專利名稱：小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微制造中的精密測量領域，特別涉及一種基于光柵干 涉理論的小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位系統(tǒng)及方法。
背景技術：
在集成電路制造中，精度、分辨率和生產能力是衡量任何一個光
刻工藝的基本指標，由于超大規(guī)模集成電路VLSI、甚大規(guī)模集成電 路ULSI等圖形復雜，后續(xù)圖形、器件加工的要求也各不相同，在制 作過程中要求達到非常高的拼接和套準精度。作為未來亞0. 1微米光 刻的最有力候選技術之一，壓印光刻技術將傳統(tǒng)的模具復型原理應用 到微觀制造領域，是一種低成本的集成電路制造技術，但在多層壓印 和分步壓印中，層與層之間圖形的對準問題，依舊是壓印工藝過程的 瓶頸。
投影光刻中的對準技術已經非常成熟，有很多可以實現(xiàn)高精度對 準的系統(tǒng)，其對準精度可達到納米級。但投影光刻中現(xiàn)有的對準方法 無法應用于接近式光刻一X射線光刻或者接觸式光刻一壓印光刻中。 目前常見的接近式或接觸式光刻的對準技術主要分為直接對準、光強 式或光度式對準和干涉條紋對準三類。直接對準技術定位方式簡單， 一般通過電荷藕合器件圖像傳感器CCD比對模板和晶片上標記的方 法實現(xiàn)對準，由于受限于光學分辨率，采用直接對準方法的測量精度 一般在亞微米級。光強式或光度式對準方法利用光柵衍射級次的強度實現(xiàn)對準，可以達到20nm的對準位移測量精度。該對準方法的不足 之處在于各級次衍射光對模板與晶片的間隙變動敏感，并且可能存在 光電接收器的對光強的響應并不一致問題。
在上述的對準方法中，其對準測量主要針對模板與晶片之間的平 動位移誤差，兩者之間的相對轉動誤差則是根據(jù)多組對準系統(tǒng)間平動 誤差的相互關系獲得。這種根據(jù)平動量獲得轉動量的方法要求對準平 動位移的測量方法對于旋轉本身是不敏感的，然而無論是在利用光柵 衍射級次還是在利用組合干涉條紋的空間相位關系進行位移測量的 對準中，其精確測量都是在兩者之間的轉動量為零的前提下實現(xiàn)的， 因此保證模板與晶片之間具有較小的轉動誤差是實現(xiàn)高精度位移誤 差測量的關鍵。實際上，即使平動誤差的測量與旋轉量無關，通過多 組光學系統(tǒng)進行角度測量也不具有經濟性，因此高精度的角位移測量 和定位系統(tǒng)是非常重要的。

發(fā)明內容
針對接觸式或接近式光刻中旋轉定位對準精度誤差大的問題，本 發(fā)明提出了一種兩平面間相對微小旋轉量的高精度測量辨向和定位 的方法。該方法能夠實現(xiàn)微小角度的辨向，并且在零旋轉角度的條件 下具有最高的靈敏度，其測量精度可以達到10—8rad。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術解決方案 一種小間隙平面間微小轉動量的測量辨向和旋轉定位系統(tǒng)，包括 光柵組，成像透鏡組，圖像傳感器CCD，分光鏡，光源，在旋轉定位 的第一平面和第二平面上各設置兩個光柵，第一平面上的第一光柵與 第二平面上的第一光柵構成第一測量光柵副；第一平面上的第二光柵 與第二平面上的第二光柵構成第二測量光柵副；光柵的柵線方向設定為當兩平面間相對旋轉量為o時，光柵的柵線方向保持一致，每一組
測量光柵副中的兩光柵采用不同周期設置，但兩組測量光柵副中光柵
的周期比相同，在1.01-1.1之間選擇，通過選擇小的周期比來提高
旋轉角度測量的靈敏度，當?shù)谝黄矫嫔系牡谝还鈻胖芷诖笥诘诙矫?上的第一光柵周期時，第一平面上的第二光柵周期則應小于第二平面 上的第二光柵周期。
一種小間隙平面間微小轉動量的測量辨向和旋轉定位的方法
1) 條紋傾斜角度的提取，采用快速傅立葉變換和連續(xù)頻譜細化 的方式獲得條紋圖像垂直方向和水平方向上灰度信號的主頻率估計，
通過頻率比值法條紋傾斜角度的正切值來計算條紋傾斜角度大??；
2) 條紋方向的確定，當干涉條紋傾斜角度的提取僅獲得條紋方向 與水平方向所夾的銳角，不能確定條紋的方向時，條紋方向采用比較 兩相關方向的主頻率大小的方法獲得；
3) 旋轉零點定位，旋轉定位的零轉角方向設置為光柵柵線方向， 兩組干涉條紋方向一致即為旋轉零點定位；
4) 旋轉辨向，根據(jù)測量光柵副相對旋轉方向與測量光柵副干涉 條紋的旋轉方向的相關性進行兩平面間的旋轉辨向；
5) 兩平面微小旋轉量的確定，當兩組干涉條紋與水平方向的夾 角不同時，兩平面之間則存在相對轉角，根據(jù)條紋轉動量與測量光柵 副的相對轉動量對應關系確定測量光柵副相對轉角大小。
所述步驟l)中計算條紋傾斜角度大小該計算方法獲得角度大 小的范圍為
,當條紋傾斜角度的估計值在[22.5-67.5° ]范
圍內時，該角度是條紋傾斜角度的精確估計；當條紋圖像傾斜角度范 圍在
或[67.5-90° ]之間時，重新利用上述方法計算圖像兩對角線方向上灰度信號的主頻率值，再次通過頻率比值法獲得條紋 傾斜角度的精確估計，上述條紋傾斜角度均轉化為條紋方向與水平方 向所夾的銳角值。 ， 所述步驟2)中獲得兩相關方向的主頻率大小的步驟為當采用
頻率比方法獲得條紋與水平方向的夾角e后，分別在與水平方向夾 角為+e的方向和與水平方向夾角為-e的方向各提取一組條紋數(shù) 據(jù)，將數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換后比較提取條紋數(shù)據(jù)的主頻率，其中 頻率較小的方向為條紋的切線方向；此時，條紋方向與水平方向的夾 角范圍為[-90-90° ]。
所述步驟3)中旋轉零點定位的方法是，設置旋轉定位的零轉角
方向為光柵柵線方向，當?shù)谝粶y量光柵副獲得的干涉條紋與第二測量. 光柵副獲得的干涉條紋的方向一致時，兩平面間實現(xiàn)了旋轉零點定
位，不依靠條紋在電荷藕合器件圖像傳感器CCD中成像的方向。
所述步驟4)中旋轉辨向的方法是，當?shù)谝粶y量光柵副所獲得的
干涉條紋與水平方向的夾角與第二測量光柵副所獲得的干涉條紋與 水平方向的夾角不同時，兩平面之間則存在相對旋轉量，旋轉方向根 據(jù)測量光柵副中小周期光柵的旋轉方向與測量光柵副干涉條紋的旋 轉方向相同的特點進行辨別。
所述步驟5)中，由于干涉條紋與水平方向的夾角依靠條紋在電' 荷藕合器件圖像傳感器CCD中成像的方向，首先采用兩干涉條紋夾角 相減的方法來消除電荷藕合器件圖像傳感器CCD自身的旋轉角度誤 差，然后根據(jù)莫爾條紋轉動量與測量光柵副相對轉動量之間的關系得 到測量光柵副相對轉角大小。
本發(fā)明利用組合干涉條紋的空間相位關系進行位移測量是目前接觸式或接近式光刻中精度最高的對準方法，其測量精度可以達到納 米級。由于條紋的空間相位不受模板與晶片的間隙變動影響，因此這 種對準方法在具有較高精度的前提下也具有較強的工藝適應性。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，測量具有對微小旋轉角度進行旋轉方向 辨識的能力，干涉條紋對轉動量的放大作用也保證了旋轉角度的高精
度測量；其次，測量系統(tǒng)容易調試，具有較強的適應性，所有光柵柵 線方向保持一致和兩組測量光柵副中光柵周期的設置方式保證旋轉 零點的定位和旋轉量測量不依靠條紋在電荷藕合器件圖像傳感器CCD
中成像的方向；再次，可實現(xiàn)任意條紋傾斜角度提取且精度優(yōu)于 10—8md，采用二次頻率比的方法獲取干涉條紋的角度信息保證了，其 條紋方向的確定方法簡單有效，能實現(xiàn)兩平面間微小角度自動辨向、 測量和旋轉定位。
該方法主要應用于兩平面間相對旋轉量的高精度測量和涉及接 近式或接觸式光刻多層微結構制造中的高精度旋轉定位對準。該方法 直接獲取兩平面間的轉動誤差信息，對旋轉本身有很高的敏感性，而 且在零點附近對旋轉的敏感性最高。另外，本發(fā)明使用單組光學系統(tǒng) 即可實現(xiàn)，經濟可行。


圖1為本發(fā)明測量辨向和旋轉定位的透射式測量系統(tǒng)示意圖 圖2為本發(fā)明測量辨向和旋轉定位的反射式測量系統(tǒng)示意圖 圖3為平面1上的光柵組示意圖 圖4為平面2上的光柵組示意圖
圖5為采用水平-垂直方向頻率比方法獲得條紋傾斜角度初步估計的示意圖
圖6為采用對角線方向頻率比方法獲得條紋傾斜角度精確估計 的示意圖
圖7條紋傾斜角度方向判定方法的示意圖 圖8第一測量光柵副獲得干涉條紋及其方向
圖9第二測量光柵副獲得干涉條紋及其方向
圖10兩平面微小轉動放大的干涉條紋傾斜角度判定示意圖
附圖中的符號分別表示
1.第一平面1， 2.第二平面2， 3.成像透鏡組，4.圖像傳感器CCD， 5.光源，6.分光鏡，7.第一平面1上第一光柵，8.第一平面1上的 第二光柵，9.第二平面2上的第一光柵，10.第二平面2上的第二光 柵，ll.干涉條紋圖像，12.圖像垂直方向，13.圖像水平方向，14. 圖像45°對角線方向，15.圖像135°對角線方向，16.條紋與水平 方向的夾角為+9的方向，17.條紋與水平方向的夾角為-e的方向， 18.第一測量光柵副獲得干涉條紋圖像，19.第二測量光柵副獲得干 涉條紋圖像，20.第一測量光柵副干涉條紋方向與水平方向夾角，21. 第二測量光柵副干涉條紋方向與水平方向夾角，22.圖像傳感器CCD 自身的旋轉角度誤差。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述-
本發(fā)明可以采用圖1所示的反射式測量系統(tǒng)或如圖2所示的透射 式測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)包括需要旋轉定位的平面1和平面2，以及成 像透鏡組3、電荷藕合器件圖像傳感器CCD 4和光源5，對于反射式測量系統(tǒng)還包括一個分光鏡6。其中光學系統(tǒng)中透鏡組3的放大倍數(shù) 根據(jù)光柵尺寸和電荷藕合器件圖像傳感器CCD 4尺寸選擇，并保證電 荷藕合器件圖像傳感器CCD 4能夠采集到多于40個條紋。需要定位 的平面1和平面2上含有用于零點定位和旋轉測量的光柵標記，如圖 3和圖4所示，平面1上的光柵7和光柵8的柵距分別為Pl、 P2，平 面2上的光柵9和光柵10的柵距分別為P3、 P4，且P1二P4， P2=P3。 在無旋轉量的情況下，所有光柵的柵線方向一致。在旋轉定位和旋轉 量測量過程中，平面1上的光柵7與平面2上的光柵9構成第一測量 光柵副，平面1上的光柵8與平面2上的光柵10構成第二測量光柵 副。測量光柵副中兩光柵的周期比在1. Ol—l. 1之間選擇，并通過選 擇小的周期比來提高旋轉量測量的靈敏度。
本發(fā)明還提供一種小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位的方 法本發(fā)明利用光源照射測量光柵副所獲得的干涉條紋進行角度測 量、辨向和零點定位，條紋可以為各級次衍射條紋，條紋通過電荷藕 合器件圖像傳感器CCD采集。測量系統(tǒng)中電荷藕合器件圖像傳感器 CCD尺寸、光柵周期和透鏡組放大倍數(shù)的選擇應保證電荷藕合器件圖 像傳感器CCD采集的條紋個數(shù)不少于40個，測量系統(tǒng)通過增加條紋 個數(shù)來增加條紋旋轉量的測量精度。
本發(fā)明通過確定兩組測量光柵副所獲得的兩組干涉條紋進行兩 平面間相對轉動的辨向、測量和旋轉定位，具體實施過程如下
(1)條紋傾斜角度的提取。采用快速傅立葉變換和連續(xù)頻譜細 化的方式獲得如圖5所示的干涉條紋圖像11中圖像垂直方向12和圖 像水平方向13上灰度信號的主頻率精確估計，然后通過解析兩個方 向頻率比一條紋傾斜角度的正切值來獲得條紋傾斜角度估計值。該計算方法獲得角度大小的范圍為
。當條紋圖像ll傾斜角度的 估計值在[22.5-67.5° ]范圍內時，該角度被認為是條紋傾斜角度的 精確估計；當條紋圖像11傾斜角度范圍在
或[67.5-90° ] 之間時，則重新利用上述方法計算圖像45。兩對角線方向14和圖像 135°箭頭所指線15上的灰度信號的主頻率值，如圖6所示，并再次 通過頻率比值法獲得條紋傾斜角度的更精確估計。上述條紋傾斜角度 均轉化為條紋方向與水平方向所夾的銳角。
(2) 條紋方向的確定。上述干涉條紋傾斜角度的提取僅獲得條 紋方向與水平方向所夾的銳角，不能確定條紋的方向。條紋方向采用 比較兩相關方向的主頻率大小的方法獲得，其實施步驟為當采用頻 率比方法獲得干涉條紋圖像ll與水平方向的夾角e后，分別在條紋 與水平方向夾角為+9的方向16和與條紋與水平方向夾角為-e的方 向17各提取一組條紋數(shù)據(jù)，如圖7所示，將數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變 換后比較提取條紋數(shù)據(jù)的主頻率，其中頻率較小的方向為條紋的切線 方向；此時，條紋方向與水平方向的夾角范圍為[-90-90° ]。
(3) 旋轉零點定位與旋轉辨向。在確定兩組測量光柵副所獲得 的條紋的角度大小和方向后，本發(fā)明根據(jù)光柵設置關系及測量光柵副 相對轉動量與條紋轉動量的對應關系，進行兩平面的零點定位和相對 轉動量確定。當?shù)谝粶y量光柵副獲得的干涉條紋與第二測量光柵副獲 得的干涉條紋的方向一致時，兩平面間無旋轉量，可以實現(xiàn)旋轉的零 點定位；而當?shù)谝粶y量光柵副所獲得的干涉條紋與第二測量光柵副所 獲得的干涉條紋與水平方向的夾角大小不同時，兩平面之間則存在相 對旋轉量。本發(fā)明中旋轉定位的零轉角方向設置為光柵柵線方向，如 圖8和圖9所示，當?shù)谝粶y量光柵副獲得的干涉條紋圖像18與第二測量光柵副獲得的干涉條紋圖像19的方向一致時，即第一測量光柵 副所獲得的干涉條紋18與水平方向的角度20等于第二測量光柵副所 獲得的干涉條紋19與水平方向的角度21時，兩平面間實現(xiàn)了旋轉零 點定位。由于干涉條紋與水平方向的夾角依靠條紋在電荷藕合器件圖 像傳感器CCD中成像的方向，因此旋轉量的確定首先采用左右兩個干 涉條紋傾斜角度相減的方法來消除電荷藕合器件圖像傳感器CCD自 身的旋轉誤差，然后根據(jù)條紋轉動量與的測量光柵副相對轉動量對應 關系得到測量光柵副相對轉動的夾角。由于測量光柵副中小周期光柵 的旋轉方向與測量光柵副干涉條紋的旋轉方向相同，因此兩平面間的 旋轉定向可根據(jù)干涉條紋的角度方向進行判定。
零點定位只要求第一測量光柵副所獲得的干涉條紋圖像18與水 平方向的夾角20等于第二測量光柵副所獲得的千涉條紋圖像19與水 平方向的夾角21，而不要求二者均為某一固定值，故零點定位不依 靠條紋在電荷藕合器件圖像傳感器CCD中成像的方向。
如圖10所示，當?shù)谝粶y量光柵副所獲得的干涉條紋圖像18與水 平方向的夾角20與第二測量光柵副所獲得的干涉條紋圖像19與水平 方向的夾角21不同時，兩平面之間則存在相對旋轉量，根據(jù)測量光 柵副中小周期光柵的旋轉方向與測量光柵副干涉條紋的旋轉方向相 同的特點進行兩平面間的旋轉辨向。
(4)兩平面微小旋轉量的確定。當兩平面之間則存在相對旋轉時， 第一測量光柵副所獲得的干涉條紋18與水平方向的夾角20與第二測 量光柵副所獲得的干涉條紋19與水平方向的夾角21不同，由于干涉 條紋與水平方向的夾角依靠條紋在電荷藕合器件圖像傳感器CCD中 成像的方向，故首先采用第一測量光柵副所獲得的干涉條紋18與水平方向的夾角20與第二測量光柵副所獲得的干涉條紋19與水平方向 的夾角21相減的方法來消除電荷藕合器件圖像傳感器CCD自身的旋 轉角度誤差22，然后提取條紋傾斜角度，根據(jù)條紋轉動量與的測量
光柵副相對轉動量對應關系得到測量光柵副相對轉動的夾角。
利用本發(fā)明中的方法實現(xiàn)兩平面間相對微小旋轉量的測量、辨向
和定位，不但實現(xiàn)方便經濟，而且具有很高的精度；在相對零旋轉角
度附近具有最高的靈敏度，其測量精度可以達到10"rad。
權利要求
1、一種小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位系統(tǒng)，包括光柵組，成像透鏡組(3)，圖像傳感器CCD(4)，分光鏡(6)，光源(5)，其特征在于在旋轉定位的第一平面(1)和第二平面(2)上各設置兩個光柵，第一平面(1)上的第一光柵(7)與第二平面(2)上的第一光柵(9)構成第一測量光柵副；第一平面(1)上的第二光柵(8)與第二平面(2)上的第二光柵(10)構成第二測量光柵副；光柵的柵線方向設定為當兩平面間相對旋轉量為0時，光柵的柵線方向保持一致，每一組測量光柵副中的兩光柵采用不同周期設置，但兩組測量光柵副中光柵的周期比相同，在1.01-1.1之間選擇，通過選擇小的周期比來提高旋轉角度測量的靈敏度，當?shù)谝黄矫?1)上的第一光柵(7)周期大于第二平面(2)上的第一光柵(9)周期時，第一平面(1)上的第二光柵(8)周期則應小于第二平面(2)上的第二光柵(10)周期。
2、 一種小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位的方法，其特征 在于-1) 條紋傾斜角度的提取，采用快速傅立葉變換和連續(xù)頻譜細化 的方式獲得條紋圖像垂直方向和水平方向上灰度信號的主頻率估計， 通過頻率比值法條紋傾斜角度的正切值來計算條紋傾斜角度大??；2) 條紋方向的確定，當干涉條紋傾斜角度的提取僅獲得條紋方向 與水平方向所夾的銳角，不能確定條紋的方向時，條紋方向采用比較 兩相關方向的主頻率大小的方法獲得;3) 旋轉零點定位，旋轉定位的零轉角方向設置為光柵柵線方向，兩組干涉條紋方向一致即為旋轉零點定位；4) 旋轉辨向，根據(jù)測量光柵副相對旋轉方向與測量光柵副干涉 條紋的旋轉方向的相關性進行兩平面間的旋轉辨向；5) 兩平面微小旋轉量的確定，當兩組干涉條紋與水平方向的夾 角不同時，兩平面之間則存在相對轉角，根據(jù)條紋轉動量與測量光柵 副的相對轉動量對應關系確定測量光柵副相對轉角大小。
3. 根據(jù)權利要求2所述的小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位 的方法，其特征在于所述步驟l)中計算條紋傾斜角度大小該計算方法獲得角度大 小的范圍為
，當條紋傾斜角度的估計值在[22.5-67.5° ]范圍內時，該角度是條紋傾斜角度的精確估計；當條紋圖像傾斜角度范 圍在[O-22.5° ]或[67.5-90° ]之間時，重新利用上述方法計算圖像 兩對角線方向上灰度信號的主頻率值，再次通過頻率比值法獲得條紋 傾斜角度的精確估計，上述條紋傾斜角度均轉化為條紋方向與水平方 向所夾的銳角值。
4. 根據(jù)權利要求2所述的小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定 位的方法，其特征在于所述步驟2)中獲得兩相關方向的主頻率大小的步驟為當采用 頻率比方法獲得條紋與水平方向的夾角e后，分別在與水平方向夾角為+e的方向和與水平方向夾角為-e的方向各提取一組條紋數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換后比較提取條紋數(shù)據(jù)的主頻率，其中頻率較小的方向為條紋的切線方向；此時，條紋方向與水平方向的夾 角范圍為[-90-90° ]。
5. 根據(jù)權利要求2所述的小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位的方法，其特征在于所述步驟3)中旋轉零點定位的方法是，設置旋轉定位的零轉角 方向為光柵柵線方向，當?shù)谝粶y量光柵副獲得的干涉條紋與第二測量 光柵副獲得的干涉條紋的方向一致時，兩平面間實現(xiàn)了旋轉零點定位，不依靠條紋在電荷藕合器件圖像傳感器CCD中成像的方向。
6. 根據(jù)權利要求2所述的小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定 位的方法，其特征在于所述步驟4)中旋轉辨向的方法是，當?shù)谝粶y量光柵副所獲得的干涉條紋與水平方向的夾角與第二測量光柵副所獲得的干涉條紋與 水平方向的夾角不同時，兩平面之間則存在相對旋轉量，旋轉方向根 據(jù)測量光柵副中小周期光柵的旋轉方向與測量光柵副干涉條紋的旋 轉方向相同的特點進行辨別。
7. 根據(jù)權利要求2所述的小間隙平面間相對轉動測量和旋轉定位的方法，其特征在于所述步驟5)中，由于干涉條紋與水平方向的夾角依靠條紋在電荷藕合器件圖像傳感器CCD中成像的方向，首先采用兩干涉條紋夾角相減的方法來消除電荷藕合器件圖像傳感器CCD自身的旋轉角度誤差，然后根據(jù)莫爾條紋轉動量與測量光柵副相對轉動量之間的關系得到測量光柵副相對轉角大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于兩平面間相對微小轉動的高精度測量辨向和旋轉定位系統(tǒng)與方法。兩平面上設置兩個光柵，構成兩組測量光柵副，當兩平面間相對旋轉的量為零時，所有光柵的柵線方向相同。兩組測量光柵副中光柵尺寸的大小關系相反，但周期比相同。測量系統(tǒng)采集到的條紋個數(shù)不少于40個。本發(fā)明的測量辨向和旋轉定位方法，包括采用水平-垂直方向和兩對角線方向上獲取條紋傾斜角度的大小，獲得條紋傾斜角度的方向；當兩組干涉條紋的方向一致時，兩平面間實現(xiàn)了旋轉零點定位，當二者方向不同時，兩平面之間則存在相對旋轉量。
文檔編號G01B11/26GK101419064SQ200810232559
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月2日 優(yōu)先權日2008年12月2日
發(fā)明者丁玉成, 劉紅忠, 史永勝, 磊 尹, 莉 王, 肖本好, 蔣維濤, 邵金友 申請人:西安交通大學