NIKON NSR 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)原理及典型故障修復(fù)

申 強(qiáng)，劉 磊，曹 鑫，李遠(yuǎn)林

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所， 江蘇 南京210016)

在半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)制造過(guò)程中，光刻工藝被認(rèn)為是最關(guān)鍵的步驟，其決定了所生產(chǎn)半導(dǎo)體器件能夠達(dá)到的極限尺寸，即分辨率。一片硅圓片，在整個(gè)前道生產(chǎn)流程中，要經(jīng)歷多次曝光工藝。從截面來(lái)看，整個(gè)圓片是逐層的，層與層之間，在水平方向，又有著嚴(yán)格的位置關(guān)系，即套準(zhǔn)容差。

光刻工藝所能達(dá)到的技術(shù)水平，主要是由投入生產(chǎn)的光刻機(jī)決定。光刻機(jī)使用的曝光光源，主要決定了所能實(shí)現(xiàn)的分辨率；而光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，就決定了不同層曝光工藝的套準(zhǔn)精度。不同廠家，不同型號(hào)的光刻機(jī)，對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理大致相近，最終都是實(shí)現(xiàn)掩模版與圓片之間特定標(biāo)記的對(duì)準(zhǔn)。本文以NIKON NSR 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)為參考，論述了對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理，包括掩模版對(duì)準(zhǔn)和圓片對(duì)準(zhǔn)，并列舉了常見(jiàn)的對(duì)準(zhǔn)方面的設(shè)備故障及解決方法。

1 對(duì)準(zhǔn)流程

NIKON NSR 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)采用的是分開(kāi)對(duì)準(zhǔn)的方式，先進(jìn)行掩模版對(duì)準(zhǔn)，后進(jìn)行圓片對(duì)準(zhǔn)（如圖1 所示）。曝光工藝開(kāi)始后，掩模版被傳送至預(yù)對(duì)準(zhǔn)模塊，對(duì)掩模版的X、Y、θ 方向進(jìn)行初步校正。被傳送至承版臺(tái)上后，開(kāi)始進(jìn)行掩模版精對(duì)準(zhǔn)和掩模版對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)，最終確定掩模版相對(duì)于承片臺(tái)坐標(biāo)系的坐標(biāo)。掩模版對(duì)準(zhǔn)流程全部完成后，圓片在傳輸模塊找到平邊后，被傳送至承片臺(tái)上，根據(jù)程序內(nèi)設(shè)定的對(duì)準(zhǔn)方式，完成圓片對(duì)準(zhǔn)。承片臺(tái)和承版臺(tái)坐標(biāo)系之間的關(guān)系以及機(jī)臺(tái)內(nèi)保存的機(jī)器常數(shù)，最終確定掩模版和圓片之間的位置關(guān)系，進(jìn)行曝光工藝。圖1 流程內(nèi)的“工件臺(tái)重置”和“基線檢查”，可以理解為執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)動(dòng)作前的準(zhǔn)備工作，本文不做詳細(xì)論述。

圖1 光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)流程圖

2 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

了解對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)排布，對(duì)掌握其工作原理有較大的幫助。同時(shí)，對(duì)解決設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的對(duì)準(zhǔn)方面的故障的排查和處置也有較大指導(dǎo)意義。其中，最難理解的就是對(duì)準(zhǔn)的光路系統(tǒng)，圖2 顯示了整個(gè)對(duì)準(zhǔn)流程中的主要光路傳播路徑以及所使用的光學(xué)元器件。

圖2 對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)示意圖

基準(zhǔn)單元（Fiducial Mark），是一個(gè)包含多種標(biāo)記（LSA、FIA、SRA、VRA、ISS 等）的集合體，固定于承片臺(tái)上。作為對(duì)準(zhǔn)媒介，在NIKON NSR 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用[1]?；鶞?zhǔn)單元在承片臺(tái)坐標(biāo)系內(nèi)有一個(gè)特定的坐標(biāo)。通過(guò)掩模版對(duì)準(zhǔn)，建立了掩模版與基準(zhǔn)單元內(nèi)相應(yīng)標(biāo)記的位置關(guān)系，而通過(guò)圓片對(duì)準(zhǔn)，又建立了圓片與基準(zhǔn)單元內(nèi)相應(yīng)標(biāo)記的位置關(guān)系。如此，就可以確立掩模版與圓片之間的位置關(guān)系。

2.1 掩模版對(duì)準(zhǔn)

在單個(gè)曝光工藝過(guò)程中，掩模版對(duì)準(zhǔn)包含搜索對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)過(guò)程，由于兩者使用的光路器件和對(duì)準(zhǔn)原理相同，因此本文中統(tǒng)稱(chēng)為掩模版對(duì)準(zhǔn)。

掩模版對(duì)準(zhǔn)采用的是掃描十字線對(duì)準(zhǔn)方式（Scanning Reticle Alignment，SRA）。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，承片臺(tái)移動(dòng)，使基準(zhǔn)單元內(nèi)的掩模版標(biāo)記處于特定的位置。從汞燈分支過(guò)來(lái)的一路光，從基準(zhǔn)單元的下方往上發(fā)出，分為X1Y1和X2Y2兩路光，穿過(guò)曝光鏡頭后打在掩模版左右兩側(cè)的十字標(biāo)記附近。光透過(guò)掩模版后被掩模版對(duì)準(zhǔn)顯微鏡接收，分別通過(guò)單向?yàn)V光狹縫，生成X 或Y 方向的光，最后被對(duì)應(yīng)的十字線對(duì)準(zhǔn)傳感器接收（見(jiàn)圖2）。掃描十字線對(duì)準(zhǔn)傳感器是光電倍增管，接收到光后，由高壓包對(duì)4 支分路（X1/Y1/X2/Y2）提供瞬時(shí)400 V左右的高壓，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，承片臺(tái)到位后不再移動(dòng)，承版臺(tái)沿X/Y 向微動(dòng)掃描（如圖3 所示）。由于掩模版兩側(cè)的鍍鉻十字標(biāo)記不透光，在承版臺(tái)移動(dòng)的過(guò)程中，十字線對(duì)準(zhǔn)傳感器所接收到的光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生由強(qiáng)到弱再到強(qiáng)的明暗變化，當(dāng)處于某一特定位置時(shí)，剛好完全擋住從下方標(biāo)記發(fā)出的光而導(dǎo)致傳感器所接收到的光信號(hào)最弱的時(shí)候，認(rèn)為此處為對(duì)準(zhǔn)位置。根據(jù)讀取到的當(dāng)前承版臺(tái)激光干涉計(jì)，可以確定掩模版對(duì)準(zhǔn)時(shí)處于承版臺(tái)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。

圖3 溫區(qū)閉環(huán)控制原理圖

圖3 掃描十字線對(duì)準(zhǔn)原理圖

2.2 掩模版對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)

掩模版對(duì)準(zhǔn)完成后，后續(xù)會(huì)進(jìn)行掩模版對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)，包括視頻十字線對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)（Video Reticle Alignment Check，VRA） 和圖形狹縫檢測(cè)（Image Slit Check，ISS），其主要作用是檢查掩模版對(duì)準(zhǔn)結(jié)果，形成閉環(huán)，并確立掩模版在承片臺(tái)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。

2.2.1 視頻十字線對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)

圖4 所示為該檢測(cè)方法的光路和原理，使用圖形識(shí)別技術(shù)，掩模版對(duì)準(zhǔn)完成后，承版臺(tái)保持不動(dòng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)保存的參數(shù)，移動(dòng)承片臺(tái)，使基準(zhǔn)單元內(nèi)的視頻十字線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記處于正確的位置。汞燈光從基準(zhǔn)單元下方向上發(fā)出，穿過(guò)曝光鏡頭后，通過(guò)對(duì)焦功能，將基準(zhǔn)單元上的視頻十字線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記投影在掩模版下表面，再透過(guò)掩模版后由對(duì)準(zhǔn)顯微鏡傳送至視頻十字線對(duì)準(zhǔn)相機(jī)。通過(guò)對(duì)比掩模版標(biāo)記中心和基準(zhǔn)標(biāo)記中心之間的位置關(guān)系，計(jì)算出前者相對(duì)于后者的偏移量和旋轉(zhuǎn)量。在執(zhí)行曝光之前，會(huì)對(duì)位置偏移和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)精確套準(zhǔn)。

圖4 視頻十字線對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)原理圖

2.2.2 圖形狹縫檢測(cè)

圖形狹縫檢測(cè)原理如圖5 所示，該標(biāo)記是分為X 和Y 方向的狹縫，汞燈光從包含圖形狹縫檢測(cè)標(biāo)記的基準(zhǔn)單元下方向上發(fā)出，形成狹縫光束，穿過(guò)曝光鏡頭后并放大，聚焦后投影在掩模版下方，臨近掩模版鍍鉻十字標(biāo)記。掩模版保持不動(dòng)，承片臺(tái)在此位置附近微動(dòng)掃描，當(dāng)光打在掩模版透明區(qū)域時(shí)，傳感器接收到的光最多，信號(hào)最強(qiáng)，而在承片臺(tái)掃描過(guò)程中，當(dāng)狹縫光束完全被鍍鉻標(biāo)記擋住時(shí)，傳感器接收到的光最少，信號(hào)最弱，認(rèn)為對(duì)準(zhǔn)。因此傳感器上會(huì)產(chǎn)生由強(qiáng)到弱再到強(qiáng)的光電信號(hào)，通過(guò)讀取到的當(dāng)前承片臺(tái)激光干涉計(jì)，可以計(jì)算出掩模版標(biāo)記在承片臺(tái)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。

圖5 圖形狹縫檢測(cè)原理圖

2.3 圓片對(duì)準(zhǔn)

圓片對(duì)準(zhǔn)包括激光步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)（Laser Step Alignment，LSA）、場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)（Field Image Alignment，F(xiàn)IA）和激光干涉計(jì)對(duì)準(zhǔn)（Laser Interferometer Alignment，LIA）三種對(duì)準(zhǔn)方式。由于最后一種對(duì)準(zhǔn)方式是選配功能，大部分機(jī)臺(tái)并不配置相關(guān)元器件，因此本文不做論述。

2.3.1 激光步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)

激光步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)光路和原理如圖6 所示，采用暗場(chǎng)下的激光衍射技術(shù)[2]。承片臺(tái)移動(dòng)至標(biāo)記位置，從He-Ne 激光器發(fā)出的相干光，波長(zhǎng)為633 nm，被叉分成X/Y 方向，穿過(guò)光路鏡組和曝光鏡頭后形成狹縫打在圓片標(biāo)記附近，圓片標(biāo)記是由間隔數(shù)微米至數(shù)十微米的方形凸起陣列組成。承片臺(tái)在此位置附近微動(dòng)掃描，當(dāng)激光掃過(guò)圓片標(biāo)記時(shí)，由狹縫原理產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，入射光被分解成0、±1、±2、±3……級(jí)光。衍射光和散射光沿原入射光的光路返回，經(jīng)過(guò)反光鏡和濾光鏡后，包含位置信息的±1 級(jí)光被傳感器接收。在掃描的過(guò)程中，激光狹縫通過(guò)單排標(biāo)記時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由弱到強(qiáng)再到弱的衍射光，電路系統(tǒng)會(huì)接收到同樣變化的單峰信號(hào)。根據(jù)標(biāo)記排布，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)重復(fù)的單峰信號(hào)。如果標(biāo)記衍射光與入射光相關(guān)聯(lián)，那么此時(shí)產(chǎn)生的單峰信號(hào)即為標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)信號(hào)。通過(guò)讀取激光干涉計(jì)，系統(tǒng)記錄下當(dāng)前的承片臺(tái)位置坐標(biāo)。

圖6 激光步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)原理圖

2.3.2 場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)

場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)使用的是離軸圖形識(shí)別技術(shù)，如圖7 所示，承片臺(tái)移動(dòng)至對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記剛好位于圓片場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)顯微鏡下方的位置，從鹵素?zé)舨娣值囊宦饭庠?，通過(guò)曝光鏡頭外部的光路，打在標(biāo)記上，反射后被場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)顯微鏡捕捉到，最終傳送到場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)相機(jī)。安置于對(duì)準(zhǔn)顯微鏡內(nèi)的指引標(biāo)記，被LED 光源照亮，同時(shí)被傳送至場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)顯微鏡，共同產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的視頻模擬信號(hào)。系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)比圓片上場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和指引標(biāo)記的中心坐標(biāo)偏差，計(jì)算出水平方向上的偏移和旋轉(zhuǎn)，從而計(jì)算出圓片標(biāo)記在承片臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

圖7 場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)原理圖

激光步進(jìn)對(duì)準(zhǔn)采用激光照明方式，光線在襯底和光刻膠之間多次反射產(chǎn)生標(biāo)記附近的相干條紋，易錯(cuò)誤反應(yīng)標(biāo)記的位置，得到虛假的對(duì)準(zhǔn)信號(hào)。尤其是在金屬濺射層上，表面較粗糙且標(biāo)記易產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)變化，對(duì)準(zhǔn)效果較差。場(chǎng)像對(duì)準(zhǔn)采用了寬頻非相干的鹵素?zé)糇鳛楣庠矗鲌?chǎng)成像[2]，能夠減少金屬層上因?yàn)閷?duì)準(zhǔn)標(biāo)記的非對(duì)稱(chēng)性引起的對(duì)位錯(cuò)誤，但是作為一種圖像處理方法，其缺點(diǎn)是不能很好地檢測(cè)到對(duì)比度較低下的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記[3]。因此，在實(shí)際曝光生產(chǎn)中，要根據(jù)圓片當(dāng)前曝光層表面狀況，選取合適的圓片對(duì)準(zhǔn)方式。

3 典型故障修復(fù)

本文主要針對(duì)NIKON NSR i11/i12 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)，對(duì)掩模版對(duì)準(zhǔn)和圓片對(duì)準(zhǔn)故障和異常進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)歸納，并列舉了可能的原因以及相應(yīng)的處理方法，如表1 所示。

表1 對(duì)準(zhǔn)常見(jiàn)故障及處理方法

4 結(jié)束語(yǔ)

NIKON NSR 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及光電信號(hào)處理系統(tǒng)。本文通過(guò)對(duì)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理的簡(jiǎn)要論述，結(jié)合實(shí)際工作，提出了易出現(xiàn)的對(duì)準(zhǔn)方面的設(shè)備故障，并列舉了可能的產(chǎn)生原因以及解決方法。為相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)類(lèi)似故障時(shí)的快速修復(fù)提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)。