光刻機調(diào)平調(diào)焦臺精度指標分解方法研究

周清華，胡松，杜靖，王建

（中國科學院光電技術(shù)研究所，四川成都610209）

光刻機調(diào)平調(diào)焦臺精度指標分解方法研究

周清華，胡松，杜靖，王建

（中國科學院光電技術(shù)研究所，四川成都610209）

為了提高光刻機調(diào)平調(diào)焦臺的重復(fù)定位精度，對其調(diào)平調(diào)焦臺的精度指標分解開展研究。首先，應(yīng)用幾何關(guān)系，建立調(diào)平調(diào)焦總指標與邏輯軸之間的關(guān)系；再應(yīng)用運動學原理，建立調(diào)平調(diào)焦臺通用機構(gòu)的邏輯軸和物理軸之間的運動關(guān)系；接著，應(yīng)用函數(shù)誤差原理，建立調(diào)平調(diào)焦臺的精度指標分解模型。然后，采用壓電陶瓷作為驅(qū)動、柔性簧片作為導(dǎo)向、壓電陶瓷內(nèi)置電容作為傳感器搭建重復(fù)定位精度要求為100 nm的實驗測試平臺；最后實驗測試平臺測試結(jié)果顯示，定位精度可達到90 nm，從而驗證了該光刻機調(diào)平調(diào)焦臺精度指標分解模型的正確性。

光刻機；調(diào)平調(diào)焦臺；精度指標分解；函數(shù)誤差原理

光刻機是集成電路生產(chǎn)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，在整個生產(chǎn)過程中占據(jù)重要的地位。而高精度工件臺又是光刻機的核心部件之一，它的運動性能和定位精度決定了光刻工藝所能實現(xiàn)的線寬和產(chǎn)率。

光刻機的工件臺是一個六自由度運動臺，根據(jù)功能的不同可以分為x向運動臺，y向運動臺，θz運動臺和調(diào)平調(diào)焦臺［1-4］，其中調(diào)平調(diào)焦臺實現(xiàn)z、θx和θy三個方向的運動，實現(xiàn)硅片的調(diào)平調(diào)焦功能［2］。傳統(tǒng)的調(diào)平調(diào)焦臺設(shè)計成兩層臺子，分別為調(diào)平臺和調(diào)焦臺［6］。其優(yōu)點是調(diào)平調(diào)焦的三個自由度運動為串聯(lián)關(guān)系，結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制器設(shè)計相對簡單，但是其缺點是結(jié)構(gòu)尺寸大，占用空間多，且質(zhì)心高度高，在高端光刻機中不宜使用。因此需要設(shè)計出既能實現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦功能，又要保證結(jié)構(gòu)尺寸小，特別是高度尺寸小，質(zhì)心高度低的運動臺。而基于三點調(diào)平原理的運動臺既能滿足高度尺寸小的要求，又能實現(xiàn)三自由度的并聯(lián)運動，因此是光刻機調(diào)平調(diào)焦臺設(shè)計的首選。該運動臺通常采用三個音圈電機或壓電陶瓷或直線電機在三點直接驅(qū)動，中間布置柔性簧片作為導(dǎo)向［3］，從而實現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦的功能。這種結(jié)構(gòu)雖然滿足了高端光刻機的使用要求，但是由于三個自由度是相互耦合的，也就給結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動控制設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)，因此需要對這種結(jié)構(gòu)的調(diào)平調(diào)焦臺的精度指標分解方法進行研究，分解每個自由度的設(shè)計精度，從而保證整體結(jié)構(gòu)的重復(fù)定位精度。本文針對基于三點調(diào)平原理的調(diào)平調(diào)焦臺，推導(dǎo)其精度指標分解模型，并通過實驗對其進行驗證。

1　調(diào)平調(diào)焦臺結(jié)構(gòu)原理及幾何關(guān)系

圖1為調(diào)平調(diào)焦臺的機構(gòu)原理圖，基于三點調(diào)平原理，在一個等邊三角板的三個角上，配置三套驅(qū)動機構(gòu)，分別為z1軸、z2軸和z3軸，這三個實際的驅(qū)動機構(gòu)為該調(diào)平調(diào)焦臺的物理軸，通?？梢杂靡羧﹄姍C，壓電陶瓷等進行驅(qū)動，也可以配置其它機械式傳動機構(gòu)實現(xiàn)三個物理軸的運動。依據(jù)光刻機中實際的調(diào)平調(diào)焦臺布局，建立如圖1所示的坐標系，坐標系中心設(shè)置在三角形中心，x軸沿橫向布置，y軸沿縱向布置，調(diào)平調(diào)焦臺就在這個坐標系下完成z，θx和θy三自由度調(diào)節(jié)，其中z、θx和θy為該調(diào)平調(diào)焦臺的邏輯軸。工作時，如果三套驅(qū)動機構(gòu)執(zhí)行的是相同的位移增量，則實現(xiàn)調(diào)焦功能，即z向調(diào)節(jié)；如果三套驅(qū)動機構(gòu)執(zhí)行的是不同的位移增量，則實現(xiàn)調(diào)平功能，即θx和θy向調(diào)節(jié)。三套驅(qū)動機構(gòu)配合運動，實現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦功能。

圖1　調(diào)焦調(diào)平臺結(jié)構(gòu)原理圖

依據(jù)圖1所示的坐標位置關(guān)系，其幾何參數(shù)為：

（1）驅(qū)動點布置在等邊三角形的角點上，等邊三角形邊長分別為l1=l2=l3=l；

（2）該機構(gòu)的坐標中心和幾何中心重合，坐標系為ozxy；

（3）各驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)成的運動軸為物理軸，其輸出位移為：z1、z2和z3，精度指標分別為：σz1、σz2和σz3；

（4）三角板在坐標系ozxy下實現(xiàn)的z、θx和θy向運動為邏輯軸，其輸出位移為：z、θx和θy，精度指標分別為σz、σθx和σθy。

2　調(diào)平調(diào)焦臺精度指標分解

調(diào)平調(diào)焦臺的指標分解，其任務(wù)就是要把調(diào)平調(diào)焦臺的總精度指標分解為三個邏輯軸的精度指標，再通過邏輯軸精度指標到物理軸精度指標的傳遞模型，最終將調(diào)平調(diào)焦臺的總精度指標分解為三個物理軸的精度指標，從而作為后續(xù)開發(fā)的輸入條件，指導(dǎo)和約束后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電控系統(tǒng)設(shè)計。

2.1建立總指標到邏輯軸的分解模型

調(diào)平調(diào)焦臺的總精度指標的含義是硅片面內(nèi)任意點的實際位置都要落在總精度指標要求的范圍以內(nèi)，由于有角度誤差σθx和σθy的存在，硅片邊沿上是誤差最大的區(qū)域，只要保證這個區(qū)域的重復(fù)定位精度，硅片面內(nèi)任意點也就滿足指標要求。

如圖2所示，硅片半徑為r，在邊沿線上有點P（x，y），滿足：

圖2　硅片面坐標模型

由誤差σθx引起的硅片邊沿線上在z向上的偏差為zθx，則有：

由誤差σθy引起的硅片邊沿線上在z向上的偏差為zθy，則有：

由誤差σz引起的硅片在z向上的偏差仍為σz，

則硅片邊沿線上在z向上的總指標σz-total為：

即：

其中：σz-total即為調(diào)平調(diào)焦臺總誤差。

2.2建立邏輯軸精度指標到物理軸精度指標的傳遞模型

根據(jù)第2節(jié)揭示的幾何關(guān)系，推導(dǎo)調(diào)平調(diào)焦臺機構(gòu)的物理軸到邏輯軸的運動轉(zhuǎn)換方程為：

依據(jù)函數(shù)誤差理論以及各測量相互獨立［5］，各邏輯軸誤差計算為：

其中：σz為z向誤差，σθx為θx向誤差，σθy為θy向誤差。

通常三個物理軸的結(jié)構(gòu)是一樣的，具有相同的定位能力，即：

把式（7）帶入到式（6），得邏輯軸與物理軸誤差傳遞公式：

2.3總指標到物理軸的誤差傳遞

將式（1）、（4）和式（6）聯(lián)解得由總指標到物理軸的指標計算：

其中：r為硅片半徑；l為驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)成的等邊三角形邊長。

3　實驗測試

圖3實物模型

圖3為依據(jù)三點調(diào)平原理開發(fā)的調(diào)平調(diào)焦臺實物模型，三套壓電陶瓷布置在三角板的三個頂點上作為其驅(qū)動機構(gòu)，該三角板為正三角形；水平方向通過三角簧片耦合，約束水平方向運動；壓電陶瓷內(nèi)置電容傳感器測量位移，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)。其中三套壓電陶瓷構(gòu)成的三角形的邊長為173 mm，即l=173 mm。

其中：r=152.4 mm為300 mm（12英寸）硅片的半徑值。

由此壓電陶瓷和電容傳感器的關(guān)鍵指標約束為：壓電陶瓷分辨力為62.6/10=6.3 nm，電容傳感器分辨力為62.6/5=12.5 nm，電控系統(tǒng)調(diào)試時保證各軸重復(fù)定位精度為62.6 nm。

表1　三點測試結(jié)果

圖4性能測試實驗臺

電感儀測試各點的重復(fù)定位精度。測試結(jié)果如表1所示，三個測量點重復(fù)定位精度分別為90 nm、90 nm和90 nm，滿足100 nm的指標要求。

4　結(jié)論

通過研究調(diào)平調(diào)焦臺的總精度指標與其物理軸和邏輯軸之間的運動學關(guān)系，建立起調(diào)平調(diào)焦臺的精度指標分解模型；依據(jù)精度指標分解模型，開發(fā)完成了一個重復(fù)定位精度要求為100 nm的調(diào)平調(diào)焦臺；實驗結(jié)果顯示該調(diào)平調(diào)焦臺的實際精度滿足指標要求，驗證了該調(diào)平調(diào)焦臺精度指標分解模型的正確性，從而為今后的光刻機調(diào)平調(diào)焦臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制算法設(shè)計提供有力的依據(jù)。

［1］董吉洪，田興志，李志來，等.步進掃描投影光刻機工件臺、掩模臺的發(fā)展［J］.光機電信息，2004（5）：20-24.

［2］姚漢明，胡松，邢廷文.光學投影報告微納加工技術(shù)［M］.北京：北京工業(yè)大學出版社，2006.61-70.

［3］李鴻，周云飛.100 nm步進掃描光刻機硅片臺掩模臺運動結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.微電子技術(shù)，2003，31（4）：1-5.

［4］劉丹，程兆谷，高海軍，等.步進掃描投影光刻機工件臺和掩模臺的進展［J］.激光與光電子學進展，2003，40（5）：14-20.

［5］費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理（第四版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.62-63.

［6］胡淞，蘇偉軍.六自由度硅片臺定位系統(tǒng)設(shè)計與計算［J］.光學工程，1998，25（3）：7-11.

周清華（1978―），男，四川人，中國科學院光電技術(shù)研究所職工，中級職稱，工學碩士，研究方向是微電子專用設(shè)備。

Research on the Accuracy Assigning Method of the Leveling and Focusing Stage of Lithography

ZHOU Qinghua，HU Song，DU Jing，WANG Jian
（The Institute of Optics and Electronics the Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610209，China）

In order to improve the accuracy of the leveling and focusing stage of lithography，an accuracy assigning method is proposed in this paper.Firstly，the relationship between the total accuracy index and the logic axis is established by using the geometric relation.Then，based on the kinematic principles，the relationship between the logic axis and the physical axis of the leveling and focusing stage's general mechanism is established.And the accuracy assigning model of the leveling and focusing stage is also established by using the function error principle.Moreover，an experimental platform which provides an accuracy of 100 nm re-orientation is built.This platform uses the piezoelectric ceramics as driving，the flexible reed as guide，and the capacitance as sensor.Finally，the result of the experimental platform reveals the re-orientation accuracy of this leveling and focusing stage can reach to 90 nm，which demonstrates that the accuracy assigning model of the lithography leveling and focusing stage is correct.

Lithography tool；Leveling and focusing stage；Accuracy assigning；Function error principle

TN305.7

A

1004-4507（2016）01-0015-05