍PSF宽度。

进一步地，所述调焦标记为方块型调焦标记或光栅型调焦标记。

进一步地，所述光栅型调焦标记为水平光栅型调焦标记或者竖直光栅型调 焦标记。

进一步地，所述标记包括对准标记和调焦标记，所述调焦标记包括一对所 述方块型调焦标记、一对所述水平光栅型调焦标记和一对所述竖直光栅型调焦 标记。

本发明还提出了一种对准方法，应用于所述标记，所述对准方法包括以下 步骤：

(1)对准系统初步对准工件上所述具有调焦及倾斜校正设计的标记；

(2)以预定步距垂向移动工件台，根据焦面判据及其最佳焦面确定方法获 得各对调焦标记的最佳焦面位置{P_i,Q_i}，即两个调焦标记的垂向最佳焦面位置， 其中，P_i和Q_i为第i对调焦标记的位置，其中i≥3；

(3)根据各对调焦标记的最佳焦面位置{P_i,Q_i}获得所述对准标记的最佳焦 面位置的原始值M_i及其倾斜的原始值T_i，其中，

$M_i=\frac{P_i+Q_i}{2},T_i=\arctan \left(\frac{P_i-Q_i}{\mathrm{Dis}(P_i,Q_i)}\right);$

(4)根据所述对准标记的最佳焦面位置的原始值M_i及其倾斜的原始值T_i通 过均值滤波或者中值滤波方法确定视场内所述工件(硅片)的最佳焦面位置M 及其倾斜T；

(5)根据所述视场内所述工件(硅片)的最佳焦面位置的M及其倾斜T 垂向运动工件台以补偿多个对准标记中需补偿的对准标记的垂向位置。

进一步地，所述焦面判据包括梯度幅值法和PSF宽度法。

进一步地，所述调焦标记为方块型调焦标记或光栅型调焦标记。

进一步地，所述光栅型调焦标记的所述焦面判据是所述标记图像的梯度幅 值，即将图像与Sobel算子卷积，并累加。

进一步地，所述方块型调焦标记的所述焦面判据是所述标记的PSF宽度， 具体方法是，抽取所述方块型调焦标记的某行或某几行灰度值，得到灰度分 布，并求解中h值，根据h值的大小判断焦面位置。

进一步地，所述最佳焦面确定方法获取所述对准标记中任一对所述调焦标 记的{P_i,Q_i}，可采用第一方法，所述第一方法包括：

(1)以预定步距运动工件台；

(2)在每个位置拍摄图像；

(3)从图像中提取所述焦面判据值；

(4)拟合曲线求最佳焦面位置。

进一步地，所述最佳焦面确定方法获取所述对准标记中任一对所述调焦标 记的{P_i,Q_i}，也可采用第二方法，所述第二方法包括：

(1)标定所述焦面判据值与垂向位置的关系；

(2)在当前工件台位置上拍摄图像；

(3)从图像中提取所述焦面判据值；

(4)根据标定数据获得当前位置离焦面的距离d；

(5)在当前位置的基础上使工件台分别移动d与-d，并分别拍摄图像以获 得焦面判据值V₁与V₂；

(6)比较V₁与V₂，决定焦面位置。

与现有技术相比，本发明公开了一种具有调焦及倾斜校正设计的标记及对 准方法，实现了对准标记的高精度调焦调平。一方面，使得调焦的同时消除了 倾斜对标记的影响，提高了测量复现性；另一方面，分析了畸变对测量复现性 的影响机理，并据此给出了对准标记宽度的限定条件，进一步地提高了测量复 现性。

附图说明

图1为FIA标记的示意图；

图2为畸变对测量复现性的影响的原理图；

图3为离焦倾斜效应的原理图；

图4为本发明实施例一中标记的示意图；

图5为本发明实施例一中抽取标记灰度值的示意图；

图6为本发明实施例一中抽取标记灰度值的灰度分布示意图；

图7为本发明实施例一中对准标记和调焦标记的位置关系示意图；

图8为根据各调焦标记的得到的垂向位置Pi、Qi，计算各对准标记的垂向 位姿Mi，Ti的示意图；

图9为根据若干个对准标记的位置X，Y，计算工件(硅片)位置的位置示 意图。

其中，a:被测物倾斜角，D：误差，10：方块型调焦标记，30：方块型调焦 标记，11：水平光栅型调焦标记，31：水平光栅型调焦标记，12：竖直光栅型 调焦标记，32：竖直光栅型调焦标记，20：对准标记，h：PSF宽度，1：一侧 调焦标记的最佳焦面，2：对准标记的最佳焦面，3：另一侧调焦标记的最佳焦 面。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列 描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用 非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明 实施例的目的。

实施例一

如图4所示，本发明实施例一提供了一种具有调焦及倾斜校正设计的标记， 所述标记包括对准标记20和至少一对调焦标记，调焦标记为方块型调焦标记或 光栅型调焦标记，所述光栅型调焦标记为水平光栅型调焦标记或者竖直光栅型 调焦标记，所述调焦标记包括一对所述方块型调焦标记、一对所述水平光栅型 调焦标记和一对所述竖直光栅型调焦标记，所述调焦标记包括方块型调焦标记 10、方块型调焦标记30、水平光栅型调焦标记11、水平光栅型调焦标记31、竖 直光栅型调焦标记12和竖直光栅型调焦标记32。其中，方块型调焦标记10和 方块型调焦标记30为一对方块形调焦标记，水平光栅型调焦标记11和水平光 栅型调焦标记31为一对光栅型调焦标记，竖直光栅型调焦标记12和竖直光栅 型调焦标记32为一对光栅型调焦标记。对准标记20为十字型标记或者米字型 标记，用于对准，在实施例一中，对准标记20为十字型标记，所述十字型标记 包括横线条和竖线条，所述横线条和竖线条相互垂直，且对准标记20的中心位 于任一对所述调焦标记连线上的中点上，任一对所述调焦标记中心对称于所述 对准标记的两侧，对准标记20和调焦标记结合起来用于实现对准标记的高精度 调焦调平。在确定调焦标记的最佳焦面时，需要选择焦面判据。常见的焦面判 据有两种，分别是梯度幅值法和PSF(点扩散函数)宽度法。

在实施例一中，光栅型调焦标记的焦面判据采用梯度幅值法，即将图像与 Sobel算子卷积，并累加。焦面判据的公式如下：

Dx＝Image*SobelX

Dy＝Image*SobelY

$V=\underset{\mathrm{image}}{\Sigma }\sqrt{{\mathrm{Dx}}_i^2+{\mathrm{Dy}}_i^2}$

其中，Image为原始图像，SobelX及SobelY分别为横向和纵向Sobel算子， Dx及Dy分别为横向和纵向边缘检测的图像，V为梯度近似值，也即焦面判据 值。

在实施例一中，方块型调焦标记的焦面判据采用PSF宽度法，即抽取方块 标记的某行或某几行的灰度值，如图5中虚线框所示，得到如图6所示的灰度 分布，求解图6中的PSF宽度h，即焦面判据值，然后再根据PSF宽度h值的 大小判断焦面位置。

在选定焦面判据后，确定最佳焦面的方法为第一方法或第二方法。

第一方法包括以下步骤：

(1)以预定步距运动工件台；

(2)在每个位置拍摄图像；

(3)从图像中提取所述焦面判据值；

(4)拟合曲线求最佳焦面位置。

第二方法包括以下步骤：

(1)标定所述焦面判据值与垂向位置的关系；

(2)在当前工件台位置上拍摄图像；

(3)从图像中提取所述焦面判据值；

(4)根据标定数据获得当前位置离焦面的距离d；

(5)在当前位置的基础上使工件台分别移动d与-d，并分别拍摄图像以获 得焦面判据值V₁与V₂；

(6)比较V₁与V₂，决定焦面位置。

如图7所示，对准标记20处于一对调焦标记中间，对准标记20的最佳焦 面2为一侧调焦标记的最佳焦面1和另一侧调焦标记的最佳焦面3的均值。此 外，根据一侧调焦标记的最佳焦面1和另一侧调焦标记的最佳焦面3还可获得 对准标记20的倾斜。

所述标记的对准方法包括以下步骤：

(1)将工件置于工件台上后，通过调焦调平系统(FLS)实现第一步调焦 调平；

(2)移动工件台将所述具有调焦及倾斜校正设计的对准标记20带入对准 系统视场，对准完成初步测量，从而确定调焦标记的水平位置参数；

(3)以预定步距垂向移动工件台，根据焦面判据及其最佳焦面确定方法获 得各对调焦标记的最佳焦面位置{P_i,Q_i}，其中，

P_i和Q_i为第i对调焦标记的位置，其中i≥3；

(4)根据各对调焦标记的最佳焦面位置{P_i,Q_i}，即两个调焦标记的垂向最 佳焦面位置，从而获得所述对准标记20的最佳焦面位置的原始值M_i及其倾斜的 原始值T_i，其中，

$M_i=\frac{P_i+Q_i}{2},T_i=\arctan \left(\frac{P_i-Q_i}{\mathrm{Dis}(P_i,Q_i)}\right);$

此步骤请参见图8；

(5)根据所述对准标记20的最佳焦面位置的原始值M_i及其倾斜的原始值T_i通过均值滤波或者中值滤波方法确定多个对准标记20所围视场内的工件(硅片) 的最佳焦面位置M及其倾斜T；

(6)根据所述视场内的工件(硅片)的最佳焦面位置的M及其倾斜T垂 向运动工件台以补偿多个对准标记中需补偿的对准标记的垂向位置；

(7)重新计算对准标记20的水平位置，其水平位置为x_WZCS,y_WZCS，同时记 录测量时的工件台位置；此步骤请参见图9

(8)获得工件(硅片)在工件台中的位置。

其中，步骤(1)为第一步调焦调平，用于初步调整，步骤(3)-(8)为第 二步调焦调平，用于实现对准标记的高精度调焦调平。

上述内容完成了有倾斜校正的标记的设计，并给出了该标记的对准方法， 但并未考虑畸变对对准标记的对准精度的影响。

如图2所示，对准标记具有一定线宽，图2中线宽为LR线段长度。对准标 记两侧位置为L和R，中心位置为C，对准标记的实际成像位置为L’和R’，相 应的中心位置为CC。标定算法可建立起理想成像点与实际成像点位置关系，如 图2中箭头所示。由于畸变的非线性，CC点偏离了C点对应的成像点C’，因 此，实际标记测试位置CC偏离了标记实际位置，尽管如此，若偏离量保持固定 则复现性仍可保证。但实际上，随着视场位置的不同，偏离量也将变化，从而 影响测量复现性。

畸变对对准精度影响的计算方法包括以下步骤：

(1)通过Zemax和CODEV等光学软件获取在视场各位置镜头相对于理 想成像位置的偏移量曲线O(t)；

(2)根据标记的线宽生成窗口函数，宽度为T；

(3)将窗口从中心切分，分为两个紧邻的子窗口，分别为W(t)和W(t-T/2)， 宽度均为T/2；

(4)将子窗口W(t)和W(t-T/2)分别与O(t)进行卷积，得到C(t)和D(t)；

(5)取E(t)＝C(t)-D(t)；

(6)求E(t)中最大值Max与最小值Min。

在像方，畸变对精度的影响可计算为Err＝Max-Min，相应的物方值为Err/ 倍率。

由上述分析可知，对准标记20的线宽越小，畸变对精度的影响越小。但是 对准标记20不可以无限小，因为后端由CCD(电荷耦合元件)对图像进行离散 化，对准标记20线宽需大于图像的离散化粒度(颗粒的大小)。

此外，由于对准标记20内部亮度值保持不变，不含对准标记20位置的信 息。仅在对准标记20边缘处，才存在标明对准标记20位置的特征。为了能准 确定位对准标记20的边缘，在边缘覆盖的范围内(即PSF宽度)，需要4个采 样点，因此对准标记20线宽需大于2倍PSF宽度，从而确定对准标记20的线 宽。

实施例二

与实施例一不同，在实施例二中，对准标记中心不一定位于所述任一对调 焦标记连线的中点上，而只需到两个调焦标记的距离已知，根据已知的对准标 记到两个调焦标记的距离获得对准标记的最佳焦面位置。与实施例一相比，实 施例二提供了一种限定条件较少的标记，满足了用户的多样化需求。

在实施例二中，除上述内容，标记及对准方法均与实施例一一致，故在此 不再赘述。

实施例三

与实施例一不同，在实施例三中，对准标记为横线条型标记或竖线条型标 记，用于测量单方向位置。与实施例一相比，实施例三提供了一种用于测量单 方向位置的标记，满足了用户的多样化需求。

在实施例三中，除上述内容，标记及对准方法均与实施例一一致，故在此 不再赘述。

实施例四

与实施例一不同，在实施例四中，对准标记为米字型标记。与实施例一相 比，实施例四提供了一种米字型对准标记，满足了用户的多样化需求。

在实施例四中，除上述内容，标记及对准方法均与实施例一一致，故在此 不再赘述。

综上，本发明公开了一种具有调焦及倾斜校正设计的标记及对准方法，实 现了对准标记的高精度调焦调平。一方面，使得调焦的同时消除了倾斜，提高 了测量复现性；另一方面，分析了畸变对测量复现性的影响机理，并据此给出 了对标记宽度的限定条件，进一步地提高了测量复现性。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任 何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明 揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离 本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。