【litho】光刻工艺中常见的对准技术

　　光刻对准技术由最初的明场和暗场对准发展到后来的干涉全息或外差干涉全息对准、混合匹配、由粗略到精细对准技术等。对准精度也由原来的微米级提高到纳米级，极大促进了集成电路制造业的发展。目前的高精度光刻设备主要采用的对准方式可以分为光栅衍射空间滤波和场像处理对准技术。从对准原理上及标记结构的角度分类，对准技术可以分为早期的投影光刻中的几何成像对准方式，包括双目显微镜对准、场像对准（field image alignment，FIA）等，到后来的波带片对准、干涉强度对准、激光干涉对准（laser interference alignment，LIA）以及莫尔条纹对准方法。常见的一些典型的光刻机对准方法及精度见表一。

表一：几种典型的光刻机对准方式及精度

一、几何成像对准技术

　　在半导体产业发展的最初阶段，几何成像对准在集成电路制造中几乎是唯一使用的光刻对准方式，也是目前操作最为简单、直观的对准方式，其中包括常见的双目显微镜对准、利用散射光的暗场对准、场像处理对准、双光束TTL对准、底面对准系统以及双焦点对准方式等 。

1、双光束TTL对准技术

　　双光束TTL对准技术，主要通过在掩模一侧通过精缩物镜进行测量，该技术能允许连续的倍率控制，具有稳定性好、精度高、速度快等优点。但是由于其使用的光学材料较为单一，投影物镜的镜头在对准波长较长时成像能力有限，且焦面漂移很大，因为这个原因在深紫外光刻中几乎不釆用此种对准方案。

2、场像对准技术

　　这种方法也叫视频图像处理对准技术（field image alignment，FIA），是指在光刻套刻的过程中，掩模图样与硅片基板之间基本上只存在相对旋转和平移，充分利用这一有利条件，结合机器视觉映射技术，利用相机采集掩模图样与硅片基板的对位标记信号。此种方法看上去虽然与双目显微镜对准有些类似，但是实质其实有所不同。场像处理对准技术是通过CCDS摄像对两个对位标记图像进行采集、滤波、特征提取等处理，最后通过图像处理单元（image processing

unit）进行精确定位和匹配参数计算，求得掩模图样与硅片基板之间的相对旋转和平移量，然后进行相位补偿和平移量补偿，自动完成对准的过程。其光源一般

是宽带的卤素灯，波长在550~800nm。相对于其他的对准方式其具有对准精度高、结构简单、可操作性强、效率高的优势。其对准精度误差主要来自于图像处理过程。因此，选择合适的图像处理算法显得尤为重要。

3、双焦点对准方法

　　路易斯安那州立大学M．Feldman等人设计的双焦点物镜对准系统，是针对一般情况下掩模硅片标记无法同时成像而改进的。该系统大致对准原理是，通过偏振分光镜将标记采集后的光路分成两路，如图一。适当延长从掩模返回的光路长度，最后两标记都可以在CCD摄像机上成清晰等大的像，继而利于同时对准。利用相应的标记图像处理技术，该方法可以达到约15nm对准精度(3σ，σ为标准差)。

图一：双焦点对准系统原理图

　　以上述三种对准为代表的几何光学成像对准方法的最大优点是操作简单、直观，可以直接采集对准标记实现对准；还可以直接进行二维成像及对准。缺点是精度越高，对准对光学系统设计的要求也越高，难以实现纳米级高精度对准，同时标记图像的外形容易受工艺过程影响、标记轮廓易受腐蚀改变等。

二、波带片对准方法

　　基于线性波带片对准的方法首次于1979年由B．Fay等人提出，其掩模标记是条形波带片，硅片上准标记为一条很窄的光栅或者“点阵列”，如图二。其原理是从氦氖激光器出射的光经过波带片，在波带片的焦平面上(硅片表面)汇聚成一条很窄的亮线。当硅片横向移动，标记光栅经过亮条纹中心时，光被衍射返回再次经过波带片汇聚后，被光电探测器接收，并且这时接收到的光强达到最大。光强最大表示光栅与波带片中心对准，即掩模硅片完成对准。理论灵敏度可以达到0.5nm，而相关实验得到的最好灵敏度约为50nm量级。

图二：（a）两种标记的对准状态

1、两状态对准方法（TSA）

　　为克服上述的缺点，威斯康辛大学的G.Chen等人提出的改进一种改进方法，一般叫做两状态对准系统（TSA)。基本原理是分别在两状态下，其掩模硅片标记不变，通过条形波带片将激光汇聚到硅片上的光栅标记两侧，记录每个状态下衍射返回的光强，两次返回衍射光的相对强度反映了光栅和波带片的相对位置，对准光分别在状态A和B时照在硅片标记中线的两侧。分别提取两个状态的对准信号，由信号的相对强度确定对准度。系统的对准探测灵敏度能达到3nm，对准范围能达到200至400nm。

2、双光栅波带片对准方法

　　后来G.Chen和M．Feldman还设计了另外一种对准方法。他们在硅片上采用两相邻光栅做标记，掩模上仍然采用波带片，其中两光栅的分界线作为与波带片汇聚光束的对准标记，避免了采用电光调制光变对准光路的状态。其中光栅标记有两种，一种是两个周期相差很小的相邻光栅组成标记，另一种是周期相等的相移光栅，如图三。

图三：两种光栅标记

　　其原理与前面的两状态对准系统类似，提取从硅片标记的两相邻光栅返回的两束1级衍射光信号之差作为对准信号。该方法的探测灵敏度很高，在没有工艺层或光刻胶的情况下，双光栅和相移光栅的灵敏度分别为1.8nm和0.7nm。较之前一种方法，它能够同时提取两路信号，从而获得对准信号，而且能够从返回强度判别到对准位置所需移动的方向。

　　该类方法的共同缺点是硅片需要位于波带片的焦深范围内，返回光强度必须对硅片位置和硅片掩模间隙同时保持敏感特性，确保间隙变化能引起返回光光强变化；另外，难以实时地检测对准和非对准的程度，每次找到对准位置后需要工件台移至该位置，无形中引入了工件台漂移，对准灵敏度降低。

三、干涉光强度对准方法

　　D.C. Flanders等人将衍射光干涉强度信息用于X射线光刻的对准，从而诞生了另一种对准方法——基于干涉光强度的对准方法。该类方法原理可以描述为，当光束透过掩模标记，通过硅片标记上的反射光栅衍射后，再次经过掩模上的标记光栅衍射，将形成一系列平行且对称的衍射级组、0级组、±l级组等，如图中的（0，1)、（1，0）就是级组。然后分别接收对称衍射级组的干涉光，将对称的衍射组干涉光强之差转化为对准信号。只有在掩模硅片上周期相同的两标记光栅完全对准时，两个对称级次的光强才相等。

　　这种方法的对准精度较高，能达到几十纳米精度量级，其中采用光栅的“周期/对准精度”特性分别为：25μm/约200nm、10μm/小于100nm和1.2μm/约20nm。

　　硅谷光刻（SVGL）设计了另一种基于激光干涉光 强度信息的对准方案，称为TTM通过掩模对准方 法。在这种技术中，它的硅片标记采用棋盘式二元光栅。TTM方法的最大改进之处在于采用倾斜入射、出射光路对准。当光以近似于利特罗角的斜角入射，经过掩模到达硅片标记时以与入射光近似平行的角度衍射返回。这样带来了一些好处，一方面可以避开曝光光路，在曝光同时也可以对准；另一方面可以避开散逸光的干扰，提高对准光强信号的对比度。

　　该类方法缺点是对准受掩模硅片间隙以及掩模硅片倾斜度影响，对准前必须进行平行度校正；采用单组光栅时，对准范围小，需要粗对准辅助。此外，该技术方案中光栅必须严格限制为非闪耀光栅，硅片工艺很容易影响光栅质量以及衍射光光强，从而使对准所需的光强对称性发生改变，最终导致对准信号的零点位置发生偏移。

四、莫尔（Moiré）条纹对准技术

　　随着光刻对准技术的发展，一开始只是作为评价及测试光栅质量的莫尔（Moiré）条纹技术在光刻对准中的应用也得到了更深层的开发。起初，其只能实现较低精度的人工对准，但随着细光栅衍射理论的发展，利用莫尔条纹相关特性渐渐也可以在诸如纳米压印光刻对准等高精度对准领域得到应用。

　　莫尔条纹现象，最先是被法国的工人发现的：当两层薄丝绸叠合在一起时会产生复杂的水波纹图案，如果两层丝绸相对移动的话，产生的图案也会随之发生变化。将这种水波纹图案称为莫尔条纹。从光学技术角度上来说，莫尔条纹是两条光栅或其他两个物体之间，当它们以一定的角度和频率运动时，会产生干涉条纹图案。当人眼无法看到实际物体而只能看到干涉花纹时，这种光学现象就是莫尔条纹。L. Rayleigh最早对这个现象做出了解释，两个重叠的平行光栅会生成一系列与光栅质量有关的低频条纹，他的理论指出当两个周期相等的光栅栅线以一定夹角平行放置时，就会产生莫尔条纹，而周期不相等的两个光栅栅线夹角为零

（栅线也保持平行）平行放置时，也会产生相对于光栅周期放大的条纹。

图四：莫尔条纹

　　莫尔条纹技术应用于光刻对准是由M.C. King和D.H. Berry于1972年提出来的。他们提出用周期稍有不同的圆光栅或菲涅尔波带片作为掩模和基片的对准标记。其主要思路是把掩模和硅片上的对准标记做成光栅或其它周期性的栅格结构，在激光之类单色光的垂直照射下，由于发生了衍射效应，基片上的对准标记和掩模板上的对准标记之间将产生莫尔条纹或衍射光斑，以放置在条纹或光斑平面内的光电探测器的输出信号为对照依据。当对准光栅沿着垂直于栅线的方向移动时，同时令参考光栅固定不变，莫尔条纹的运动方向便近似垂直于光栅的移动方向。图五是一个莫尔条纹对准的简单示意图。

图五：莫尔条纹对准方法示意图

　　激光束在第一个相位光栅处发生衍射，透射的各级次衍射光束经过透镜2，只有0级和±1级衍射光透过，更高级次的衍射光被透镜的有限孔径所阻挡；同时用空间滤波器遮挡掉零级衍射光，则只有±1级衍射光通过透镜1（沿透镜1的±1级衍射角方向）对称照射在硅片的对准标记上发生衍射，其中入射光束1的-1级和入射光束2的+1级衍射光方向均垂直于对准标记表面，可以得到±1级入射光在硅片对准光栅的衍射光形成的光形成干涉条纹得到正弦形式的对准标记的完整信号，对准标记随工件台移动扫描参考光栅，通过光电探测器探测得到±1级的对准信号。当参考光栅固定不变，让对准光栅沿着垂直于栅线的方向移动，莫尔条纹的运动方向近似垂直于光栅的移动方向。光栅每移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹间隔，光栅改变运动方向，莫尔条纹的运动也随之改变方向，两者之间有着对应的运动关系，可以通过测量莫尔条纹的位置来获取对准光栅的位移量和移动方向。

　　在实际光刻对准中，单位振幅的平行光通过衬底和掩模标记上频率接近的两组光栅的调制作用后，会形成按一定规律分布、包含有稳定相位信息的莫尔条纹。该条纹能够在一定程度上反映两光栅之间的相对位置关系，在一定程度上可以反映对准过程中掩模版和硅片基板的相对位置关系。当掩模版和基板上的标记光栅发生相位运动时，其产生的莫尔条纹将会随之产生运动。此种方法由于把相对位置变换的信息反映到在莫尔条纹的相位信息中，可以克服光强变化对对准性能的影响，具有很好的抗干扰能力。

　　由于莫尔条纹对准处理的对象是两组标记间的复合衍射位相而不是强度，因此对对准信号的反射强度要求不高，而信号的灵敏度和对比度都很好，这一突出优点使它很适合于多层套刻。这种对准系统的优点还在于，其对准信号是整个标记光栅的综合平均效应，因此对光栅的局部制造误差和工艺过程中对光栅结构造成的局部损坏和变形不敏感，不会因这些变化而降低对准精度。但在该对准系统中也存在这样一个缺陷：因为对准所采用的波长和曝光采用的波长不同于一般对准采用的波长较长的可见激光，这样就会使同轴对准系统存在着色差的影响，一个完善的对准系统应该同时具有消除这种影响的相应方法。

五、其他一些对准方法

1、明场和暗场对准技术

　　明场和暗场对准技术属于早期广泛使用的光度式对准方法。对于明场光学对准成像来说，其光学组成来自于硅片基板上对准标记的反射光和散射光；而对于暗场对准成像而言，其光学系统仅收集来自于对准标记边缘的散射光或衍射光，同时拦截来自于标记平坦面的直接反射光。对于明场对准技术而言，其获得的信号强度比暗场对准技术获得的信号强度要强上大约10倍，但是暗场对准技术获得的对准精度要比明场对准技术获得的对准精度更高，在实际应用中要根据实际需求来进行选择。

2、同轴、离轴对准技术以及二者相结合的对准技术

　　在同轴对准系统中，一般釆用TTL衍射光栅同轴对准技术。其对准过程为：线偏振光束摄入光刻机投影物镜，经过物镜内小反射镜反射，垂直照明硅片基板上的对准标记，标记光栅发生衍射，各级衍射光沿原光路返回，零级和高级衍射光被物镜内的空间滤波器滤去，只有±1级衍射光束穿过投影物镜成像于掩模面并发生干涉。实际操作中，可以通过SAVART板把±1级光切分为偏振方向相互垂直的o光和e光，然后经过掩模黑白光栅后，o光和e光的光强会受到硅片和掩模之间相对位置的影响。然后经过一种光调制器，对入射的线偏振光进行光学调制，以50kHz的固定高频使出射的o光和e光发生偏振方向的反转互换。最后再利用

检偏器和电路解调，确定对准点。

　　离轴对准系统的光路不通过投影物镜，不受投影物镜的限制，光路设计具有较大的自由度；另一方面物镜也不受对准系统的限制，使物镜的设计制作相对比较容易。但是由于对准系统无法感知到物镜倍率的变化、像差、畸变等，使得该技术的对准精度无法达到很高，因此该技术在高精度投影光刻系统中使用的不多。

　　掩模版和硅片基板进行直接的TTL同轴对准，其光学结构相对简单，但是这种对准方案容易受到工艺适应性的限制，而且该方案要求对准光路要穿过投影物镜，对准光源的波长要远离曝光光源的波长，这就要求投影物镜系统上的所有镜片都要镀上一层双峰增透膜。对于多数光刻系统所用投影物镜来说，为保证其有足够的透过率，即使只镀一层单峰增透膜已经相当困难，更何况还要镀上双峰增透膜，难度极大。因此，对于多数光刻系统，不得不采用在同轴对准的基础上结合离轴对准的间接对准方案。

参考资料：

[1]韦亚一，超大规模集成电路先进光刻理论与应用.科学出版社.2016

[2]周绍林，“纳米光刻对准方法及原理”，中国科学院，2008.

[3]姚汉良，胡松，邢廷文．光学投影曝光微纳加工技术.北京工业大学出版社，2006

[5]Daniel Kandel，“Overlay accuracyfundamentals”，Proc of SPIE，Vol41，2012

[4]L.Jiang ， M.Feldman ， “Accurate alignment technique for nanoimprint lithography inmetrology，inspection，and processcontrol for microlithography” Proc of SPIE．Vol 52,2005