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专利名称：小间隙平面间相对转动测量和旋转定位系统及方法
技术领域：
本发明属于微制造中的精密测量领域，特别涉及一种基于光栅干 涉理论的小间隙平面间相对转动测量和旋转定位系统及方法。
背景技术：
在集成电路制造中，精度、分辨率和生产能力是衡量任何一个光
刻工艺的基本指标，由于超大规模集成电路VLSI、甚大规模集成电 路ULSI等图形复杂，后续图形、器件加工的要求也各不相同，在制 作过程中要求达到非常高的拼接和套准精度。作为未来亚0. 1微米光 刻的最有力候选技术之一，压印光刻技术将传统的模具复型原理应用 到微观制造领域，是一种低成本的集成电路制造技术，但在多层压印 和分步压印中，层与层之间图形的对准问题，依旧是压印工艺过程的 瓶颈。
投影光刻中的对准技术已经非常成熟，有很多可以实现高精度对 准的系统，其对准精度可达到纳米级。但投影光刻中现有的对准方法 无法应用于接近式光刻一X射线光刻或者接触式光刻一压印光刻中。 目前常见的接近式或接触式光刻的对准技术主要分为直接对准、光强 式或光度式对准和干涉条纹对准三类。直接对准技术定位方式简单， 一般通过电荷藕合器件图像传感器CCD比对模板和晶片上标记的方 法实现对准，由于受限于光学分辨率，采用直接对准方法的测量精度 一般在亚微米级。光强式或光度式对准方法利用光栅衍射级次的强度实现对准，可以达到20nm的对准位移测量精度。该对准方法的不足 之处在于各级次衍射光对模板与晶片的间隙变动敏感，并且可能存在 光电接收器的对光强的响应并不一致问题。
在上述的对准方法中，其对准测量主要针对模板与晶片之间的平 动位移误差，两者之间的相对转动误差则是根据多组对准系统间平动 误差的相互关系获得。这种根据平动量获得转动量的方法要求对准平 动位移的测量方法对于旋转本身是不敏感的，然而无论是在利用光栅 衍射级次还是在利用组合干涉条纹的空间相位关系进行位移测量的 对准中，其精确测量都是在两者之间的转动量为零的前提下实现的， 因此保证模板与晶片之间具有较小的转动误差是实现高精度位移误 差测量的关键。实际上，即使平动误差的测量与旋转量无关，通过多 组光学系统进行角度测量也不具有经济性，因此高精度的角位移测量 和定位系统是非常重要的。

发明内容
针对接触式或接近式光刻中旋转定位对准精度误差大的问题，本 发明提出了一种两平面间相对微小旋转量的高精度测量辨向和定位 的方法。该方法能够实现微小角度的辨向，并且在零旋转角度的条件 下具有最高的灵敏度，其测量精度可以达到10—8rad。 为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案 一种小间隙平面间微小转动量的测量辨向和旋转定位系统，包括 光栅组，成像透镜组，图像传感器CCD，分光镜，光源，在旋转定位 的第一平面和第二平面上各设置两个光栅，第一平面上的第一光栅与 第二平面上的第一光栅构成第一测量光栅副；第一平面上的第二光栅 与第二平面上的第二光栅构成第二测量光栅副；光栅的栅线方向设定为当两平面间相对旋转量为o时，光栅的栅线方向保持一致，每一组
测量光栅副中的两光栅采用不同周期设置，但两组测量光栅副中光栅
的周期比相同，在1.01-1.1之间选择，通过选择小的周期比来提高
旋转角度测量的灵敏度，当第一平面上的第一光栅周期大于第二平面 上的第一光栅周期时，第一平面上的第二光栅周期则应小于第二平面 上的第二光栅周期。
一种小间隙平面间微小转动量的测量辨向和旋转定位的方法
1) 条纹倾斜角度的提取，采用快速傅立叶变换和连续频谱细化 的方式获得条纹图像垂直方向和水平方向上灰度信号的主频率估计，
通过频率比值法条纹倾斜角度的正切值来计算条纹倾斜角度大小；
2) 条纹方向的确定，当干涉条纹倾斜角度的提取仅获得条纹方向 与水平方向所夹的锐角，不能确定条纹的方向时，条纹方向采用比较 两相关方向的主频率大小的方法获得；
3) 旋转零点定位，旋转定位的零转角方向设置为光栅栅线方向， 两组干涉条纹方向一致即为旋转零点定位；
4) 旋转辨向，根据测量光栅副相对旋转方向与测量光栅副干涉 条纹的旋转方向的相关性进行两平面间的旋转辨向；
5) 两平面微小旋转量的确定，当两组干涉条纹与水平方向的夹 角不同时，两平面之间则存在相对转角，根据条纹转动量与测量光栅 副的相对转动量对应关系确定测量光栅副相对转角大小。
所述步骤l)中计算条纹倾斜角度大小该计算方法获得角度大 小的范围为
,当条纹倾斜角度的估计值在[22.5-67.5° ]范
围内时，该角度是条纹倾斜角度的精确估计；当条纹图像倾斜角度范 围在
或[67.5-90° ]之间时，重新利用上述方法计算图像两对角线方向上灰度信号的主频率值，再次通过频率比值法获得条纹 倾斜角度的精确估计，上述条纹倾斜角度均转化为条纹方向与水平方 向所夹的锐角值。 ， 所述步骤2)中获得两相关方向的主频率大小的步骤为当采用
频率比方法获得条纹与水平方向的夹角e后，分别在与水平方向夹 角为+e的方向和与水平方向夹角为-e的方向各提取一组条纹数 据，将数据进行快速傅立叶变换后比较提取条纹数据的主频率，其中 频率较小的方向为条纹的切线方向；此时，条纹方向与水平方向的夹 角范围为[-90-90° ]。
所述步骤3)中旋转零点定位的方法是，设置旋转定位的零转角
方向为光栅栅线方向，当第一测量光栅副获得的干涉条纹与第二测量. 光栅副获得的干涉条纹的方向一致时，两平面间实现了旋转零点定
位，不依靠条纹在电荷藕合器件图像传感器CCD中成像的方向。
所述步骤4)中旋转辨向的方法是，当第一测量光栅副所获得的
干涉条纹与水平方向的夹角与第二测量光栅副所获得的干涉条纹与 水平方向的夹角不同时，两平面之间则存在相对旋转量，旋转方向根 据测量光栅副中小周期光栅的旋转方向与测量光栅副干涉条纹的旋 转方向相同的特点进行辨别。
所述步骤5)中，由于干涉条纹与水平方向的夹角依靠条纹在电' 荷藕合器件图像传感器CCD中成像的方向，首先采用两干涉条纹夹角 相减的方法来消除电荷藕合器件图像传感器CCD自身的旋转角度误 差，然后根据莫尔条纹转动量与测量光栅副相对转动量之间的关系得 到测量光栅副相对转角大小。
本发明利用组合干涉条纹的空间相位关系进行位移测量是目前接触式或接近式光刻中精度最高的对准方法，其测量精度可以达到纳 米级。由于条纹的空间相位不受模板与晶片的间隙变动影响，因此这 种对准方法在具有较高精度的前提下也具有较强的工艺适应性。
本发明相对于现有技术，测量具有对微小旋转角度进行旋转方向 辨识的能力，干涉条纹对转动量的放大作用也保证了旋转角度的高精
度测量；其次，测量系统容易调试，具有较强的适应性，所有光栅栅 线方向保持一致和两组测量光栅副中光栅周期的设置方式保证旋转 零点的定位和旋转量测量不依靠条纹在电荷藕合器件图像传感器CCD
中成像的方向；再次，可实现任意条纹倾斜角度提取且精度优于 10—8md，采用二次频率比的方法获取干涉条纹的角度信息保证了，其 条纹方向的确定方法简单有效，能实现两平面间微小角度自动辨向、 测量和旋转定位。
该方法主要应用于两平面间相对旋转量的高精度测量和涉及接 近式或接触式光刻多层微结构制造中的高精度旋转定位对准。该方法 直接获取两平面间的转动误差信息，对旋转本身有很高的敏感性，而 且在零点附近对旋转的敏感性最高。另外，本发明使用单组光学系统 即可实现，经济可行。


图1为本发明测量辨向和旋转定位的透射式测量系统示意图 图2为本发明测量辨向和旋转定位的反射式测量系统示意图 图3为平面1上的光栅组示意图 图4为平面2上的光栅组示意图
图5为采用水平-垂直方向频率比方法获得条纹倾斜角度初步估计的示意图
图6为采用对角线方向频率比方法获得条纹倾斜角度精确估计 的示意图
图7条纹倾斜角度方向判定方法的示意图 图8第一测量光栅副获得干涉条纹及其方向
图9第二测量光栅副获得干涉条纹及其方向
图10两平面微小转动放大的干涉条纹倾斜角度判定示意图
附图中的符号分别表示
1.第一平面1， 2.第二平面2， 3.成像透镜组，4.图像传感器CCD， 5.光源，6.分光镜，7.第一平面1上第一光栅，8.第一平面1上的 第二光栅，9.第二平面2上的第一光栅，10.第二平面2上的第二光 栅，ll.干涉条纹图像，12.图像垂直方向，13.图像水平方向，14. 图像45°对角线方向，15.图像135°对角线方向，16.条纹与水平 方向的夹角为+9的方向，17.条纹与水平方向的夹角为-e的方向， 18.第一测量光栅副获得干涉条纹图像，19.第二测量光栅副获得干 涉条纹图像，20.第一测量光栅副干涉条纹方向与水平方向夹角，21. 第二测量光栅副干涉条纹方向与水平方向夹角，22.图像传感器CCD 自身的旋转角度误差。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述-
本发明可以采用图1所示的反射式测量系统或如图2所示的透射 式测量系统。测量系统包括需要旋转定位的平面1和平面2，以及成 像透镜组3、电荷藕合器件图像传感器CCD 4和光源5，对于反射式测量系统还包括一个分光镜6。其中光学系统中透镜组3的放大倍数 根据光栅尺寸和电荷藕合器件图像传感器CCD 4尺寸选择，并保证电 荷藕合器件图像传感器CCD 4能够采集到多于40个条纹。需要定位 的平面1和平面2上含有用于零点定位和旋转测量的光栅标记，如图 3和图4所示，平面1上的光栅7和光栅8的栅距分别为Pl、 P2，平 面2上的光栅9和光栅10的栅距分别为P3、 P4，且P1二P4， P2=P3。 在无旋转量的情况下，所有光栅的栅线方向一致。在旋转定位和旋转 量测量过程中，平面1上的光栅7与平面2上的光栅9构成第一测量 光栅副，平面1上的光栅8与平面2上的光栅10构成第二测量光栅 副。测量光栅副中两光栅的周期比在1. Ol—l. 1之间选择，并通过选 择小的周期比来提高旋转量测量的灵敏度。
本发明还提供一种小间隙平面间相对转动测量和旋转定位的方 法本发明利用光源照射测量光栅副所获得的干涉条纹进行角度测 量、辨向和零点定位，条纹可以为各级次衍射条纹，条纹通过电荷藕 合器件图像传感器CCD采集。测量系统中电荷藕合器件图像传感器 CCD尺寸、光栅周期和透镜组放大倍数的选择应保证电荷藕合器件图 像传感器CCD采集的条纹个数不少于40个，测量系统通过增加条纹 个数来增加条纹旋转量的测量精度。
本发明通过确定两组测量光栅副所获得的两组干涉条纹进行两 平面间相对转动的辨向、测量和旋转定位，具体实施过程如下
(1)条纹倾斜角度的提取。采用快速傅立叶变换和连续频谱细 化的方式获得如图5所示的干涉条纹图像11中图像垂直方向12和图 像水平方向13上灰度信号的主频率精确估计，然后通过解析两个方 向频率比一条纹倾斜角度的正切值来获得条纹倾斜角度估计值。该计算方法获得角度大小的范围为
。当条纹图像ll倾斜角度的 估计值在[22.5-67.5° ]范围内时，该角度被认为是条纹倾斜角度的 精确估计；当条纹图像11倾斜角度范围在
或[67.5-90° ] 之间时，则重新利用上述方法计算图像45。两对角线方向14和图像 135°箭头所指线15上的灰度信号的主频率值，如图6所示，并再次 通过频率比值法获得条纹倾斜角度的更精确估计。上述条纹倾斜角度 均转化为条纹方向与水平方向所夹的锐角。
(2) 条纹方向的确定。上述干涉条纹倾斜角度的提取仅获得条 纹方向与水平方向所夹的锐角，不能确定条纹的方向。条纹方向采用 比较两相关方向的主频率大小的方法获得，其实施步骤为当采用频 率比方法获得干涉条纹图像ll与水平方向的夹角e后，分别在条纹 与水平方向夹角为+9的方向16和与条纹与水平方向夹角为-e的方 向17各提取一组条纹数据，如图7所示，将数据进行快速傅立叶变 换后比较提取条纹数据的主频率，其中频率较小的方向为条纹的切线 方向；此时，条纹方向与水平方向的夹角范围为[-90-90° ]。
(3) 旋转零点定位与旋转辨向。在确定两组测量光栅副所获得 的条纹的角度大小和方向后，本发明根据光栅设置关系及测量光栅副 相对转动量与条纹转动量的对应关系，进行两平面的零点定位和相对 转动量确定。当第一测量光栅副获得的干涉条纹与第二测量光栅副获 得的干涉条纹的方向一致时，两平面间无旋转量，可以实现旋转的零 点定位；而当第一测量光栅副所获得的干涉条纹与第二测量光栅副所 获得的干涉条纹与水平方向的夹角大小不同时，两平面之间则存在相 对旋转量。本发明中旋转定位的零转角方向设置为光栅栅线方向，如 图8和图9所示，当第一测量光栅副获得的干涉条纹图像18与第二测量光栅副获得的干涉条纹图像19的方向一致时，即第一测量光栅 副所获得的干涉条纹18与水平方向的角度20等于第二测量光栅副所 获得的干涉条纹19与水平方向的角度21时，两平面间实现了旋转零 点定位。由于干涉条纹与水平方向的夹角依靠条纹在电荷藕合器件图 像传感器CCD中成像的方向，因此旋转量的确定首先采用左右两个干 涉条纹倾斜角度相减的方法来消除电荷藕合器件图像传感器CCD自 身的旋转误差，然后根据条纹转动量与的测量光栅副相对转动量对应 关系得到测量光栅副相对转动的夹角。由于测量光栅副中小周期光栅 的旋转方向与测量光栅副干涉条纹的旋转方向相同，因此两平面间的 旋转定向可根据干涉条纹的角度方向进行判定。
零点定位只要求第一测量光栅副所获得的干涉条纹图像18与水 平方向的夹角20等于第二测量光栅副所获得的千涉条纹图像19与水 平方向的夹角21，而不要求二者均为某一固定值，故零点定位不依 靠条纹在电荷藕合器件图像传感器CCD中成像的方向。
如图10所示，当第一测量光栅副所获得的干涉条纹图像18与水 平方向的夹角20与第二测量光栅副所获得的干涉条纹图像19与水平 方向的夹角21不同时，两平面之间则存在相对旋转量，根据测量光 栅副中小周期光栅的旋转方向与测量光栅副干涉条纹的旋转方向相 同的特点进行两平面间的旋转辨向。
(4)两平面微小旋转量的确定。当两平面之间则存在相对旋转时， 第一测量光栅副所获得的干涉条纹18与水平方向的夹角20与第二测 量光栅副所获得的干涉条纹19与水平方向的夹角21不同，由于干涉 条纹与水平方向的夹角依靠条纹在电荷藕合器件图像传感器CCD中 成像的方向，故首先采用第一测量光栅副所获得的干涉条纹18与水平方向的夹角20与第二测量光栅副所获得的干涉条纹19与水平方向 的夹角21相减的方法来消除电荷藕合器件图像传感器CCD自身的旋 转角度误差22，然后提取条纹倾斜角度，根据条纹转动量与的测量
光栅副相对转动量对应关系得到测量光栅副相对转动的夹角。
利用本发明中的方法实现两平面间相对微小旋转量的测量、辨向
和定位，不但实现方便经济，而且具有很高的精度；在相对零旋转角
度附近具有最高的灵敏度，其测量精度可以达到10"rad。
权利要求
1、一种小间隙平面间相对转动测量和旋转定位系统，包括光栅组，成像透镜组(3)，图像传感器CCD(4)，分光镜(6)，光源(5)，其特征在于在旋转定位的第一平面(1)和第二平面(2)上各设置两个光栅，第一平面(1)上的第一光栅(7)与第二平面(2)上的第一光栅(9)构成第一测量光栅副；第一平面(1)上的第二光栅(8)与第二平面(2)上的第二光栅(10)构成第二测量光栅副；光栅的栅线方向设定为当两平面间相对旋转量为0时，光栅的栅线方向保持一致，每一组测量光栅副中的两光栅采用不同周期设置，但两组测量光栅副中光栅的周期比相同，在1.01-1.1之间选择，通过选择小的周期比来提高旋转角度测量的灵敏度，当第一平面(1)上的第一光栅(7)周期大于第二平面(2)上的第一光栅(9)周期时，第一平面(1)上的第二光栅(8)周期则应小于第二平面(2)上的第二光栅(10)周期。
2、 一种小间隙平面间相对转动测量和旋转定位的方法，其特征 在于-1) 条纹倾斜角度的提取，采用快速傅立叶变换和连续频谱细化 的方式获得条纹图像垂直方向和水平方向上灰度信号的主频率估计， 通过频率比值法条纹倾斜角度的正切值来计算条纹倾斜角度大小；2) 条纹方向的确定，当干涉条纹倾斜角度的提取仅获得条纹方向 与水平方向所夹的锐角，不能确定条纹的方向时，条纹方向采用比较 两相关方向的主频率大小的方法获得;3) 旋转零点定位，旋转定位的零转角方向设置为光栅栅线方向，两组干涉条纹方向一致即为旋转零点定位；4) 旋转辨向，根据测量光栅副相对旋转方向与测量光栅副干涉 条纹的旋转方向的相关性进行两平面间的旋转辨向；5) 两平面微小旋转量的确定，当两组干涉条纹与水平方向的夹 角不同时，两平面之间则存在相对转角，根据条纹转动量与测量光栅 副的相对转动量对应关系确定测量光栅副相对转角大小。
3. 根据权利要求2所述的小间隙平面间相对转动测量和旋转定位 的方法，其特征在于所述步骤l)中计算条纹倾斜角度大小该计算方法获得角度大 小的范围为
，当条纹倾斜角度的估计值在[22.5-67.5° ]范围内时，该角度是条纹倾斜角度的精确估计；当条纹图像倾斜角度范 围在[O-22.5° ]或[67.5-90° ]之间时，重新利用上述方法计算图像 两对角线方向上灰度信号的主频率值，再次通过频率比值法获得条纹 倾斜角度的精确估计，上述条纹倾斜角度均转化为条纹方向与水平方 向所夹的锐角值。
4. 根据权利要求2所述的小间隙平面间相对转动测量和旋转定 位的方法，其特征在于所述步骤2)中获得两相关方向的主频率大小的步骤为当采用 频率比方法获得条纹与水平方向的夹角e后，分别在与水平方向夹角为+e的方向和与水平方向夹角为-e的方向各提取一组条纹数据，将数据进行快速傅立叶变换后比较提取条纹数据的主频率，其中频率较小的方向为条纹的切线方向；此时，条纹方向与水平方向的夹 角范围为[-90-90° ]。
5. 根据权利要求2所述的小间隙平面间相对转动测量和旋转定位的方法，其特征在于所述步骤3)中旋转零点定位的方法是，设置旋转定位的零转角 方向为光栅栅线方向，当第一测量光栅副获得的干涉条纹与第二测量 光栅副获得的干涉条纹的方向一致时，两平面间实现了旋转零点定位，不依靠条纹在电荷藕合器件图像传感器CCD中成像的方向。
6. 根据权利要求2所述的小间隙平面间相对转动测量和旋转定 位的方法，其特征在于所述步骤4)中旋转辨向的方法是，当第一测量光栅副所获得的干涉条纹与水平方向的夹角与第二测量光栅副所获得的干涉条纹与 水平方向的夹角不同时，两平面之间则存在相对旋转量，旋转方向根 据测量光栅副中小周期光栅的旋转方向与测量光栅副干涉条纹的旋 转方向相同的特点进行辨别。
7. 根据权利要求2所述的小间隙平面间相对转动测量和旋转定位的方法，其特征在于所述步骤5)中，由于干涉条纹与水平方向的夹角依靠条纹在电荷藕合器件图像传感器CCD中成像的方向，首先采用两干涉条纹夹角相减的方法来消除电荷藕合器件图像传感器CCD自身的旋转角度误差，然后根据莫尔条纹转动量与测量光栅副相对转动量之间的关系得到测量光栅副相对转角大小。
全文摘要
本发明公开了一种用于两平面间相对微小转动的高精度测量辨向和旋转定位系统与方法。两平面上设置两个光栅，构成两组测量光栅副，当两平面间相对旋转的量为零时，所有光栅的栅线方向相同。两组测量光栅副中光栅尺寸的大小关系相反，但周期比相同。测量系统采集到的条纹个数不少于40个。本发明的测量辨向和旋转定位方法，包括采用水平-垂直方向和两对角线方向上获取条纹倾斜角度的大小，获得条纹倾斜角度的方向；当两组干涉条纹的方向一致时，两平面间实现了旋转零点定位，当二者方向不同时，两平面之间则存在相对旋转量。
文档编号G01B11/26GK101419064SQ200810232559
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者丁玉成, 刘红忠, 史永胜, 磊 尹, 莉 王, 肖本好, 蒋维涛, 邵金友 申请人:西安交通大学