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1、2000年微 细 加 工 技 术№.1第1期MicrofabricationTechnology2000文章编号:1003O8213(2000)01O0007O06图像处理在高精度对准系统中的应用杨维全,陈伟明,胡 松,刘业异(中国科学院光电技术研究所,成都610209)摘要:阐述高分辨力光刻机的图像对准系统的原理及实现过程。着重介绍图像处理技术在高精度对准系统中的应用。并讨论系统应用中的图像处理算法。关键词:图像处理;光刻机;对准系统;算法中图分类号:TN305·7;TN911173文献标识码:A
2、1 引言光刻技术是大规模集成电路制造技术和微光学、微机械技术的先导和基础。对准系统是光刻机的关键部件之一,因为对准精度直接影响光刻机的分辨力和重复套刻精度。光刻机的对准方式有多种,微电子设备的发展动态表明,图像对准方式不仅在现有的光学光刻(投影式和接近式)中被使用,而且在今后的光学光刻中仍将被广泛应用。它也是X射线光刻机最理想的对准方式。目前,国内在此领域研究甚少,因此,图像对准系统的研究,对研制植根于我国的高分辨力光刻机具有重要意义。简言之,大规模集成电路的制造过程是通过光刻机把掩模板上的图形投影
3、在硅片上。复杂的集成电路一般要通过多块掩模板进行多次曝光、套刻才能完成,因此就要求每次套刻有很高的对准精度。视频图像对准是通过对掩模板和硅片上的两个标记图像(见图1)的采集、滤波、识别、精确定位来完成的。虽然图像的分辨力可以通过光学放大的办法提高,但是过高的放大倍数势必影响图像的视场范围和输出信号的强度。本系统是通过两次光学放大到一定倍数的图像进行插值细分,噪声平滑,然后进行图像分割(二值化),边缘识别和曲线拟合来确定标记中心的方法达到精确对准的目的。由于光刻机的分辨力要求很高,这也要求在图像处理过
4、程中的定位误差要尽可能小。由此看来,图像处理算法在视频图像对准系统中就显得尤为重要。收稿日期:1999O04O13作者简介:杨维全,男,1975年生,硕士研究生,从事计算机图像处理算法研究;陈伟明,男,1955年生,副研究员,从事微电子专用设备的研制;胡松,男,1965年生,工学硕士,副研究员。352 图像对准系统的构成及实现原理图1为图像标记在掩模板和硅片上的位置情况。标记处于掩模板和硅片的边缘,在掩模上的标记为方框,硅片的标记为“十”字。图像对准的目的就是要使每次曝光的掩模和硅片上的图形中心精确
5、的重合。 图像对准系统的基本组成如图2所示。该系统由两支完全相同且相互独立的光路组成,物镜有足够大的焦深,以保证掩模和硅片在分离一定的间隙时,在CCD像面上能同时得到硅片(十字)和掩模(方框)的标记图像,经过图像采集系统送入计算机进行处理。掩模和硅片的标记图像经过两组放大图1 掩模O硅片标记位置图倍数分别为4和5的物镜放大20倍后反射进入CCD摄像头。经计算机进行图像处理后识别出十字和方框标记的目标中心,通过(1)、(2)、(3)式计算出ΔX(X方向的偏移量)、ΔY(Y方向的偏移量)、Δθ(θ的偏
6、移量)的值: 设硅片和掩模标记的左右中心坐标分别为:(XW1,YW1)、(XW2,YW2)、(XM1,YM1)、(XM2,YM2),则有:(XW1-XM1)+(XW2-XM2)ΔX=(1)2(YW1-YM1)+(YW2-YM2)ΔY=(2)2由于上片预对准能使Δθ≤2,d为硅片(或掩模)的左右两标记间的距离,则Δθ可写成:(YW1-YM1)-(YW2-YM2)Δθ=arctg(3)d根据所得的偏移量,通过控制电路驱动工件台对硅片进行相对位置调整。由上所述,系统的对准精度直接相关于光、机、电系统的分
7、辨力。本系统采用的CCD面阵的面积为4.8mm×3.6mm,由于图像光路经两透镜组分别放大4倍和5倍,因此屏幕的目视48003600240测量范围为,X方向:=240μm;Y方向:=180μm;θ方向:arctg,(d为掩模或硅片4×54×5d的左右标记间距)。本系统采用图象的象元数为768×576,经4次插值细分,则处理中图像的240每个像素点可代表:≈0.08μm,根据光刻机的分辨力与对准精度的关系,可以满足亚微768×4米级的光刻机的对准要求。36图2 图像对准系统结构简图3 数字图像处理由于
8、超净室的非洁净因素造成的掩模和硅片标记图形上的尘埃,以及在芯片工艺中采用的不同覆盖介质等给图像带来了较大的外界噪声。图像的采集过程中也不可避免的引入了来自光路扰动、系统失真等噪声,特别是在标记和背景的渐进过渡区域尤为明显。因此必须有一系列的图像处理算法才能完成对准的目的。实验证明,由于工件台等多方误差影响,对准过程不可能一次调整完成,一般都要进行多次计算和调整。因此,为了提高对准的工作效率,我们把对准的过程分成了粗略对准和精确对准两部分,即在开始对准时采用较简单的算法