光刻机视像自动对准系统的开发

王 勇^1,2，封国齐³，陈旭东¹，曹永辉³

（1. 杭州诺荣测控技术有限公司，浙江 杭州 310018；

2. 杭州电子科技大学数字媒体技术系，浙江 杭州 310018；
3. 杭州士兰集成电路有限公司，浙江 杭州 310018）

摘  要：设计视像自动对准系统采用工业相机从MICRALIGN M系列投影式光刻机的双目显微镜提取含有掩模对准标记和晶圆对准标记图像，经过图像处理后获取对准标记的位置坐标以及掩模标记与晶圆标记间坐标差，控制晶圆或者掩模调整平台位置，实现光刻机的视像自动对准功能。经过现场批量生产验证，视像自动对准系统的对准精度优于1 μm。标记识别率与掩模和晶圆的图像有关，对于某类产品标记识别率达到99%以上，一般类别产品标记识别率可以达到97%以上，可以满足现场自动化生产要求。

关键词：光刻机；视像；自动对准；机器视觉

中图分类号：O439  文献标识码：A

Development of Visual Automatic Alignment System for Lithography Machine

WANG Yong^1,2，FENG Guoqi³，CHEN Xudong²，CAO Yonghui³

（1. Hangzhou Nuorong Measurement and Control Co.，Ltd，Hangzhou 310018, China；

2. Department of digital media technology Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China；
3. Hangzhou Silan Integrated Circuit Co.，Ltd，Hangzhou 310018，China）

Abstract：The video automatic alignment system developed in this paper firstly obtains images which contain mask alignment remarks and wafer alignment remarks using industrial camera from MICRALIGN M series projection lithography binocular microscope. Secondly the alignment remarks position coordinates are searched by image processing. And then the coordinate differences between mask remarks and wafer remarks are calculated. The differences are used to drive the precise adjustment system of wafer or mask stage to realize automatic video lithography alignment function. After in-situ mass production verification, the alignment accuracy of the video automatic alignment system is below 1 μm. The remarks identification rate is related to the image of the mask and wafer, for a certain type of product remarks identification rate reaches more than 99%, the general category of product remarks identification rate can reach more than 97%, can meet the requirements of in-situ automation production.

Key words：Lithography；Video；Automatic alignment；Machine vision

光刻机是 IC芯片制造产业的关键设备，掩模-晶圆对准技术是光刻机的三大核心技术之一^[1]。美国Perkin-Elmer公司设计研发了世界首台投影式光刻机，2001年荷兰的ASML公司收购该公司。国内芯片制造企业仍在使用Perkin-Elmer公司生产的MICRALIGN M系列投影式光刻机，因其操作方便，性能稳定，除对准是人工进行之外，其他操作都是自动完成的。为该型号光刻机开发视像自动对准系统成为芯片制造企业的迫切需求。视像对准技术与其他对准技术相比，其具有对准精度高、过程直观、结构简单和效率高等优点^[2]。

1 视像自动对准技术

光刻工艺过程中^[3,4]，自动传输装置将晶圆送入光刻机中，掩模与晶圆预对准后，对准标记出现在同一视野。图1(a)所示为掩模-晶圆未对准前的图像，操作者通过显微镜观察标记位置，拨动调节旋钮从x、y₁、y₂三个方向调节掩模或者晶圆（按键切换）的位置，使掩模-晶圆的对准标记对准。图1(b)所示为掩模-晶圆对准后的图像，掩模上的黑色十字标记位于晶圆空心十字标记中心。调节过程分为粗调和精调两个过程，粗调和精调的区别在于拨动调节旋钮的幅度对应的掩模或者晶圆的移动速度不同，精调时移动更慢。视像自动对准系统通过工业相机从光刻机的显微镜相机接口获取含有掩模和晶圆对准标记的图像，通过计算机图像处理算法分别获取掩模和晶圆的对准标记中心坐标，计算出掩模和晶圆对准标记中心坐标差，精确控制光刻机掩模台的移动，经过反复图像分析和调节完成掩模和晶圆自动对准。通过视像自动对准系统进行晶圆的全自动光刻程序控制流程如图2所示，可以分为晶圆自动载入、视像自动对准、曝光和晶圆自动移出。视像自动对准过程主要包括晶圆和掩模对准标记的搜索，并使晶圆对准标记与掩模对准标记对准。

图1 对准前后图像对比

1.1 晶圆和掩模对准标记的搜索

如图1所示，图像分为左右视野，左视野图像偏亮，右视野图像偏暗。左视野黑色实心十字为掩模对准标记，掩模对准标记下方空心十字为晶圆对准标记。采用基于灰度值金字塔算法的模式匹配搜索特征标记^[5]，在光照变化、旋转和部分遮挡条件下均能够找到特征标记，但匹配度会变差。

本系统中掩模或晶圆只有x、y₁、y₂三个方向移动，不会出现旋转，但是存在当光照变化和遮挡严重时图像搜索失败情况，系统针对这两种情况进行了优化设计。系统增加了对图像光照条件判断，当采集图像总体灰度值过低或过高时，自动调节相机的曝光时间来调节图像的亮度。遮挡严重会影响晶圆对准标记-空心十字的搜集。因此系统首次搜索空心十字如果失败，则会驱动掩模台移动，将掩模和晶圆拉开一定距离，消除遮挡的影响。因为掩模对准标记，即黑色实心十字搜索相对容易，在搜索对准过程中，系统会保持晶圆台不动，仅调节掩模台。

1.2 晶圆和掩模对准控制

晶圆和掩模对准是在晶圆台不动，只调节掩模台实现的。掩模台移动有3个控制拨杆，分别控制掩模台在x、y₁和y₂方向移动。分析原机台控制系统，3个方向的控制通过3个拨动杆控制，拨动杆输出5~7 V的电压信号，当信号在5~6 V之间则控制掩模台向负方向移动，当信号在6~7 V之间则掩模台向正方向移动。移动速度与控制信号的电压值成比例。以x通道为例，控制策略为设定4个控制电压信号U，分别为正方向移动信号，和负方向移动信号，定义为掩模快速、慢速移动控制电压信号。在每个控制电压信号下测试位移与时间之间的函数关系，

图2 基于视像自动对准的全自动光刻控制流程图

记为控制函数  ，式中为x通道的位移和时间，通过多项式拟合获取控制函数的参数后记录在系统中。在自动对准过程中，根据需对准标记之间的坐标差，选择合适的移动控制电压信号后根据控制函数计算运动时间。系统会自动输出控制电压信号，控制掩模台移动合适位移，完成标记对准。通道y₁、y₂的控制方法类似于通道x。

因为系统控制信号为模拟电压信号，不能实现数字信号的控制精度，所以通常不能一次实现对准，以上的对准过程通常需要循环多次。在一次对准完成后，再获取图像，计算对准标记坐标差，在阈值范围内，则对准过程结束。

对准过程分为粗调和精调两个阶段。机台本身设有粗调和精调两种模式，在精调模式下同样的控制信号控制掩模运行的速度会更慢，能获取更精确的控制精度。

当对准过程结束后，对准标记坐标差可以控制在±2个像素范围内，系统会自动启动机台曝光功能完成曝光，系统自动记录对准结果和对准后图像，便于后期追溯。机台自动移出已经曝光晶圆，自动载入下一片晶圆，进行新一次的视像自动对准和曝光。

 

2 系统实现及数据分析

2.1 系统组成

视像自动对准系统框图如图3所示，工业相机采用600万像素黑白工业相机MV-CA060-10GM，像元尺寸为2.4 μm×2.4 μm，GIGE千兆网接口。镜头为0.5×定制物面远心镜头。

图3 视像自动对准系统框图

工业相机通过千兆网线与工业平板电脑相连，电脑配置为300 mm（12英寸）电阻式触摸屏，Intel i5 CPU、4G DDR内存、128G SD固态硬盘，配置双千兆网口、多个RS232串口和USB口。工业平板电脑通过RS232串口与台达PLC通讯，PLC配置DA模块输出控制电压模拟型号模拟原机台的拨动杆。

图4 视像自动对准系统实物

图4为视像自动对准系统实物，工业相机和镜头固定在显微镜相机接口，在工作过程中不能松动，否则会影响对准效果。晶圆从待曝光晶圆片盒逐片自动载入到光刻机内，系统自动识别到晶圆后，进行视像自动对准曝光，完成曝光的晶圆自动移出放置到已曝光晶圆片盒内。

2.2 数据分析

在生产过程中，任取一个片盒含25片晶圆，其中1~10片晶圆采用人工对准，11~25片晶圆采用视像自动对准。在曝光后晶圆上选择两处，批号处和定位面处分别测试x机偏量和y机偏量，分别计算批号处和定位面处的x，y机偏量误差平均值、中值和最大值，记录在表1中。从表1中可见，视像自动对准的精度基本上与人工对准精度相当，平均误差为0.5 μm左右，最大误差为1.2 μm。视像自动对准x机偏量偏差要明显小于y机偏量偏差，而人工对准则不存在此现象，x机偏量偏差和y机偏量偏差基本一致。今后的重点是改进y方向的自动对准精度，达到x方向自动对准精度水平，则视像自动对准的精度会优于人工对准精度，平均误差会减小0.1 μm，最大误差会减小0.3 μm，对准精度提高20%以上。

表1 视像自动对准精度与人工对准精度比较

对准方式		批号处		定位面处
		x机偏量/μm	y机偏量/μm	x机偏量/μm	y机偏量/μm
人工对准	平均	0.6	0.5	0.5	0.6
	中值	0.5	0.5	0.5	0.5
	最大	1.2	1.0	1.2	1.3
视像自动对准	平均	0.5	0.7	0.4	0.7
	中值	0.5	0.6	0.4	0.6
	最大	0.9	1.0	0.6	1.2

视像自动对准系统在生产过程中，要能够处理很多种类型的掩模和产品，目前已经能够处理上百种产品。虽然经过不断的优化和改进，仍然不能完全避免不能识别的情况，当系统不能正常识别对准标记时，系统将发出报警，提醒员工进行人工处理，并记录无法识别的图像，便于后期进行改进。这种现象记录为自动对准失败，将成功自动对准晶圆片数占总加工片数比例称为对准成功率。同时，在某些情况下视像自动对准系统也会出现未对准但是系统误判为对准而曝光的情况，这种情况记录为对准异常，将异常曝光片数占总加工片数比例称为片异常率。经过统计，长期工作眼睛存在疲劳，人工对准中片异常率为0.07%左右，视像自动对准系统的片异常率已经能够稳定控制在0.05%以下，明显优于人工对准。表2为生产过程中统计数据，第一行产品对准成功率略低于第二行产品，未出现异常曝光。第二行产品对准成功率超过99%，片异常率为0.05%，低于人工对准的片异常率。需要说明的是，为了控制片异常率，需要加强视像自动对准的判别，让视像自动对准系统能够发现未正常对准的晶圆，必然会降低对准成功率。

表2 视像自动对准与人工对准异常率比较

对准方式	总片数	报警片数	未对准片数	对准成功率/%	片异常率/%
视像自动对准	2208	45	0	97.96	0.00
视像自动对准	13360	118	7	99.12	0.05
人工对准	94500	/	63	/	0.07

• 结束语

本文对光刻机视像自动对准系统提出基于工业相机的技术方案，用于Perkin-Elmer公司MICRALIGN M系列投影式光刻机视像自动对准系统改造。通过高分辨率工业相机从原机台的显微镜相机接口获取图像，运用先进的图像识别算法识别晶圆和掩模上对准标记，通过计算对准标记坐标差，通过自动控制系统模拟x、y₁、y₂三通道的调节，实现晶圆曝光前的视像自动对准。通过批量生产验证，该系统的自动对准精度优于1 μm，与人工对准相比，对准精度更高。系统的对准成功率与掩模和晶圆的图像相关，在某种产品生产中对准成功率达到97.96%，片异常率为0.00%，在另一种产品生产中对准成功率达到99.12%，片异常率为0.05%，均优于人工对准的水平。

参考文献：

[1] 梁友生, 曹益平, 邢廷文. 光刻对准技术研究进展[J]. 电子工业专用设备，2004，33(10)：30-34.

[2] 唐九耀, 曹向群, 陈钰清. 光刻机的分辨率和对准特性研究[J]. 光电子·激光，2001，12(11)：1202-1203.

[3] 肖敏. 基于机器视觉的晶圆定位系统研究[D]. 上海：上海交通大学，2013.

[4] 李久芳, 尚志伟. 图像处理在双面光刻机中的应用[J]. 电子工业专用设备，2006，35(12)：57-60.

[5] 任楷飞, 孟令军, 顾泽凌. 基于灰度值金字塔算法的零件识别系统设计[J]. 中国测试，2018，44(7)：91-95.

作者简介：

王勇（1976－），男，安徽肥东，高级工程师，博士，主要从事自动化检测、图像技术和颜色科学研究。