基于视频共焦显微镜光刻对准系统设计研究

摘要：针对目前研究的激光投影光刻机的对准需要,设计了一套基于视频图像对准原理的激光投影光刻对准系统。详细分析了共焦显微镜和CCD相关双采样图像处理关键技术在本系统中的应用,结果表明CCD图像的质量明显提高,从而提高了视频图像对准系统的精度，完全满足系统分辨精度2.5μm的要求。

关键词：视频图像；对准系统；共焦显微镜；相关双采样

中图分类号：TN305.7文献标识码： A

激光投影光刻机早期主要被用于集成电路芯片的生产，但是最近几年，随着印制电路板（PCB）向大面积、高密度的方向发展，激光投影光刻机开始被用于PCB的生产。用于PCB曝光的传统光刻机如接触接近光刻机、步进重复光刻机、激光直接成像光刻机等存在着这样或那样的缺陷，而激光投影光刻机基于其优越的性能——高分辨力、大面积成像、高产量、高效率等，因而在PCB制造行业中受到产业界极大的关注。本文就大面积成像、高产量、普通抗蚀剂曝光的激光投影光刻机的对准系统进行设计研究。

高分辨力和高衬度一致是显微镜和图像处理设计者们所致力追求的。然而,普通光学显微镜受衍射极限制约,要想提高分辨力,必须使用大数值孔径的物镜,但是使用大数值孔径观察物体时,使得对比度明显下降。而基于共焦原理的激光共焦显微镜具有高的横向分辨力又有高的轴向分辨力,同时能有效抑制杂散光,具有高对比度,容易实现高倍率。CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散的模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD输出噪声主要有光子散弹噪声、暗电流散粒噪声、输出放大器产生的KTC噪声，另外还存在低频噪声和宽带白噪声。CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD动态范围内尽可能消除这些噪声和干扰。信号处理电路5～6主要是消除输出信号中的KTC噪声、低频噪声(1／f，1／f2 噪声)和宽带白噪声，使CCD图像的质量明显提高,从而提高了视频图像对准系统的精度。

1系统结构和原理

1.1 系统结构

图1对准系统由CCD和共焦显微镜两条完全相同但相互独立的光路组成，在每条光路中，由成像系统将工作台左右两边的标记图像经图像采集卡送入计算机，并由计算机存储起来，放上掩模和样片，通过调整成像系统，摄取掩模和样片对准标记并在计算机中完成标记图像的识别、处理及计算，利用精密对准工作台使掩模和样片作x、y、z三维运动，进而实现掩模及样片对准。

1.2 对准原理

视频图像对准系统对准原理如图3所示。首先采集对准标记，然后采用一定的图像处理算法对采集到的对准标记进行精确的定位运算，图l中的坐标代表工作台标记和样片标记和掩模标记及中心的坐标。计算出标记坐标后就可以按以下公式计算出标记位置偏差及标记中心连线的夹角：

2对准系统主要功能模块的关键技术

2.1 共焦显微镜

共焦激光扫描显微镜是采用共轭焦点技术, 使点源、标记及点探测器（CCD）处于彼此对应的共轭位置。为了便于像差的校正以及便于系统升级,常采用准直光路。如图1所示, 由激光器输出的激光束经透镜L1、针孔1及扩束镜 L2后, 成为较均匀的准直光束, 经物镜L3后会聚于物体某一点, 该点反射光又经物镜后被分束镜反射到探测光路, 由会聚透镜将其聚焦于针孔2, 被CCD接收。X、Y扫描系统沿着X方向与Y方向一点 一点地在标记上生成像点, 像点的生成是由光栅式的扫描进行的,计算机把收集起来这许多像点在X-Y焦面上综合成标记的平面像。

2.1.1 关键技术1～3，7

激光共焦扫描显微镜采用点源-点探测, 探测针孔的大小起着关键作用, 它直接影响系统的分辨力和信噪比。如针孔过大, 则起不到共焦点探测作用, 既降低系统的分辨力, 又会引入更多杂散光; 如果针孔太小, 则降低探测效率。研究表明, 当小孔直径等于爱里斑(Airy disk)的直径时, 探测效率可达85% 以上, 且满足共焦要求。由于针孔直径等于爱里斑直径, 为微米量级, 如果激光束的会聚焦点与针孔位置存在偏差, 将会产生信号失真, 且容易引入轴外像差, 影响成像质量。激光共焦显微镜一般采用自动对焦系统, 当焦面保持不变时, 自动对焦系统能以需要的复现性测出结构的实际宽度, 以0.1μm 精度对标记反射表面聚焦, 调节时间小于1s。

2.2 相关双采样

如图3所示虚线的左半部分为电荷读出电路，就是将CCD转移过来的电荷转换成电压的变化。相关双采样基本原理是利用复位管的输出级的等效电容C0上噪声电压涨落缓慢这一特点，在输出参考电平和信号电平之时,同一像素周期内进行两次采样。若将两次采样值相减，复位噪声就从输入信号中抑制了，两次采样之差就是视频信号的真实成分。

也就是说，两次采样(t2～t4)点的噪声是相关的，因而，被消除，所以，输出就为没有噪声的电压信号。

相关双采样技术的关键在于取样保持，要求2个取样保持的脉冲和CCD数据时钟之间要有严格的相位关系，而且，要求取样保持器要有严格的对称性。

3结论

为基于激光投影光刻机开发了对准系统，构造了基于视频图像对准系统硬件结构。设计了图像采集、处理的软硬件。为满足高分辨力和高衬度，设计了共焦显微镜与 CCD及视频信号处理芯片（VSP2212）组合的光电系统，完全能满足2.5μm的对准精度。

参考文献

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作者简介

王鲁宾，硕士, 从事激光投影光刻研究。

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