基于線陣CCD的光刻機調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)的研究

1、基于線陣CCD的光刻機調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)的研究    acing=0cellPadding=0width=550align=leftborder=0>尹作海，劉世元，史鐵林（華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢國家光電試驗室，武漢430074）引言光刻技術(shù)是大規(guī)模集成電路制造的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為推動集成電路發(fā)展的核心驅(qū)動力。光學(xué)光刻具有生產(chǎn)率高、套刻精度高、掩模制作簡單、工藝容易掌握等特點，是集成電路制造產(chǎn)業(yè)中的主流光刻技術(shù)。在光刻機的曝光過程中，硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物鏡焦平面位置的不準確性、acing=0 cellPadding=0 width

2、=550align=left border=0>尹作海，劉世元，史鐵林（華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢國家光電試驗室，武漢430074） 引言光刻技術(shù)是大規(guī)模集成電路制造的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為推動集成電路發(fā)展的核心驅(qū)動力。光學(xué)光刻具有生產(chǎn)率高、套刻精度高、掩模制作簡單、工藝容易掌握等特點，是集成電路制造產(chǎn)業(yè)中的主流光刻技術(shù)。在光刻機的曝光過程中，硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物鏡焦平面位置的不準確性、不重復(fù)性等因素會造成硅片相對于物鏡焦平面的離焦或傾斜。如果硅片的離焦或傾斜使曝光視場內(nèi)某些區(qū)域處于有效焦深之外，將嚴重影響集成電路的質(zhì)量和成品率。因此，必須采用調(diào)焦調(diào)平傳感器測量出硅片表面

3、相對于投影物鏡焦平面的高度值和傾斜量，通過調(diào)焦機構(gòu)實現(xiàn)硅片的調(diào)焦調(diào)平。 系統(tǒng)原理光學(xué)光刻分辨率的提高帶來焦深的急劇減少，從而要求嚴格控制曝光圖形的表面高度與傾斜度，減少調(diào)焦調(diào)平誤差，適應(yīng)十分有限的焦深，調(diào)焦調(diào)平技術(shù)由此應(yīng)運而生。國外的光刻機采用的調(diào)焦調(diào)平技術(shù)是多種多樣的，有位置敏感傳感器調(diào)焦調(diào)平技術(shù)、激光干涉儀調(diào)焦調(diào)平技術(shù)、多點高度測量傳感技術(shù)和單光路多點檢測技術(shù)等。本文研究的基于線陣的調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)原理如圖所示。調(diào)焦調(diào)平傳感器分為照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)，硅片處于焦深（）內(nèi)。照明系統(tǒng)發(fā)出的光束照射在硅片上，成像在硅片表面，用于對硅片的照明。從硅片表面反射的光束成像在成像系統(tǒng)上，調(diào)焦傳感器測量計算得到

4、硅片表面高度和傾斜信息，然后根據(jù)調(diào)焦傳感器測量計算結(jié)果，驅(qū)動位于工件臺下表面的執(zhí)行器， 保證硅片表面與投影物鏡最佳焦面（）重合。調(diào)焦調(diào)平裝置中的光學(xué)部分的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由光源單元、照明單元、投影單元、成像單元以及線陣組成。光源單元發(fā)出的光束經(jīng)過準直透鏡成為平行光束，經(jīng)過光纖傳導(dǎo)進入照明單元，然后通過投影光闌，即為不透明的屏上開著方孔，照明光斑變?yōu)闃藴实姆叫喂獍?。方形光斑被投影單元放大后，成像在硅片表面上，用于對硅片的照明。從硅片表面反射的光束?jīng)成像單元成像在線陣上，這樣硅片的向位移反映在線陣上就為光斑的平移，因此可以通過光斑在線陣靶面上的坐標位置計算得到硅片的位置高度。為了消除工藝膜層

5、對光的干涉作用，提高反射光強和信噪比，光學(xué)系統(tǒng)中入射光以較大的入射角（°°）在硅片表面成像，經(jīng)過分析，入射角初步選定為°。為了進一步地提高測量精度，狹縫在硅片面上的成像區(qū)域應(yīng)盡量覆蓋較大的區(qū)域，以使測量更具典型性和代表性。算法思想由于有效焦深較深，調(diào)焦調(diào)平測量精度和重復(fù)性要求不是很高。因此，調(diào)焦調(diào)平過程沒有必要采用基于多點測量的逐場調(diào)焦調(diào)平方式，而是采用基于單點高度測量的方式來實現(xiàn)，通過整場調(diào)焦調(diào)平和逐場調(diào)焦不調(diào)平這兩步工作方式相結(jié)合來進行，從而可以簡化工作流程并提高生產(chǎn)效率。逐場調(diào)焦不調(diào)平工作方式是利用調(diào)焦調(diào)平傳感器的單點高度測量功能，針對每個曝光視場只選擇個固

6、定位置處測量它的高度，從而計算出該曝光視場相對于投影物鏡最佳焦平面的離焦量，然后通過執(zhí)行機構(gòu)使當前曝光視場與投影物鏡的最佳焦平面相重合。整場調(diào)焦調(diào)平一般是在硅片表面?zhèn)€或個以上不同位置處進行離焦量測量，來計算并校正整個硅片表面的離焦量和傾斜量，達到硅片調(diào)焦調(diào)平的目的。. 單點高度測量模型算法調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)是利用線性來檢測硅片的位置，如圖所示。照明光源發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡入射到硅片面上，入射光與被測硅片面法線的夾角為°，成像物鏡的光軸與硅片面法線的夾角為°，即線陣的像平面平行于入射光線。設(shè)硅片的高度位置偏移量為，則在成像系統(tǒng)的物面上產(chǎn)生的位移量為假設(shè)成像系統(tǒng)的放大倍率為，則硅片高度

7、位置偏移量在像面上引起的成像位置偏移量為假設(shè)線陣的像素間距為（定義為總幾何尺寸與像素總個數(shù)之比），則上述成像位置偏移量對應(yīng)的像素偏移量為. 整場調(diào)焦調(diào)平算法整個硅片只需進行一次整場調(diào)焦調(diào)平，整場調(diào)焦工作流程如圖所示。通過工件臺的步進運動，依次測量出硅片面上三個不同整場調(diào)焦調(diào)平點，高度值，從而算出硅片表面的平均離焦量和傾斜角和，來實現(xiàn)整個硅片的調(diào)焦調(diào)平。以調(diào)焦調(diào)平執(zhí)行器支撐底座中心為， ， 軸坐標原點。由于求解數(shù)學(xué)模型時涉及的是硅片測量點相對于投影物鏡最佳焦面的離焦量，所以可忽略底座表面的不平整度和硅片的高度誤差量。由空間解析幾何知識，三點可以確定一個平面，根據(jù)硅片上的三個測量點， ，可以確定硅

8、片所在的平面，三點的關(guān)系如圖所示。其中點為硅片的中心， ，三點組成等腰三角形，是邊上垂直平分線的中點，是的中點。硅片中心的坐標為（，）， 與點的距離為， 與點的距離為。為測量高度向坐標，高度是相對于最佳焦平面的。則， ， 三個測量點的坐標為（， ， ） （， ， ） （， ， ）根據(jù)三個測量點可以確定硅片的平面法線向量由三個測量點中的一點和平面的法向量可以確定平面的方程（）（） （）· （） （） （）硅片中心點坐標 （， ， ）應(yīng)處于三個測量點確定的平面上，將其代入平面方程即硅片的離焦量為因為為的中點，所以點方向的高度為平行于坐標軸軸，由于硅片偏置的角度很?。▓D）， 可以近似為的弧長，故傾斜角為是與坐標軸軸平行的，同理斜角為 結(jié)論本文對一種基于線陣的步進重復(fù)投影光刻機上的調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)作了簡單的原理介紹