投影光刻机调焦调平传感技术的研究进展_曾爱军

1、第 !“ 卷! 第 # 期%:提要 阐述了投影光刻机调焦调平传感器的重要作用及其技术进展!详细介绍了国际上典型的调焦调平传感器 !并对多种传感技术的光学原理和关键技术进行了分析和比较“关键词 调焦调平传感器 步进重复投影光刻机 步进扫描投影光刻机 逐场调焦调平#$%4 /0 ?.7 .20747 ,;/ -./01./2 $%*;%:;S/ WSXP4=.SZ VS 4(/OSY 4Y X5UVSY)=9 %$/(X.Z 4Y (SS( ZS4ZV ZWSUUSVZX44SV=S(YE/E=S(Y (SS(=4N!引言光刻技术是大规模集成电路制造的基础!已经成为推动集成电路 发展的核心驱动力“ 光学光刻具有生产率高 # 套刻精度高 # 掩模制作简单# 工艺容易掌握等特点!是 集成电路制造产业中的主流光刻技术1*!02“ 在光学光刻设备中!高分辨率的投影 光刻机一直扮演着主角“ 投影光刻机主要经历了从步进 重复投影光刻机到步进扫描投影光刻机的发展过程132! 现已进入了*%45 分辨率的技术时代1!62“投影光刻机两个最基本的参数 是分辨率 ! 和焦深 “#$! 由瑞利判据确定为172

2、!%2!即在曝光之前使曝光视场内 的硅片区域位于有效焦深范围以内“ 逐场调焦调平开始应用于亚半微米 分辨率的步进重复投影光刻机中! 现已成为步进扫描投影光刻机的一 项关键技术“ 调焦调平传感器主要采用光学传感技术+ 仅有早期的少数传感器采用气压#电容原理进行传感14 公司 #?44 公司和荷兰的 ABCD 公司是世界上投影光刻收稿日期“ 0%!E%3E*F 收到修改稿日期G 0%!E%6E“?第 !“ 卷! 第 # 期% 接收到的光强也发生改变“ 为了提高信噪比!光路中利用振动反射镜进行光强 调制“ 振动反射镜在一定的角度 范围内产生角度随时间变化的旋转振动!则对光电探测器 * 接收的光强进行了调制“ 为了使传感器的基准面和投影物镜 焦平面重合!在 振动反射镜和探测狭缝之间插入可旋转的平行平板 $见图 0%!利用平行平板旋转引起的光束 平移调整传感器的基准面“图* 中用实线表示的光路为调平传感器的 测量光路“ 发光二极管$%发出的光束经过聚光镜 0 聚焦在光阑上! 由透镜 ! 准直成平行光并斜入射在硅片上! 硅片反射后由透镜 7 聚焦在光电探测器 0$如四像限探测器% 上“ 如果硅片没

3、有倾斜!即和投影物镜的光轴垂直!则聚焦 光斑位于四像限探测器的中心!则四个像限探测到的光强相等“ 若硅片相对于投影物镜焦平面产生 了倾斜! 透镜 7 焦面上的光斑将偏离探测器的中心 位置! 则四个像限探测到的光强不相等! 利用四个像限探测到的光强差可以计算出硅片的 倾斜量“ 离焦量和倾斜量分开测量的传感技 术不仅可用于整场调焦调平!还适合 于逐场调焦调平“步进重复投影光刻机发展为步进扫描投影光刻机以后! 调焦调平传感器采用了多点测量的方式4*0!*65“调焦调平传感器如图 0?A所示!其单点高度测量原理#光强调制方式和原有的调焦传感器相同 !不同的是将调焦标记改进为狭缝阵列!在硅片上得到图 0?BC所示的测量点分布!利用多点的高度值即可计算出硅片的倾斜量“ 对应于调焦标记的变化!探测标记也相应地变成探测狭缝阵列!并采用光电探测器阵列接收光强“ 在信号处理中!从 !7 个测量点中选择 D 个测量点的数据计算硅片的平均高度和倾斜量!图 + “#$% 形成多波长测量3*24$ 9:; 产生的光束通过聚光镜% 光阑和准直透镜后成为平行光! 经过聚焦透镜和转折棱镜掠入射在 硅片上并聚焦$ 经过硅

4、片的反射和另一个转折棱镜 偏转以后!由一个透镜放大成像在位置敏感探 测器;?上$ 在三个照明条件下依地减小了单一波长照明情况下的层 间干涉效应$ 鉴于当时 =; 的不稳定性!引入了附加的 9:; 和成像系统形成标定光路! 消除了由于环境变化引起的 =; 中心测量位置漂移!从而提高了系统的稳定性$步进重复投影光刻机采用逐场调平技术后!其调焦调平传感器如图 ! 的重复调焦调平精度?“A“!“#$% 公司的调焦调平传感技术荷兰的 BCDE 公司是世界第三大光刻机生产厂家! 其调焦调平传感器采用了 FGH(HIJ 公司的技术“最初的调焦传感器原理如图 :27K所示?$%!$*A!激光束由透镜 * 聚焦在硅片上形成测量光斑!其光斑中心位于投影物镜焦平面内“ 聚焦光斑经过硅片的反射由透镜 $ 成像在两个光电探测器上 !探测器产生的光电流经过电路处理以后形成差动检测模式!即以两路信号的差值作为测量信号“ 硅片和焦平面重合时则测量信号为零!硅片偏离焦平面时测量信号2!K和离焦量2“K的函数关系如图 :23K所示!曲线的线形段即为离焦量测量范围“ 为了增加传感器的灵敏度! 将测量光路进一步改进为自准直式

5、光路!即在图 :27K中探测面上放置反射镜! 使成像光束原路返回并再次经过硅片后进入探 测器“ 为了适应投影物镜焦平面的变化! 在测量光路中插入了一块平行平板! 用于修正传感器的基准面“步进重复投影光刻机采用逐场 调焦调平以后!FGH(HIJ 公司发明了图 + ,(- .(/0/ 公司步进扫描投影光刻机的调焦调平传感器 $ ,*- 测量点分布图图 5?所示! 由透镜 “ 准直的激光束经过反射镜 “ 和透镜 0 倾斜入射在硅片上! 并在曝光视场中心形成聚焦光斑! 经过透镜 8 和反射镜 0 再聚焦在一维 ;A所示!准直激光束以一定的倾斜角度投射到硅片上!经过硅片反射后由透镜 1 聚焦!最后由透镜 B 放大成像在二维 ;? 公司早期调焦传感器的特点在于将激光束聚焦在硅片上形成测量光斑!并且测量光束两次通过硅片以提高传感器的灵敏度“ 在后来的调焦调平传感器中! 采用光栅作为投影标记很容易获得大测量光斑!能有效地平均硅片面形起伏和局部反射率变化“ 信号 检测中的莫尔计量技术是一种高精度的光学检测方法!并且采用偏 振调制技术使传感器对光强变化不敏感“ 参考光路的采用能补偿焦 平面的变化和传感器自

6、身的位置改变!提高了传感器的测量精度和机械稳定性“ 正是由于采用了一系图 基于激光干涉技术的调焦调平传感器图 %4( (:9 ?/=) !“#$% !4( (:9= N O 1! -4P82 G+ Q(=4R2 Q S (4= 4= P98T4=T2849D 4 9; 6P:3=P 52 *% =I 4= ?(H) 23“*. !245/ 0%*+ !V4=; H452P9882 52 P.?TI:;2= 54?2:;49:=) 23“*. !245/ *AJ#+ (#D *!AF*LA*% Q.H4 + cP4 ) X 4 5:(T?/T5:( (V(:=3 P/P9I) 23“*. !245/ *AJJ+ )“D 0#%F0#M * c X+ 4=494=: ) G2:d=94( 8P:9:= 9;9:=3 V:;e6f) c=:9 Q949P+ !LLJA!A*0 Q.d.R: + b4R4I9 Q+ ,:P P;4= 8P.2 P/P9I .P:=3 3TP) 23“*. !245/ 0%*+ !4( P/P9I 5 4 =H P9882) 23“*. !245/ *AJ#+

7、$“D LJFML*M 4H4P 4= 4884249.P 52 82;:P(/ 9;9:= P.254; 8P:9:= 5 4 84992= H452) c=:9 Q949P+ L*JAL#*# Y4I44 Y+ cd4H4 Q) Q.254; 8P:9:= 9;9:=3 I9 4= P;4=:=3 8P.2 I9 .P:=3 9 Q949P+ M%J*M*! *J S3.;2 b25 - W+ 1:P92?P - b N) 789:;4( :I43:=3 4224=3I=9 ;I82:P:=3 4= 89T(;92=:; 5;.P:=3T222 9;9:= P/P9I) c=:9 Q949P+ !JMM0M00* b:99RR Q+ 4( 5;.P 4= (V( P=P2 52 H452 P9882P) 9. :;. 0;$. )(;+,“-. = 12:=R N O+ Q9(24:g2 - N S+ U:=2P G S) 7V2(4/ 4= 5:( ?/ 5:( (V(:=3 := H452 P9882P .P:=3 4= 4V4=; I92(3/ P/P9I) 23“;. 0245/ *AA0+ #%$4= P/P9I H:9) 23“;. 0245/ 0%*+ !92 52 P.?T4 Y+ X4=4R4 N+ X4=:I9 X) Z 5;.P:=3 H:94 Y+ ,4R4/4I4 Y (.P:=3 4= (V(:=3 ?4P = H452 P.254; 825:( 9;9:= H:9 :=9252I92/ 52 89:;4( (:93248/) 23“;. 0245/ *AA!+ “#)$D AJ%FAJA 0A 胡 凇+ 姚汉明+ 张 津 等) %)EL!I 投影光刻机的逐场调平技术和套刻步进模型) 光电工程+ *AAJ+ “*D !0F!M&

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