NSR2205I14型光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)方式分析

宛文峰

（新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412001）

0 引言

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是光刻機(jī)的核心部件之一，擁有更精密的對(duì)準(zhǔn)，才能保證更精準(zhǔn)的套刻精度。NSR2205I14設(shè)備在對(duì)準(zhǔn)時(shí)主要分2步，首先光刻板對(duì)準(zhǔn)，即光刻板上的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)通過(guò)CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）圖像傳感器與曝光臺(tái)上的基準(zhǔn)記號(hào)對(duì)準(zhǔn)，然后是晶圓對(duì)準(zhǔn)，即對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)與曝光臺(tái)上的基準(zhǔn)記號(hào)對(duì)準(zhǔn)后，通過(guò)晶圓上的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)與晶圓對(duì)準(zhǔn)。而晶圓對(duì)準(zhǔn)時(shí)可以使用2套不同的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)做對(duì)準(zhǔn)，這2套對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，原理不同，優(yōu)缺點(diǎn)各異。

1 Nikon NSR2205I14對(duì)準(zhǔn)機(jī)制

1.1 LSA對(duì)準(zhǔn)方式

1.1.1 LSA對(duì)準(zhǔn)原理LSA

（Laser Step Alignment，激光步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)方式）的光源是He-Ne激光器，激光波長(zhǎng)為632.8 nm。LSA對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（圖1）通過(guò)激光光斑掃描對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，最后由接收器接收衍射光，因此它屬于暗場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。

圖1 LSA對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

He-Ne激光器發(fā)出激光光斑，最終激光光斑通過(guò)對(duì)準(zhǔn)顯微鏡的透鏡照射到晶圓上。當(dāng)光斑照射到圖1所示的光柵形狀的LSA記號(hào)上時(shí)，在記號(hào)側(cè)壁處，將發(fā)生衍射，衍射光將延原入射光的光路返回。LSA衍射如圖2所示，當(dāng)記號(hào)間距為d，衍射光角度為θ，He-Ne激光器發(fā)出的光波波長(zhǎng)為λ時(shí)，根據(jù)光柵公式dsinθ=nλ（n=0，±1，±2…），最后傳感器只接受1階衍射光，其中0階衍射光被空間過(guò)濾器過(guò)濾。傳感器接受光信號(hào)后，迅速將這些光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)——電信號(hào)，模擬信號(hào)被傳送到信號(hào)處理單元后，將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)最終將用于晶圓對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。

1.1.2 LSA的信號(hào)處理過(guò)程

LSA信號(hào)如圖3所示，對(duì)準(zhǔn)記號(hào)引起的衍射與反射信號(hào)通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成DC信號(hào)。產(chǎn)生電信號(hào)的位置被定為曝光臺(tái)的激光干涉儀記錄下來(lái)，計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)記號(hào)的精確坐標(biāo)位置。

首先曝光臺(tái)移動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)記號(hào)區(qū)域的起始位置X0，此時(shí)信號(hào)采集系統(tǒng)開(kāi)始采集信號(hào)，接著曝光臺(tái)開(kāi)始移動(dòng)，使得激光光斑在記號(hào)區(qū)域掃描。當(dāng)激光光斑掃描到對(duì)準(zhǔn)記號(hào)上時(shí)，此時(shí)接收器接收到衍射信號(hào)，信號(hào)不斷增強(qiáng)，并且在Xa位置處達(dá)到最強(qiáng)，當(dāng)激光光斑逐漸離開(kāi)對(duì)準(zhǔn)記號(hào)時(shí)，信號(hào)開(kāi)始逐漸減弱，在這個(gè)過(guò)程中，曝光臺(tái)的位置一直被激光干涉儀記錄著，最終由信號(hào)處理系統(tǒng)分析處理這些信號(hào)。

圖2 LSA衍射

圖3 LSA信號(hào)

1.1.3 LSA性能特點(diǎn)

LSA的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)可以采用凸出的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，也可以采用凹進(jìn)去的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，對(duì)于凸出來(lái)的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，如果記號(hào)出現(xiàn)形變時(shí)識(shí)別信號(hào)容易產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)變化，進(jìn)而發(fā)生對(duì)準(zhǔn)位置偏移，而凹進(jìn)去的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)產(chǎn)生非對(duì)準(zhǔn)變化的概率更小。

此外LSA對(duì)于金屬層及對(duì)準(zhǔn)記號(hào)較淺時(shí)容易發(fā)生對(duì)準(zhǔn)報(bào)警。因?yàn)榻饘賹佑捎诒砻姘纪共黄?，容易產(chǎn)生干擾信號(hào)，且對(duì)準(zhǔn)記號(hào)也容易發(fā)生非對(duì)稱(chēng)變化，而在對(duì)準(zhǔn)記號(hào)比較淺時(shí)，激光光斑照射到對(duì)準(zhǔn)記號(hào)上產(chǎn)生的衍射光較弱，接收器接收到的信息量少，當(dāng)遇到干擾信號(hào)時(shí)容易發(fā)生對(duì)準(zhǔn)報(bào)警。

1.2 FIA對(duì)準(zhǔn)方式

1.2.1 FIA對(duì)準(zhǔn)原理

FIA（Field Image Alignment）即場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)方式。當(dāng)光照射到對(duì)準(zhǔn)記號(hào)表面時(shí)，CCD圖形傳感器獲取對(duì)準(zhǔn)記號(hào)圖像，利用圖像的明暗差計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)位置。FIA的光源為鹵素?zé)?，其產(chǎn)生的光為寬帶光，相干性差，其波長(zhǎng)范圍為（530～800）nm。在NSR2205I14型設(shè)備的FIA光學(xué)系統(tǒng)上，首次安裝了相位板，同時(shí)在FIA偵測(cè)記號(hào)時(shí)增加了相差信息功能，類(lèi)似于相差顯微鏡，這種功能主要應(yīng)用在偵測(cè)高度差較小的記號(hào)上。

FIA系統(tǒng)是由光源，一套光學(xué)系統(tǒng)和一套信號(hào)處理單元組成（圖4）。光源是鹵素?zé)舭l(fā)出的白光，過(guò)濾出所需波長(zhǎng)的光通過(guò)光纖傳送到光學(xué)系統(tǒng)，最終照射到晶圓上。晶圓放射的光沿著原來(lái)的路徑傳送到電視攝像機(jī)上。晶圓上的記號(hào)信號(hào)通過(guò)電視攝像機(jī)轉(zhuǎn)換成模擬視屏信號(hào)后，又傳送至FIA單元。通過(guò)FIA單元信號(hào)處理后，計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)所需的參數(shù)，這些參數(shù)通過(guò)工作站處理來(lái)控制晶圓曝光的位置。

圖4 FIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)FIA光源入射到已經(jīng)勻膠的記號(hào)上，會(huì)發(fā)生折射與反射，折射光與反射光將有可能發(fā)生干涉，也就是光線1與光線2或光線1與光線3，如圖5所示。光線1，2與光線1，3的光程差分別為d1-2=2nhr和d1-3=2nhm。其中，n為光刻膠折射率，hr和hm分別為圖形頂部和底部光刻膠厚度。光學(xué)中，相干長(zhǎng)度為d=λ2/Δλ，其中λ為光源中心波長(zhǎng)，Δλ為光源的譜寬，因 d1-3＞d1-2，因此只需要滿(mǎn)足當(dāng)d＜d1-2時(shí)，就能避免干涉現(xiàn)象發(fā)生，即hr＞λ2/（2nΔλ）。

對(duì)于FIA光源，取其中心波長(zhǎng)λ為660nm，Δλ為270 nm，對(duì)于折射率為1.6的光刻膠，當(dāng)hr約＞0.5 μm時(shí)避免發(fā)生干涉現(xiàn)場(chǎng)，從而防止對(duì)準(zhǔn)記號(hào)的識(shí)別不正確或者識(shí)別位置發(fā)生偏移。

1.2.2 FIA信號(hào)處理過(guò)程

如圖6所示，在FIA顯微鏡內(nèi)部有一個(gè)指標(biāo)記號(hào)板，它和晶圓上的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)有相同的聚焦。紅外線直射到指標(biāo)記號(hào)上，指標(biāo)記號(hào)用CCD讀出指標(biāo)記號(hào)信號(hào)，與此同時(shí)，晶圓上的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)也被對(duì)準(zhǔn)記號(hào)用CCD檢測(cè)處理，最終，F(xiàn)IA單元計(jì)算出指標(biāo)記號(hào)與晶圓對(duì)準(zhǔn)記號(hào)的中心坐標(biāo)偏差。因?yàn)镕IA的光不是直接經(jīng)過(guò)投影鏡頭而是通過(guò)對(duì)準(zhǔn)顯微鏡照射到晶圓上，因此它是屬于離軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。

1.2.3 FIA性能特點(diǎn)

FIA的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)可以采用X，Y方向分別獨(dú)立的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，也可以采用X，Y方向合成在一起的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，但是采用X，Y方向獨(dú)立的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)時(shí)，X方向?qū)?zhǔn)記號(hào)識(shí)別完成后，曝光臺(tái)還需要將Y方向?qū)?zhǔn)記號(hào)移動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)顯微鏡下，這將會(huì)造成設(shè)備產(chǎn)能下降，因此一般都采用X，Y方向合成對(duì)準(zhǔn)記號(hào)。FIA對(duì)準(zhǔn)能較好的適應(yīng)大部分情況的對(duì)準(zhǔn)，但是對(duì)于明暗度差別低，對(duì)比度較差的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，會(huì)發(fā)生對(duì)準(zhǔn)報(bào)警。

圖5 FIA入射記號(hào)

圖6 FIA結(jié)構(gòu)

1.3 LSA對(duì)準(zhǔn)與FIA對(duì)準(zhǔn)對(duì)比

（1）對(duì)準(zhǔn)光源。LSA采用623.8 nm的He-Ne laser作為光源，其更換成本相對(duì)較高，且其收集的是衍射光，故屬于暗場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。FIA采用鹵素?zé)糇鳛楣庠?，其更換成本較低，且是通過(guò)CCD圖像傳感器來(lái)識(shí)別記號(hào)，故屬于明場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。

（2）對(duì)準(zhǔn)記號(hào)及產(chǎn)能。LSA采用柵格狀圖形（圖7）作為對(duì)準(zhǔn)記號(hào)。因LSA需要單獨(dú)對(duì)準(zhǔn)LSAx與LSAy兩個(gè)記號(hào)，故所用對(duì)準(zhǔn)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)能相對(duì)低。FIA采用圖8所示的形狀作為對(duì)準(zhǔn)記號(hào)。因FIA可以一次對(duì)準(zhǔn)出FIAxy記號(hào)，故所用時(shí)間短，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能高（注：FIA也可以采用相互獨(dú)立的FIAx與FIAy記號(hào)，這種情況下對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能低，故一般不采用）。

（3） 工藝適用情況。LSA對(duì)準(zhǔn)精度相對(duì)低，且對(duì)于非對(duì)稱(chēng)對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，金屬層及較淺的記號(hào)難以識(shí)別。FIA對(duì)準(zhǔn)精度相對(duì)高，能適用于絕大多數(shù)工藝層，但是對(duì)于對(duì)比度較低，臺(tái)階較淺的對(duì)準(zhǔn)記號(hào)難以識(shí)別。

圖7 LSA對(duì)準(zhǔn)記號(hào)

2 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)不同工藝層選擇合適的對(duì)準(zhǔn)方式，有利于提高對(duì)準(zhǔn)精度和效率。就一般情況來(lái)說(shuō)，優(yōu)先推薦使用FIA對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)闊o(wú)論是其對(duì)準(zhǔn)精度，識(shí)別對(duì)準(zhǔn)記號(hào)的能力，還是對(duì)準(zhǔn)效率都是優(yōu)于LSA對(duì)準(zhǔn)，但是在特殊情況下，如對(duì)準(zhǔn)記號(hào)對(duì)比度差時(shí)，則可以使用LSA取代FIA對(duì)準(zhǔn)。

圖8 FIA對(duì)準(zhǔn)記號(hào)