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基于线阵CCD的光刻机调焦调平系统的研究

导读: 光刻技术是大规模集成电路制造的基础,已经成为推动集成电路发展的核心驱动力。光学光刻具有生产率高、套刻精度高、掩模制作简单、工艺容易掌握等特点,是集成电路制造产业中的主流光刻技术。在光刻机的曝光过程中,硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物镜焦平面位置的不准确性、不重复性等因素会造成硅片相对于物镜焦平面的

尹作海,刘世元,史铁林
(华中科技大学机械科学与工程学院,武汉国家光电试验室,武汉430074)


1 引言

光刻技术是大规模集成电路制造的基础,已经成为推动集成电路发展的核心驱动力。光学光刻具有生产率高、套刻精度高、掩模制作简单、工艺容易掌握等特点,是集成电路制造产业中的主流光刻技术。在光刻机的曝光过程中,硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物镜焦平面位置的不准确性、不重复性等因素会造成硅片相对于物镜焦平面的离焦或倾斜。如果硅片的离焦或倾斜使曝光视场内某些区域处于有效焦深之外,将严重影响集成电路的质量和成品率。因此,必须采用调焦调平传感器测量出硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量,通过调焦机构实现硅片的调焦调平。

2 系统原理

光学光刻分辨率的提高带来焦深的急剧减少,从而要求严格控制曝光图形的表面高度与倾斜度,减少调焦调平误差,适应十分有限的焦深,调焦调平技术由此应运而生。国外的光刻机采用的调焦调平技术是多种多样的,有位置敏感传感器调焦调平技术、激光干涉仪调焦调平技术、多点高度测量传感技术和单光路多点检测技术等。本文研究的基于线阵CCD的调焦调平系统原理如图1所示。调焦调平传感器分为照明系统与成像系统,硅片处于焦深(DOF)内。照明系统发出的光束照射在硅片上,成像在硅片表面,用于对硅片的照明。从硅片表面反射的光束成像在成像系统上,调焦传感器测量计算得到硅片表面高度和倾斜信息,然后根据调焦传感器测量计算结果,驱动位于工件台下表面的
执行器, 保证硅片表面与投影物镜最佳焦面(POBF)重合。

调焦调平装置中的光学部分的基本结构如图2所示,主要由光源单元、照明单元、投影单元、成像单元以及线阵CCD组成。光源单元发出的光束经过准直透镜成为平行光束,经过光纤传导进入照明单元,然后通过投影光阑,即为不透明的屏上开着方孔,照明光斑变为标准的方形光斑。方形光斑被投影单元放大后,成像在硅片表面上,用于对硅片的照明。从硅片表面反射的光束经成像单元成像在线阵CCD上,这样硅片的Z向位移反映在线阵CCD上就为光斑的平移,因此可以通过光斑在线阵CCD靶面上的坐标位置计算得到硅片的位置高度。

为了消除工艺膜层对光的干涉作用,提高反射光强和信噪比,光学系统中入射光以较大的入射角(70°<θ<88°)在硅片表面成像,经过分析,入射
角初步选定为80°。为了进一步地提高测量精度,狭缝在硅片面上的成像区域应尽量覆盖较大的区域,以使测量更具典型性和代表性。

3 算法思想

由于有效焦深较深,调焦调平测量精度和重复性要求不是很高。因此,调焦调平过程没有必要采用基于多点测量的逐场调焦调平方式,而是采用基于单点高度测量的方式来实现,通过整场调焦调平和逐场调焦不调平这两步工作方式相结合来进行,从而可以简化工作流程并提高生产效率。逐场调焦不调平工作方式是利用调焦调平传感器的单点高度测量功能,针对每个曝光视场只选择1个固定位置处测量它的高度,从而计算出该曝光视场相对于投影物镜最佳焦平面的离焦量,然后通过执行机构使当前曝光视场与投影物镜的最佳焦平面相重合。整场调焦调平一般是在硅片表面3个或3个以上不同位置处进行离焦量测量,来计算并校正整个硅片表面的离焦量和倾斜量,达到硅片调焦调平的目的。

3.1 单点高度测量模型算法

调焦调平系统是利用线性CCD来检测硅片的位置,如图3所示。照明光源发出的光束经聚光镜入射到硅片面上,入射光与被测硅片面法线的夹角为80°,成像物镜的光轴与硅片面法线的夹角为80°,即线阵CCD的像平面平行于入射光线。

设硅片的高度位置偏移量为Δz,则在成像系统的物面上产生的位移量Δx为

假设成像系统的放大倍率为γ,则硅片高度位置偏移量Δz在CCD像面上引起的成像位置偏移量为

假设线阵CCD的像素间距为d(d定义为CCD总几何尺寸D与像素总个数n之比),则上述成像位置偏移量对应的像素偏移量为

3.2 整场调焦调平算法

整个硅片只需进行一次整场调焦调平,整场调焦工作流程如图4所示。通过工件台的步进运动,依次测量出硅片面上三个不同整场调焦调平点A,B,C高度值,从而算出硅片表面的平均离焦量Δz和倾斜角θx和θy,来实现整个硅片的调焦调平。

以调焦调平执行器支撑底座中心为X, Y, Z轴坐标原点。由于求解数学模型时涉及的是硅片测量点相对于投影物镜最佳焦面的离焦量,所以可忽略底座表面的不平整度和硅片的高度误差量。

由空间解析几何知识,三点可以确定一个平面,根据硅片上的三个测量点A, B,C,可以确定硅片所在的平面,三点的关系如图5所示。其中O点为硅片的中心, A,B,C三点组成等腰三角形,O是BC边上垂直平分线的中点,D是BC的中点。

硅片中心O的坐标为(x1,y1,z1), B与C点的距离为2b, A与D点的距离为2c。zj为测量高度Z向坐标,高度是相对于最佳焦平面的。则A, B, C三个测量点的坐标为

A(x1, y1+c, za)
B (x1-b, y1-c, zb)
C (x1+b, y1-c, zc)

根据三个测量点可以确定硅片的平面法线向量

由三个测量点中的一点和平面的法向量可以确定平面的方程

2c(zb-zc)(x-x1) +b(zb+zc-2za)·
[y- (y1+c)] +4bc(z-za) =0 (5)

硅片中心点坐标O (x1, y1, z1)应处于三个测量点确定的平面上,将其代入平面方程

即硅片的离焦量为

因为D为BC的中点,所以D点Z方向的高度为

AD平行于坐标轴Y轴,由于硅片偏置的角度很小(图5), za-zd可以近似为θx的弧长,故倾斜角θx为

BC是与坐标轴X轴平行的,同理斜角θy为

4 结论

本文对一种基于线阵CCD的步进重复投影光刻机上的调焦调平系统作了简单的原理介绍和软件算法论述。目前调焦调平系统处于实验模拟阶段,在实验中调焦调平算法模型取得了比较好的效果,但要在光刻机设备上应用,还需要考虑大量实际情况,并且涉及到其他很多相关部分的协同合作,需要很多硬件处理与软件算法来实现,是一个比较复杂的过程,需要做大量的研究工作。

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