光刻對準(zhǔn)技術(shù)由最初的明場和暗場對準(zhǔn)發(fā)展到后來的干涉全息或外差干涉全息對準(zhǔn)、混合匹配、由粗略到精細(xì)對準(zhǔn)技術(shù)等。對準(zhǔn)精度也由原來的微米級提高到納米級，極大促進(jìn)了集成電路制造業(yè)的發(fā)展。目前的高精度光刻設(shè)備主要采用的對準(zhǔn)方式可以分為光柵衍射空間濾波和場像處理對準(zhǔn)技術(shù)。從對準(zhǔn)原理上及標(biāo)記結(jié)構(gòu)的角度分類，對準(zhǔn)技術(shù)可以分為早期的投影光刻中的幾何成像對準(zhǔn)方式，包括雙目顯微鏡對準(zhǔn)、場像對準(zhǔn)（field image alignment，F(xiàn)IA）等，到后來的波帶片對準(zhǔn)、干涉強(qiáng)度對準(zhǔn)、激光干涉對準(zhǔn)（laser interference alignment，LIA）以及莫爾條紋對準(zhǔn)方法。常見的一些典型的光刻機(jī)對準(zhǔn)方法及精度見表一。

表一：幾種典型的光刻機(jī)對準(zhǔn)方式及精度

一、幾何成像對準(zhǔn)技術(shù)

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最初階段，幾何成像對準(zhǔn)在集成電路制造中幾乎是唯一使用的光刻對準(zhǔn)方式，也是目前操作最為簡單、直觀的對準(zhǔn)方式，其中包括常見的雙目顯微鏡對準(zhǔn)、利用散射光的暗場對準(zhǔn)、場像處理對準(zhǔn)、雙光束TTL對準(zhǔn)、底面對準(zhǔn)系統(tǒng)以及雙焦點(diǎn)對準(zhǔn)方式等。

1、雙光束TTL對準(zhǔn)技術(shù)

雙光束TTL對準(zhǔn)技術(shù)，主要通過在掩模一側(cè)通過精縮物鏡進(jìn)行測量，該技術(shù)能允許連續(xù)的倍率控制，具有穩(wěn)定性好、精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是由于其使用的光學(xué)材料較為單一，投影物鏡的鏡頭在對準(zhǔn)波長較長時(shí)成像能力有限，且焦面漂移很大，因?yàn)檫@個(gè)原因在深紫外光刻中幾乎不釆用此種對準(zhǔn)方案。

2、場像對準(zhǔn)技術(shù)

這種方法也叫視頻圖像處理對準(zhǔn)技術(shù)（field image alignment，F(xiàn)IA），是指在光刻套刻的過程中，掩模圖樣與硅片基板之間基本上只存在相對旋轉(zhuǎn)和平移，充分利用這一有利條件，結(jié)合機(jī)器視覺映射技術(shù)，利用相機(jī)采集掩模圖樣與硅片基板的對位標(biāo)記信號。此種方法看上去雖然與雙目顯微鏡對準(zhǔn)有些類似，但是實(shí)質(zhì)其實(shí)有所不同。場像處理對準(zhǔn)技術(shù)是通過CCDS攝像對兩個(gè)對位標(biāo)記圖像進(jìn)行采集、濾波、特征提取等處理，最后通過圖像處理單元（image processing unit）進(jìn)行精確定位和匹配參數(shù)計(jì)算，求得掩模圖樣與硅片基板之間的相對旋轉(zhuǎn)和平移量，然后進(jìn)行相位補(bǔ)償和平移量補(bǔ)償，自動(dòng)完成對準(zhǔn)的過程。其光源一般是寬帶的鹵素?zé)?，波長在550~800nm。相對于其他的對準(zhǔn)方式其具有對準(zhǔn)精度高、結(jié)構(gòu)簡單、可操作性強(qiáng)、效率高的優(yōu)勢。其對準(zhǔn)精度誤差主要來自于圖像處理過程。因此，選擇合適的圖像處理算法顯得尤為重要。

3、雙焦點(diǎn)對準(zhǔn)方法

路易斯安那州立大學(xué)M．Feldman等人設(shè)計(jì)的雙焦點(diǎn)物鏡對準(zhǔn)系統(tǒng)，是針對一般情況下掩模硅片標(biāo)記無法同時(shí)成像而改進(jìn)的。該系統(tǒng)大致對準(zhǔn)原理是，通過偏振分光鏡將標(biāo)記采集后的光路分成兩路，如圖一。適當(dāng)延長從掩模返回的光路長度，最后兩標(biāo)記都可以在CCD攝像機(jī)上成清晰等大的像，繼而利于同時(shí)對準(zhǔn)。利用相應(yīng)的標(biāo)記圖像處理技術(shù)，該方法可以達(dá)到約15nm對準(zhǔn)精度(3σ，σ為標(biāo)準(zhǔn)差)。

圖一：雙焦點(diǎn)對準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

以上述三種對準(zhǔn)為代表的幾何光學(xué)成像對準(zhǔn)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、直觀，可以直接采集對準(zhǔn)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)；還可以直接進(jìn)行二維成像及對準(zhǔn)。缺點(diǎn)是精度越高，對準(zhǔn)對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也越高，難以實(shí)現(xiàn)納米級高精度對準(zhǔn)，同時(shí)標(biāo)記圖像的外形容易受工藝過程影響、標(biāo)記輪廓易受腐蝕改變等

二、波帶片對準(zhǔn)方法

基于線性波帶片對準(zhǔn)的方法首次于1979年由B．Fay等人提出，其掩模標(biāo)記是條形波帶片，硅片上準(zhǔn)標(biāo)記為一條很窄的光柵或者“點(diǎn)陣列”，如圖二。其原理是從氦氖激光器出射的光經(jīng)過波帶片，在波帶片的焦平面上(硅片表面)匯聚成一條很窄的亮線。當(dāng)硅片橫向移動(dòng)，標(biāo)記光柵經(jīng)過亮條紋中心時(shí)，光被衍射返回再次經(jīng)過波帶片匯聚后，被光電探測器接收，并且這時(shí)接收到的光強(qiáng)達(dá)到最大。光強(qiáng)最大表示光柵與波帶片中心對準(zhǔn)，即掩模硅片完成對準(zhǔn)。理論靈敏度可以達(dá)到0.5nm，而相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到的最好靈敏度約為50nm量級。

圖二：（a）兩種標(biāo)記的對準(zhǔn)狀態(tài)

圖二（b）波帶片對準(zhǔn)過程示意圖

1、兩狀態(tài)對準(zhǔn)方法（TSA）

為克服上述的缺點(diǎn)，威斯康辛大學(xué)的G.Chen等人提出的改進(jìn)一種改進(jìn)方法，一般叫做兩狀態(tài)對準(zhǔn)系統(tǒng)（TSA)。基本原理是分別在兩狀態(tài)下，其掩模硅片標(biāo)記不變，通過條形波帶片將激光匯聚到硅片上的光柵標(biāo)記兩側(cè)，記錄每個(gè)狀態(tài)下衍射返回的光強(qiáng)，兩次返回衍射光的相對強(qiáng)度反映了光柵和波帶片的相對位置，對準(zhǔn)光分別在狀態(tài)A和B時(shí)照在硅片標(biāo)記中線的兩側(cè)。分別提取兩個(gè)狀態(tài)的對準(zhǔn)信號，由信號的相對強(qiáng)度確定對準(zhǔn)度。系統(tǒng)的對準(zhǔn)探測靈敏度能達(dá)到3nm，對準(zhǔn)范圍能達(dá)到200至400nm。

2、雙光柵波帶片對準(zhǔn)方法

后來G.Chen和M．Feldman還設(shè)計(jì)了另外一種對準(zhǔn)方法。他們在硅片上采用兩相鄰光柵做標(biāo)記，掩模上仍然采用波帶片，其中兩光柵的分界線作為與波帶片匯聚光束的對準(zhǔn)標(biāo)記，避免了采用電光調(diào)制光變對準(zhǔn)光路的狀態(tài)。其中光柵標(biāo)記有兩種，一種是兩個(gè)周期相差很小的相鄰光柵組成標(biāo)記，另一種是周期相等的相移光柵，如圖三。

圖三：兩種光柵標(biāo)記

其原理與前面的兩狀態(tài)對準(zhǔn)系統(tǒng)類似，提取從硅片標(biāo)記的兩相鄰光柵返回的兩束1級衍射光信號之差作為對準(zhǔn)信號。該方法的探測靈敏度很高，在沒有工藝層或光刻膠的情況下，雙光柵和相移光柵的靈敏度分別為1.8nm和0.7nm。較之前一種方法，它能夠同時(shí)提取兩路信號，從而獲得對準(zhǔn)信號，而且能夠從返回強(qiáng)度判別到對準(zhǔn)位置所需移動(dòng)的方向。

該類方法的共同缺點(diǎn)是硅片需要位于波帶片的焦深范圍內(nèi)，返回光強(qiáng)度必須對硅片位置和硅片掩模間隙同時(shí)保持敏感特性，確保間隙變化能引起返回光光強(qiáng)變化；另外，難以實(shí)時(shí)地檢測對準(zhǔn)和非對準(zhǔn)的程度，每次找到對準(zhǔn)位置后需要工件臺移至該位置，無形中引入了工件臺漂移，對準(zhǔn)靈敏度降低。

三、干涉光強(qiáng)度對準(zhǔn)方法

D.C. Flanders等人將衍射光干涉強(qiáng)度信息用于X射線光刻的對準(zhǔn)，從而誕生了另一種對準(zhǔn)方法——基于干涉光強(qiáng)度的對準(zhǔn)方法。該類方法原理可以描述為，當(dāng)光束透過掩模標(biāo)記，通過硅片標(biāo)記上的反射光柵衍射后，再次經(jīng)過掩模上的標(biāo)記光柵衍射，將形成一系列平行且對稱的衍射級組、0級組、±l級組等，如圖中的（0，1)、（1，0）就是級組。然后分別接收對稱衍射級組的干涉光，將對稱的衍射組干涉光強(qiáng)之差轉(zhuǎn)化為對準(zhǔn)信號。只有在掩模硅片上周期相同的兩標(biāo)記光柵完全對準(zhǔn)時(shí)，兩個(gè)對稱級次的光強(qiáng)才相等。

這種方法的對準(zhǔn)精度較高，能達(dá)到幾十納米精度量級，其中采用光柵的“周期/對準(zhǔn)精度”特性分別為：25μm/約200nm、10μm/小于100nm和1.2μm/約20nm。

硅谷光刻（SVGL）設(shè)計(jì)了另一種基于激光干涉光強(qiáng)度信息的對準(zhǔn)方案，稱為TTM通過掩模對準(zhǔn)方法。在這種技術(shù)中，它的硅片標(biāo)記采用棋盤式二元光柵。TTM方法的最大改進(jìn)之處在于采用傾斜入射、出射光路對準(zhǔn)。當(dāng)光以近似于利特羅角的斜角入射，經(jīng)過掩模到達(dá)硅片標(biāo)記時(shí)以與入射光近似平行的角度衍射返回。這樣帶來了一些好處，一方面可以避開曝光光路，在曝光同時(shí)也可以對準(zhǔn)；另一方面可以避開散逸光的干擾，提高對準(zhǔn)光強(qiáng)信號的對比度。

該類方法缺點(diǎn)是對準(zhǔn)受掩模硅片間隙以及掩模硅片傾斜度影響，對準(zhǔn)前必須進(jìn)行平行度校正；采用單組光柵時(shí)，對準(zhǔn)范圍小，需要粗對準(zhǔn)輔助。此外，該技術(shù)方案中光柵必須嚴(yán)格限制為非閃耀光柵，硅片工藝很容易影響光柵質(zhì)量以及衍射光光強(qiáng)，從而使對準(zhǔn)所需的光強(qiáng)對稱性發(fā)生改變，最終導(dǎo)致對準(zhǔn)信號的零點(diǎn)位置發(fā)生偏移。

四、莫爾（Moiré）條紋對準(zhǔn)技術(shù)

隨著光刻對準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，一開始只是作為評價(jià)及測試光柵質(zhì)量的莫爾（Moiré）條紋技術(shù)在光刻對準(zhǔn)中的應(yīng)用也得到了更深層的開發(fā)。起初，其只能實(shí)現(xiàn)較低精度的人工對準(zhǔn)，但隨著細(xì)光柵衍射理論的發(fā)展，利用莫爾條紋相關(guān)特性漸漸也可以在諸如納米壓印光刻對準(zhǔn)等高精度對準(zhǔn)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

莫爾條紋現(xiàn)象，最先是被法國的工人發(fā)現(xiàn)的：當(dāng)兩層薄絲綢疊合在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的水波紋圖案，如果兩層絲綢相對移動(dòng)的話，產(chǎn)生的圖案也會(huì)隨之發(fā)生變化。將這種水波紋圖案稱為莫爾條紋。從光學(xué)技術(shù)角度上來說，莫爾條紋是兩條光柵或其他兩個(gè)物體之間，當(dāng)它們以一定的角度和頻率運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉條紋圖案。當(dāng)人眼無法看到實(shí)際物體而只能看到干涉花紋時(shí)，這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋。L. Rayleigh最早對這個(gè)現(xiàn)象做出了解釋，兩個(gè)重疊的平行光柵會(huì)生成一系列與光柵質(zhì)量有關(guān)的低頻條紋，他的理論指出當(dāng)兩個(gè)周期相等的光柵柵線以一定夾角平行放置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，而周期不相等的兩個(gè)光柵柵線夾角為零（柵線也保持平行）平行放置時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生相對于光柵周期放大的條紋。

圖四：莫爾條紋

莫爾條紋技術(shù)應(yīng)用于光刻對準(zhǔn)是由M.C. King和D.H. Berry于1972年提出來的。他們提出用周期稍有不同的圓光柵或菲涅爾波帶片作為掩模和基片的對準(zhǔn)標(biāo)記。其主要思路是把掩模和硅片上的對準(zhǔn)標(biāo)記做成光柵或其它周期性的柵格結(jié)構(gòu)，在激光之類單色光的垂直照射下，由于發(fā)生了衍射效應(yīng)，基片上的對準(zhǔn)標(biāo)記和掩模板上的對準(zhǔn)標(biāo)記之間將產(chǎn)生莫爾條紋或衍射光斑，以放置在條紋或光斑平面內(nèi)的光電探測器的輸出信號為對照依據(jù)。當(dāng)對準(zhǔn)光柵沿著垂直于柵線的方向移動(dòng)時(shí)，同時(shí)令參考光柵固定不變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向便近似垂直于光柵的移動(dòng)方向。圖五是一個(gè)莫爾條紋對準(zhǔn)的簡單示意圖。

圖五：莫爾條紋對準(zhǔn)方法示意圖

激光束在第一個(gè)相位光柵處發(fā)生衍射，透射的各級次衍射光束經(jīng)過透鏡2，只有0級和±1級衍射光透過，更高級次的衍射光被透鏡的有限孔徑所阻擋；同時(shí)用空間濾波器遮擋掉零級衍射光，則只有±1級衍射光通過透鏡1（沿透鏡1的±1級衍射角方向）對稱照射在硅片的對準(zhǔn)標(biāo)記上發(fā)生衍射，其中入射光束1的-1級和入射光束2的+1級衍射光方向均垂直于對準(zhǔn)標(biāo)記表面，可以得到±1級入射光在硅片對準(zhǔn)光柵的衍射光形成的光形成干涉條紋得到正弦形式的對準(zhǔn)標(biāo)記的完整信號，對準(zhǔn)標(biāo)記隨工件臺移動(dòng)掃描參考光柵，通過光電探測器探測得到±1級的對準(zhǔn)信號。當(dāng)參考光柵固定不變，讓對準(zhǔn)光柵沿著垂直于柵線的方向移動(dòng)，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向近似垂直于光柵的移動(dòng)方向。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔，光柵改變運(yùn)動(dòng)方向，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)也隨之改變方向，兩者之間有著對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可以通過測量莫爾條紋的位置來獲取對準(zhǔn)光柵的位移量和移動(dòng)方向。

在實(shí)際光刻對準(zhǔn)中，單位振幅的平行光通過襯底和掩模標(biāo)記上頻率接近的兩組光柵的調(diào)制作用后，會(huì)形成按一定規(guī)律分布、包含有穩(wěn)定相位信息的莫爾條紋。該條紋能夠在一定程度上反映兩光柵之間的相對位置關(guān)系，在一定程度上可以反映對準(zhǔn)過程中掩模版和硅片基板的相對位置關(guān)系。當(dāng)掩模版和基板上的標(biāo)記光柵發(fā)生相位運(yùn)動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的莫爾條紋將會(huì)隨之產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。此種方法由于把相對位置變換的信息反映到在莫爾條紋的相位信息中，可以克服光強(qiáng)變化對對準(zhǔn)性能的影響，具有很好的抗干擾能力。

由于莫爾條紋對準(zhǔn)處理的對象是兩組標(biāo)記間的復(fù)合衍射位相而不是強(qiáng)度，因此對對準(zhǔn)信號的反射強(qiáng)度要求不高，而信號的靈敏度和對比度都很好，這一突出優(yōu)點(diǎn)使它很適合于多層套刻。這種對準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還在于，其對準(zhǔn)信號是整個(gè)標(biāo)記光柵的綜合平均效應(yīng)，因此對光柵的局部制造誤差和工藝過程中對光柵結(jié)構(gòu)造成的局部損壞和變形不敏感，不會(huì)因這些變化而降低對準(zhǔn)精度。但在該對準(zhǔn)系統(tǒng)中也存在這樣一個(gè)缺陷：因?yàn)閷?zhǔn)所采用的波長和曝光采用的波長不同于一般對準(zhǔn)采用的波長較長的可見激光，這樣就會(huì)使同軸對準(zhǔn)系統(tǒng)存在著色差的影響，一個(gè)完善的對準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)具有消除這種影響的相應(yīng)方法。

五、其他一些對準(zhǔn)方法

1、明場和暗場對準(zhǔn)技術(shù)

明場和暗場對準(zhǔn)技術(shù)屬于早期廣泛使用的光度式對準(zhǔn)方法。對于明場光學(xué)對準(zhǔn)成像來說，其光學(xué)組成來自于硅片基板上對準(zhǔn)標(biāo)記的反射光和散射光；而對于暗場對準(zhǔn)成像而言，其光學(xué)系統(tǒng)僅收集來自于對準(zhǔn)標(biāo)記邊緣的散射光或衍射光，同時(shí)攔截來自于標(biāo)記平坦面的直接反射光。對于明場對準(zhǔn)技術(shù)而言，其獲得的信號強(qiáng)度比暗場對準(zhǔn)技術(shù)獲得的信號強(qiáng)度要強(qiáng)上大約10倍，但是暗場對準(zhǔn)技術(shù)獲得的對準(zhǔn)精度要比明場對準(zhǔn)技術(shù)獲得的對準(zhǔn)精度更高，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際需求來進(jìn)行選擇。

2、同軸、離軸對準(zhǔn)技術(shù)以及二者相結(jié)合的對準(zhǔn)技術(shù)

在同軸對準(zhǔn)系統(tǒng)中，一般釆用TTL衍射光柵同軸對準(zhǔn)技術(shù)。其對準(zhǔn)過程為：線偏振光束攝入光刻機(jī)投影物鏡，經(jīng)過物鏡內(nèi)小反射鏡反射，垂直照明硅片基板上的對準(zhǔn)標(biāo)記，標(biāo)記光柵發(fā)生衍射，各級衍射光沿原光路返回，零級和高級衍射光被物鏡內(nèi)的空間濾波器濾去，只有±1級衍射光束穿過投影物鏡成像于掩模面并發(fā)生干涉。實(shí)際操作中，可以通過SAVART板把±1級光切分為偏振方向相互垂直的o光和e光，然后經(jīng)過掩模黑白光柵后，o光和e光的光強(qiáng)會(huì)受到硅片和掩模之間相對位置的影響。然后經(jīng)過一種光調(diào)制器，對入射的線偏振光進(jìn)行光學(xué)調(diào)制，以50kHz的固定高頻使出射的o光和e光發(fā)生偏振方向的反轉(zhuǎn)互換。最后再利用檢偏器和電路解調(diào)，確定對準(zhǔn)點(diǎn)。

離軸對準(zhǔn)系統(tǒng)的光路不通過投影物鏡，不受投影物鏡的限制，光路設(shè)計(jì)具有較大的自由度；另一方面物鏡也不受對準(zhǔn)系統(tǒng)的限制，使物鏡的設(shè)計(jì)制作相對比較容易。但是由于對準(zhǔn)系統(tǒng)無法感知到物鏡倍率的變化、像差、畸變等，使得該技術(shù)的對準(zhǔn)精度無法達(dá)到很高，因此該技術(shù)在高精度投影光刻系統(tǒng)中使用的不多。

掩模版和硅片基板進(jìn)行直接的TTL同軸對準(zhǔn)，其光學(xué)結(jié)構(gòu)相對簡單，但是這種對準(zhǔn)方案容易受到工藝適應(yīng)性的限制，而且該方案要求對準(zhǔn)光路要穿過投影物鏡，對準(zhǔn)光源的波長要遠(yuǎn)離曝光光源的波長，這就要求投影物鏡系統(tǒng)上的所有鏡片都要鍍上一層雙峰增透膜。對于多數(shù)光刻系統(tǒng)所用投影物鏡來說，為保證其有足夠的透過率，即使只鍍一層單峰增透膜已經(jīng)相當(dāng)困難，更何況還要鍍上雙峰增透膜，難度極大。因此，對于多數(shù)光刻系統(tǒng)，不得不采用在同軸對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上結(jié)合離軸對準(zhǔn)的間接對準(zhǔn)方案。

原文標(biāo)題：光刻工藝中常見的對準(zhǔn)技術(shù)

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