非接觸間隙檢測

賈亞飛，蒲繼祖，張云鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

半導(dǎo)體行業(yè)中曝光技術(shù)主要分為接觸式曝光、接近式曝光和投影成像曝光技術(shù)。近年來，亞微米、納米級光刻成為光刻技術(shù)發(fā)展的趨勢，但由于接觸式和接近式曝光技術(shù)有著技術(shù)條件簡單、曝光面積大、生產(chǎn)效率高、運行成本低的特點，在發(fā)展投影縮小光刻的同時, 微細(xì)加工行業(yè)也仍在利用這種光刻技術(shù)進(jìn)行微細(xì)圖形的加工。

在接觸、接近式曝光工藝中掩模板與基片間的間隙大小及均勻性直接決定了被曝光基片表面線條的精度和整個基片表面線條寬度的均勻性，所以，基片與掩模版之間的間隙均勻性是掩模光刻機(jī)的一個關(guān)鍵性指標(biāo)。掩模光刻機(jī)有專門的找平機(jī)構(gòu)和找平步驟，找平的目的是要實現(xiàn)掩模版平面和基片平面的平行，實現(xiàn)基片與掩模版在移動到設(shè)定的一個微小間隙后，基片上各點到掩模版的距離相同，從而保證曝光后基片上圖形的一致性，并提高設(shè)備的分辨率。但是在找平機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的動作后，基片是否找平，即基片與掩模板之間的間隙是否均勻，并沒有專門的、結(jié)構(gòu)簡單、方便直觀的檢測裝置，其結(jié)果是無法對曝光設(shè)備的找平機(jī)構(gòu)進(jìn)行校驗，使設(shè)備存在有不合格項的風(fēng)險，降低了出廠設(shè)備的穩(wěn)定性，一旦在生產(chǎn)中出現(xiàn)基片圖形不均勻的現(xiàn)象，不能快速地確診是否是找平機(jī)構(gòu)的原因，增加了維修成本。所以設(shè)計一套簡單實用的間隙均勻性檢測裝置是非常有必要的。

1 光的干涉原理

原子從較高的能量狀態(tài)變化（躍遷）到較低的能量狀態(tài)時，會有多余的能量，可以以各種形式釋放出來。如果兩能量之差合適，則以發(fā)光的形式釋放能量。所以，發(fā)光是原子在不同的能量狀態(tài)之間躍遷的結(jié)果。

光源中總是包含大量的原子，總是有大量的原子同時發(fā)光，不同原子所發(fā)的光波，都有隨意的傳播方向、振動方向、位相和頻率。所以，不同原子在同一時刻所發(fā)出的光波是不相干的；同一原子在不同時刻所發(fā)出的光波也是不相干的。即普通光源所發(fā)的光都是不相干的。所以，在通常情況下看不到光的干涉。即普通光源所發(fā)的光在相遇時總是強(qiáng)度相加，不會產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)光強(qiáng)的重新分布。

對于普通的光源，要想得到相干光，一般是設(shè)法將同一個原子在同一時刻所發(fā)出的一列光波分為幾部分，這幾部分光波由于來自同一列光波，所以具有相同的頻率、固定的位相差，而且存在相互平行的振動分量，就是相干的。這就是干涉的物理本質(zhì)。所以，也可以說，干涉是一列光波自己和自己的干涉，也只有自己和自己之間才有可能發(fā)生干涉。

光源所發(fā)出的大量光波，其中的每一列都與自己干涉，形成一個干涉花樣，有一個光強(qiáng)分布；不同的光波之間，則是干涉花樣的強(qiáng)度疊加?？梢员硎鰹椋?/p>

在時刻t，光源中第i 個原子躍遷發(fā)出的波記為Ui，該列波經(jīng)分光裝置后分為兩部分，這兩部分是相干的。這兩部分到達(dá)場點P 時振幅為Ai1，Ai2，位相差為Δφi，該原子發(fā)出的波在P 點的干涉強(qiáng)度為：

對于點光源和相同的干涉裝置，所有原子的Δφi是相同的。所有原子在t 時刻發(fā)出的波在P 點形成的總干涉強(qiáng)度為：

可以通過分波前或分振幅的方法得到相干光：

（1）分波前干涉的典型事例主要有：楊氏干涉、費涅耳雙鏡、羅埃鏡、菲涅耳雙棱鏡等；

（2）分振幅干涉主要有：邁克爾遜干涉儀、薄膜干涉、等傾干涉、等厚干涉等。

2 間隙均勻性檢測裝置設(shè)計原理

檢測基片與掩模版之間的間隙均勻性運用了類似于薄膜干涉光的分振幅干涉原理。

如圖1 所示，從激光器發(fā)出的平行度很高的光束經(jīng)聚光鏡聚焦后，焦點落在掩模板反射面（下表面）和基片反射面（上表面）附近，光束在掩模板反射面處分為反射和折射兩部分光束，折射光束再經(jīng)基片反射從上界面射出。由于這些光是從同一列光分得，所以是相干的。在相對于掩模板的適當(dāng)高度和角度的位置放置接收屏，打開激光器，接收屏上會出現(xiàn)明顯的等間距干涉條紋。水平移動此裝置，如果掩模板與基片間的間隙不均勻，干涉條紋的間距會發(fā)生變化，下面定量介紹干涉條紋間距與掩模板、基片間的間隙間關(guān)系。

如圖1 建立坐標(biāo)系，計算光程差：

光程差：

在觀察屏上以P 為中心的一個小鄰域內(nèi)，L1+L2近似為2D，光程差：

兩邊同時對Δ 求導(dǎo)得：

令dΔ=λ 時，dPx為一個條紋間距B，

圖1 間隙檢測示意圖

當(dāng)λ=0.63 μm，D=227 mm，θ=75°時，

條紋的寬度B 與間隙h 成反比。條紋寬度越大，即條紋越稀疏，說明間隙h 越小。在實際檢測中，測出B 的值，由式(9)得到間隙h 的值。

3 間隙均勻性檢測裝置的應(yīng)用

根據(jù)間隙均勻性檢測裝置的設(shè)計原理，自行設(shè)計和裝校了間隙均勻性檢測裝置，如圖2 所示，圖中可以明顯看到干涉條紋，條紋越寬表明間隙越小，條紋越密，間隙越大。

通過裝置前后左右掃描，觀察條紋的疏密變化情況，如果條紋的疏密度沒有明顯變化，可以得出掩模板與基片之間的間隙均勻。如果條紋的疏密度變化較大，則間隙不均勻，設(shè)備找平分離步驟不合格。

目前，此裝置應(yīng)用于中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所自行設(shè)計生產(chǎn)的某型曝光機(jī)分離間隙檢測工藝中，能定性和相對測量間隙的均勻性，基本滿足設(shè)計要求。

圖2 間隙均勻性檢測裝置

4 結(jié) 論

在光刻工藝領(lǐng)域，接觸接近式曝光是一種重要的光刻工藝。工作臺接觸、找平、鎖緊、分離是接觸接近式曝光的必要步驟，這一系列步驟是曝光機(jī)的核心技術(shù)，分離步驟后掩模板與基片之間的間隙均勻性是曝光機(jī)的核心技術(shù)指標(biāo)。所以，簡單直觀的非接觸分離間隙均勻性檢測手段顯得尤為重要。

本文中論述的檢測裝置不足之處在于還不能定量檢測間隙的值，在定標(biāo)工作完成后，將實現(xiàn)這一重要的功能。

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