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

表一：幾種典型的光刻機對準方式及精度

一、幾何成像對準技術

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

1、雙光束TTL對準技術

雙光束TTL對準技術，主要通過在掩模一側通過精縮物鏡進行測量，該技術能允許連續的倍率控制，具有穩定性好、精度高、速度快等優點。但是由于其使用的光學材料較為單一，投影物鏡的鏡頭在對準波長較長時成像能力有限，且焦面漂移很大，因為這個原因在深紫外光刻中幾乎不釆用此種對準方案。

2、場像對準技術

這種方法也叫視頻圖像處理對準技術（field image alignment，FIA），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和平移，充分利用這一有利條件，結合機器視覺映射技術，利用相機采集掩模圖樣與硅片基板的對位標記信號。此種方法看上去雖然與雙目顯微鏡對準有些類似，但是實質其實有所不同。場像處理對準技術是通過CCDS攝像對兩個對位標記圖像進行采集、濾波、特征提取等處理，最后通過圖像處理單元（image processing unit）進行精確定位和匹配參數計算，求得掩模圖樣與硅片基板之間的相對旋轉和平移量，然后進行相位補償和平移量補償，自動完成對準的過程。其光源一般是寬帶的鹵素燈，波長在550~800nm。相對于其他的對準方式其具有對準精度高、結構簡單、可操作性強、效率高的優勢。其對準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、雙焦點對準方法

路易斯安那州立大學M．Feldman等人設計的雙焦點物鏡對準系統，是針對一般情況下掩模硅片標記無法同時成像而改進的。該系統大致對準原理是，通過偏振分光鏡將標記采集后的光路分成兩路，如圖一。適當延長從掩模返回的光路長度，最后兩標記都可以在CCD攝像機上成清晰等大的像，繼而利于同時對準。利用相應的標記圖像處理技術，該方法可以達到約15nm對準精度(3σ，σ為標準差)。

圖一：雙焦點對準系統原理圖

以上述三種對準為代表的幾何光學成像對準方法的最大優點是操作簡單、直觀，可以直接采集對準標記實現對準；還可以直接進行二維成像及對準。缺點是精度越高，對準對光學系統設計的要求也越高，難以實現納米級高精度對準，同時標記圖像的外形容易受工藝過程影響、標記輪廓易受腐蝕改變等

二、波帶片對準方法

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

圖二：（a）兩種標記的對準狀態

圖二（b）波帶片對準過程示意圖

1、兩狀態對準方法（TSA）

為克服上述的缺點，威斯康辛大學的G.Chen等人提出的改進一種改進方法，一般叫做兩狀態對準系統（TSA)。基本原理是分別在兩狀態下，其掩模硅片標記不變，通過條形波帶片將激光匯聚到硅片上的光柵標記兩側，記錄每個狀態下衍射返回的光強，兩次返回衍射光的相對強度反映了光柵和波帶片的相對位置，對準光分別在狀態A和B時照在硅片標記中線的兩側。分別提取兩個狀態的對準信號，由信號的相對強度確定對準度。系統的對準探測靈敏度能達到3nm，對準范圍能達到200至400nm。

2、雙光柵波帶片對準方法

后來G.Chen和M．Feldman還設計了另外一種對準方法。他們在硅片上采用兩相鄰光柵做標記，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標記，避免了采用電光調制光變對準光路的狀態。其中光柵標記有兩種，一種是兩個周期相差很小的相鄰光柵組成標記，另一種是周期相等的相移光柵，如圖三。

圖三：兩種光柵標記

其原理與前面的兩狀態對準系統類似，提取從硅片標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，它能夠同時提取兩路信號，從而獲得對準信號，而且能夠從返回強度判別到對準位置所需移動的方向。

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

三、干涉光強度對準方法

D.C. Flanders等人將衍射光干涉強度信息用于X射線光刻的對準，從而誕生了另一種對準方法——基于干涉光強度的對準方法。該類方法原理可以描述為，當光束透過掩模標記，通過硅片標記上的反射光柵衍射后，再次經過掩模上的標記光柵衍射，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之差轉化為對準信號。只有在掩模硅片上周期相同的兩標記光柵完全對準時，兩個對稱級次的光強才相等。

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

硅谷光刻（SVGL）設計了另一種基于激光干涉光強度信息的對準方案，稱為TTM通過掩模對準方法。在這種技術中，它的硅片標記采用棋盤式二元光柵。TTM方法的最大改進之處在于采用傾斜入射、出射光路對準。當光以近似于利特羅角的斜角入射，經過掩模到達硅片標記時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，在曝光同時也可以對準；另一方面可以避開散逸光的干擾，提高對準光強信號的對比度。

該類方法缺點是對準受掩模硅片間隙以及掩模硅片傾斜度影響，對準前必須進行平行度校正；采用單組光柵時，對準范圍小，需要粗對準輔助。此外，該技術方案中光柵必須嚴格限制為非閃耀光柵，硅片工藝很容易影響光柵質量以及衍射光光強，從而使對準所需的光強對稱性發生改變，最終導致對準信號的零點位置發生偏移。

四、莫爾（Moiré）條紋對準技術

隨著光刻對準技術的發展，一開始只是作為評價及測試光柵質量的莫爾（Moiré）條紋技術在光刻對準中的應用也得到了更深層的開發。起初，其只能實現較低精度的人工對準，但隨著細光柵衍射理論的發展，利用莫爾條紋相關特性漸漸也可以在諸如納米壓印光刻對準等高精度對準領域得到應用。

莫爾條紋現象，最先是被法國的工人發現的：當兩層薄絲綢疊合在一起時會產生復雜的水波紋圖案，如果兩層絲綢相對移動的話，產生的圖案也會隨之發生變化。將這種水波紋圖案稱為莫爾條紋。從光學技術角度上來說，莫爾條紋是兩條光柵或其他兩個物體之間，當它們以一定的角度和頻率運動時，會產生干涉條紋圖案。當人眼無法看到實際物體而只能看到干涉花紋時，這種光學現象就是莫爾條紋。L. Rayleigh最早對這個現象做出了解釋，兩個重疊的平行光柵會生成一系列與光柵質量有關的低頻條紋，他的理論指出當兩個周期相等的光柵柵線以一定夾角平行放置時，就會產生莫爾條紋，而周期不相等的兩個光柵柵線夾角為零（柵線也保持平行）平行放置時，也會產生相對于光柵周期放大的條紋。

圖四：莫爾條紋

莫爾條紋技術應用于光刻對準是由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標記。其主要思路是把掩模和硅片上的對準標記做成光柵或其它周期性的柵格結構，在激光之類單色光的垂直照射下，由于發生了衍射效應，基片上的對準標記和掩模板上的對準標記之間將產生莫爾條紋或衍射光斑，以放置在條紋或光斑平面內的光電探測器的輸出信號為對照依據。當對準光柵沿著垂直于柵線的方向移動時，同時令參考光柵固定不變，莫爾條紋的運動方向便近似垂直于光柵的移動方向。圖五是一個莫爾條紋對準的簡單示意圖。

圖五：莫爾條紋對準方法示意圖

激光束在第一個相位光柵處發生衍射，透射的各級次衍射光束經過透鏡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標記上發生衍射，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標記表面，可以得到±1級入射光在硅片對準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標記的完整信號，對準標記隨工件臺移動掃描參考光柵，通過光電探測器探測得到±1級的對準信號。當參考光柵固定不變，讓對準光柵沿著垂直于柵線的方向移動，莫爾條紋的運動方向近似垂直于光柵的移動方向。光柵每移動一個柵距，莫爾條紋就移動一個條紋間隔，光柵改變運動方向，莫爾條紋的運動也隨之改變方向，兩者之間有著對應的運動關系，可以通過測量莫爾條紋的位置來獲取對準光柵的位移量和移動方向。

在實際光刻對準中，單位振幅的平行光通過襯底和掩模標記上頻率接近的兩組光柵的調制作用后，會形成按一定規律分布、包含有穩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系，在一定程度上可以反映對準過程中掩模版和硅片基板的相對位置關系。當掩模版和基板上的標記光柵發生相位運動時，其產生的莫爾條紋將會隨之產生運動。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，可以克服光強變化對對準性能的影響，具有很好的抗干擾能力。

由于莫爾條紋對準處理的對象是兩組標記間的復合衍射位相而不是強度，因此對對準信號的反射強度要求不高，而信號的靈敏度和對比度都很好，這一突出優點使它很適合于多層套刻。這種對準系統的優點還在于，其對準信號是整個標記光柵的綜合平均效應，因此對光柵的局部制造誤差和工藝過程中對光柵結構造成的局部損壞和變形不敏感，不會因這些變化而降低對準精度。但在該對準系統中也存在這樣一個缺陷：因為對準所采用的波長和曝光采用的波長不同于一般對準采用的波長較長的可見激光，這樣就會使同軸對準系統存在著色差的影響，一個完善的對準系統應該同時具有消除這種影響的相應方法。

五、其他一些對準方法

1、明場和暗場對準技術

明場和暗場對準技術屬于早期廣泛使用的光度式對準方法。對于明場光學對準成像來說，其光學組成來自于硅片基板上對準標記的反射光和散射光；而對于暗場對準成像而言，其光學系統僅收集來自于對準標記邊緣的散射光或衍射光，同時攔截來自于標記平坦面的直接反射光。對于明場對準技術而言，其獲得的信號強度比暗場對準技術獲得的信號強度要強上大約10倍，但是暗場對準技術獲得的對準精度要比明場對準技術獲得的對準精度更高，在實際應用中要根據實際需求來進行選擇。

2、同軸、離軸對準技術以及二者相結合的對準技術

在同軸對準系統中，一般釆用TTL衍射光柵同軸對準技術。其對準過程為：線偏振光束攝入光刻機投影物鏡，經過物鏡內小反射鏡反射，垂直照明硅片基板上的對準標記，標記光柵發生衍射，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生干涉。實際操作中，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，然后經過掩模黑白光柵后，o光和e光的光強會受到硅片和掩模之間相對位置的影響。然后經過一種光調制器，對入射的線偏振光進行光學調制，以50kHz的固定高頻使出射的o光和e光發生偏振方向的反轉互換。最后再利用檢偏器和電路解調，確定對準點。

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

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

原文標題：光刻工藝中常見的對準技術

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責任編輯：haq