光刻机是集成电路制造的核心设备，它的主要任务是把电路图形转移到硅片表面光刻胶层上。随着芯片集成度不断提高，单次光刻已经无法完成所有电路层的制作，通常需要在同一块硅片上进行几十层甚至上百层的光刻工序。

一、什么是二次光刻对齐

在芯片制造中，第一次光刻一般是在硅片上形成基本结构（例如衬底、氧化层或掺杂区域）。当需要在其上方加工新的电路层时，就必须再次涂胶、曝光和刻蚀，这个过程称为二次光刻。二次光刻的难点在于：新图形必须与之前的图形精准叠加，否则电路会出现短路、开路或性能失效。

因此，光刻机在二次光刻时会利用对准系统，通过检测硅片上预先设计的对准标记（Alignment Marks），实现新一层掩模图形与底层图形的精确重合，这就是二次光刻对齐的核心。

二、对齐原理的核心思想

二次光刻对齐的原理可以概括为以下几点：

对准标记的使用

在第一层光刻时，会在硅片的特定区域刻蚀或形成金属标记。

这些标记具有清晰的几何特征，便于光学检测。

后续光刻时，光刻机通过光学显微系统识别这些标记，作为对齐的参照点。

光学检测

光刻机的对准模块通常使用干涉、衍射或相位对比原理来检测标记位置。

不同厂家有不同的技术方案，例如尼康、佳能使用光学衍射信号，ASML采用双频干涉技术。

位移测量与误差修正

当识别到标记位置后，系统会计算当前掩模与硅片图形之间的偏移量（包括X、Y方向偏移，旋转误差以及局部畸变）。

控制系统会实时修正掩模台和硅片台的位置，使两者精准对齐。

纳米级精度

在先进制程中，对齐精度必须控制在数纳米以内，例如7nm或5nm工艺中，Overlay误差要求不超过2-3nm。

这需要光学检测、干涉测量与高精度运动控制相结合。

三、对齐的实现步骤

硅片装载

将涂有光刻胶的硅片放入光刻机。

寻找对准标记

通过低倍光学系统快速定位硅片上的全局对准标记。

高精度识别

利用干涉或衍射检测方法锁定标记的中心位置。

计算偏移

比较标记位置与掩模上参考点的位置，得到偏移数据。

精密调整

控制硅片台在X、Y、θ三个自由度上移动，使图形叠加到正确位置。

曝光

在完成对齐后，开始二次光刻曝光，保证新图层与底层结构精确匹配。

四、二次光刻对齐的难点

热应力与材料膨胀

硅片在多次加工过程中会受热，导致标记位置发生微小变化。

局部畸变

由于沉积、刻蚀等工艺造成应力不均，硅片局部区域可能产生扭曲，导致对齐复杂化。

光学限制

标记可能被上层薄膜覆盖，导致识别信号减弱。

设备精度

光刻机的对准模块需要极高的测量精度和稳定性，任何震动或温度波动都会影响对齐结果。

五、典型对齐技术

对准到硅片标记（Wafer Alignment）

通过直接识别硅片上的对准标记进行精确定位。

场内对齐（Field-by-Field Alignment）

在每个曝光场内识别局部标记，补偿硅片局部畸变。

双重对齐系统

同时识别掩模与硅片标记，计算差值，实现更高精度。

先进工艺的EGA（Enhanced Global Alignment）

在整个硅片范围内采集多个标记点，建立数学模型，对硅片畸变进行全局修正。

六、二次光刻对齐的意义

保证电路连通性

没有对齐，金属互连层和晶体管接触孔可能错位，导致电路开路。

提升良率

纳米级对齐确保电路精度，减少缺陷，提高芯片成品率。

支持先进制程

7nm、5nm甚至更先进的工艺，对对齐精度要求极高，是先进光刻的核心。

推动芯片性能提升

精准的多层对齐，使得晶体管密度更高，电路速度更快，功耗更低。

七、总结

光刻机的二次光刻对齐原理，是芯片制造中保证多层图形准确叠加的关键技术。 它通过对准标记识别、光学检测、误差修正和精密控制，实现纳米级精度的图形匹配。随着工艺节点的不断缩小，对齐技术也在不断升级，从简单的光学识别发展到多点建模和全局优化。