（电子科学与技术专业论文）激光干涉纳米光刻样品定位技术与系统的研究.pdf

摘要 近年来，激光干涉纳米光刻被日盏广泛的研究和使用在周期，准周期微纳表面图 案的生产制造中。在激光干涉纳米光刻中决定光刻图案和曝光面积的因素有很多， 包括光束入射角、空间角、入射位置、偏振态、相位、光强等。在激光干涉纳米光到 系绩中样品定位环节尤其重要，这方面的工作包括：l 使用高精度、大行程的样品 定位平台完成多次曝光增加光刻点密度( 插补) 和增加光刻面积所需的运动：2 在特 定的样品定位技术控制下完成光束入射姿态的检测及校正，光束入射姿态包括光束相 对于样品的入射角、空间角及入射位置，它们直接影响光刻图案和曝光面积。 本文讨论的是激光干涉纳米光刻样品定位技术与系统基于激光干涉纳米光刻中 样品定位环节的工作内容，研究包括两方面：l 设计了一种在行程、定位精度等各个 方面都可以满足激光干涉纳米光刻要求的样品定位平台：2 首创了一种基于光斑检测 的样品定垃技术。通过理论分析、计算机仿真及应用实验、验证实验等一系列实验， 验证了此样品定位技术在对光束入射姿态的检测及校准中有很好的精度和重复性，可 应用到实际的激光干涉纳米光刻中。 关键词：激光干涉纳米光刻样品定位技术样品定位平台光束入射姿态光斑 检测厦校准 a b s t r a c t l a s e ri m e r f e r e n c en a n d i t h o g r a p h ) h a sb e e nd m e l o p e da r du s e df o rm i c r oa n dn a r l o m a n u f a c t u r i n go fp e r i o d i c a n dq ta s i - p e r i o d i cs u r f a c ed a n e m si nr e c e n ty e a r si nl a s e r i m e r f e r c i i c c n a n o l i t b o g r a p h 5 an u m b e rc fp a r a m e t e r s a nteu s e dt od e t e r m i n et le l i d m g r a p h yp a t t e r na r de x p o s u r ea r e a i n c h i d i rg t iei n c i d e n tp o s i t i o ni n c i d e n ta n g l e ，s p a c e a n g l e rh a s e p o l a r i z a t i o na n c ii l ；1 1 1i n t e n s i t yo f 十e a m se l cs m n p l ep o s i n o i n n gp 吣sa n i m p o r t a n tm i ci nol a s e ri n t e r l ) r c n c en a n o g t h o g r a p b y ”s t e n _ lt h e r ea r em ol a s k s “s a m p l e p o s i f o n i n gi n l a s e ri n t 矾r e n c en a n o l i f l l o g r a p h y ：1 u s i n g 【1 1 es a n l n l 。p o s i t i o ri n gs t a g e u h c h1 1 1 si mgi r | t 、dg r a d1 1 1 0 ha c c u r a c yi ) a c c o m p l i s hm o v e m e n t sf tri n c r e a s i n gi h cp a t t o m d c n q t 3l i n t c r p o i n t i n n ia n da r e a ；! a c c o m p l i s h i n gt h em e a s u r e m e n ta n da l i m e n tf o rb e m i n c i d e n tg e s t u r e sb ) ra r t i c u l a rs a m p l ep o s i t i o n i n gl e c h n i q u e s t h ete a mi n c i d e mg e s t u r e s i n c l u d e t i e i n c i d e n tp o s i t i o n i n c i d e n ta 1 1 9 l es p a c e “g i ec f t h e te a m s w h k hd i r e c t l ya f f e c t 【1 1 cl i t h o g r a p h yp r o t e i nmde x p o s u r ea r e a t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st ies a m p l ep o s i n o r i n gt e c h n t l u g ya n d 孙s t e l l li nl a s e r i n t c r l j r e n c en a n o l i i n o g r a p h 3b a s e do ni h c1 、ut a s k so rt h c 蛆m p l er o s i m n i n gi nl a s e r i n t c r l ) r c n c cn a n o l h b o g r a p h ：, t h ef o l l i n gs t u d kau e i ed ln c ：1 d e s i g n o laja m p l e p o i u o n i n gs t a g e 1 1 l c hc a n m e e t 山cr c q u l r c m e m so l t h e l a s e im t 。r j c r e l l c en a n o l i l h o g r a p h 3 ： 2 d “c l o p m e n to fan e wx a n l l kp o s i n o n i n gt c c h n o l o g x b a s e dl ) n l i g h i p o td e t e c t i o n f h m u e bt h e o r e t i c a la n a l v s l s o m p m e rs i m u l a l i o na n das e r i e s 酊c x p c r i m e n t si t1 5v e r i f i e d f ia t 【h c , a m p l e p o s i t i o n i n gl c c h n o l o ：、h a sg o o dp l v d s i o n a 1 1 d r e g e m a ti l i e , i n t h e m e a s u r e m e n tmda l i g r t m e n tf c rna mi n d d e n tg e s t u r e s , a n d c m lh cu s e di na c t u a ll a s er i n t e r t ) r e n c cm m l i m p r a l l h 、 k e v w o r d sl _ i l s e l b e a mi n c i d e mg e s t u r ei l u i ns d o ii l l e a s u r g m e r l ta n da l i g n m e n t 目录 摘要 a b s t i c a c t 目录 第一章绪论 1 】光刻技术的发展现状 12 微定位平台的发展现状及在光刻中的应用现状 l 3 样品定位技术的研究现状 14 研究内容与结构安排 第二章激光干涉纳米光刻 21 激光干涉纳米光刻简秆 22 激光干涉纳米光刻原理 第三章激光干涉纳米光刻样品定位平台的设计 31 样品定位平台的性能分析及整体设计 32 六自由度压电陶瓷微定位平台的设计 11 致动器安装结构设计及分析 322 传感器安装结构设计及分析 323 压电陶瓷致动器的控制分析 3 24 前置参考模型的分析及选取 32 5p i d 控制策略的分析及选取 第四章激光干涉纳米光刻中样品定位技术的理论研宄 4l 激光干涉纳米光刻中样品定位技术的原理 42 双光束激光干涉纳米光刻中理想光束入射情况分析 43 双光束激光干涉纳米光刻中存在误差的光束入射情况分析 4 3i 入射角误差 32x 轴上的入射位置误差 4 3 3x 轴上的入射位置误差和入射角误差同时出现 434x 轴上的a 射位置误差和y 轴上的入射位置误差同时出现 405 空间角出现误差 4 36 四自由度同时存在误差 第五章计算机仿真及方法局限性分析 jl 计算机仿真分析 52 方法局限性分析 第六章激光干涉纳米光刻中样品定位技术的实验分析 6l 样品定位技术在艰光束激光干涉纳米光刻中的应用实验 62 校准过程重复性验证实验 h o ，0 o；一o m他伸班n丛孙掷盯引l蛊蚰如 63 检测精度的验证实验及相关分析 第七章结论及展望 71 样品定位技术的研究结论 72 样品定位技术及激光干涉纳米光刻系统的未来展望 致谢 参考文献 ， 一 发表文章 申请专利 蛎盯盯盯蚰蚰肌肌 11 光刻技术的发展现状 第一章绪论 作为微电子技术的标志，集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i li c ) 的发展日新月异。自 7 0 年代l c 诞生至今，短短几十年，经历丁从小规模到超大规模和特大规模集成电路的 发展阶段，其进步得益于微细加工技术的迅速发展。微电子技术能否继续按m o o r e 定 律预测的规律继续发展下去在很大程度上取决于光刻技术能否提供相应的技术支持， 因为特征尺寸的缩小主要蔽赖于光刻技术的改进和发展。光学曝光技术经所了从接触 式曝光、接近式曝光、分步重复投影式曝光到目前的扫描投影式曝光，光刻技术本身 也不断发展，出现了诸如提高光刻分辨率和改善工作焦深的新方法：相移掩模( p s m ) 技 术、离轴照明( o a i ) 技术、光学邻近效应校正( o p c ) 、驻波效应校正( s w c ) 、表面成像多 层抗蚀剂技术、空间滤波及其它波前工程技术： 因为集成电路的更新换代有赖于光刻技术的发展，所以对每一代集成电路技术都 要研发一代特定的光刻技术。投影曝光光刻系统是目前微电子领域的主流设备相继 出现了g 线、h 线、i 线光源及k r f 、a r f 、f 2 、a r 2 等准分子激光光源其曝光工艺是 1 c 制造过程中最为重要的工艺步骤之一在此技术努力燕破分辩率“极限”的同时， 下一代光刻技术( n e x tg e n e r a t i o n1 i t h o g r a p h x , g l ) 的研宄在近几年内迅速升温 其中包括：x 射线、电子柬、离子束，极紫外、纳米压印等技术 1 2 微定位平台的发展现状及在光刻中的应用现状 撇定位平台作为样品定位平台被广泛使用在i c 芯片光刻制造中样品定位平台的 定位精度是光刻机实现光刻标准线宽、获得高质量光刻图形的首要条件决定了光刻 机最终的光刻分辨力有咀下几种类型：步进电机( 伺服电机) 定位平台、普通直线 电机定位平台、气浮定位平台、磁悬浮定位平台、陶瓷电机定位平台、压电陶瓷( p z t ) 定位平台。 步进电机伺服电机) 定位平台由于要通过丝杠来将转动运动转化为直线运动， 这就限制了平台的分辨率 f ! 难做到1um 以下也就限制了平台定位精度很少超过1u m ，在高性能光刻机中应用较少。_ 妁者对比，伺服电机定位平台在高速运动性能、低速 运动性能和过载能力上要优于步进电机定位平台。 直线电机相当于一个被展开的步进电机直线电机的初级和次级相当于步进电机 的定子和转子具有更高的动志啊应能力和优良特性：直线电机的运动是离散运动即 一个分辨率接一个分辨率运动理论上直线电机的分辨翠是无限的，取决于脉冲信号 的处理能力。但由于摩擦、离散运动控制、微形变、运动惯性、控制理论模型误差等 问题在普通直线电机定位平台的实际产品中直线电机分辨率一般很少小于2 0 n m 定 位精度一般在亚微米级。 气浮定位平台和磁悬浮定位平台也使用直线电机作为致动器但由于分别采用气 浮支撑和磁悬浮支撑电机的初级和次级不接触，各方面性能都有提高。气浮导轨具 有以下优点：摩擦系数和摩擦力矩很小、可在最清洁的状态下工作、具有冷态工作的 特点、运动精度高、寿命长、可以在很宽的温度范围和恶劣环境中工作、能够保持很 小的间隙其基本原理是：空气通过节流孔进入导轨间歇，由于此时经过节流孔的空 气气压与大气气压存在一个气压差，空气会通过导轨边的小孔流向外边。这个流动的 气流就形成了具有一定刚度的气膜可以托起所搭载的物体。从实际产品看，在定位 精度上，气浮定位平台一般会优于普通直线电机平台一个量级。i t 在扫描光束干涉光 刻s b i l ( s c a n n ln gb e a mi n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y ) 中使用的就是r o c k w e l l 的气浮 定位平台m g t3 0 0 l + 行程3 0 0 m m ，重复定位精度 e 时不使用 积分校正环节】控制策略只采用比例校正环节p 和撇分校正环节d ：当误差函数e ( t ) e 使用适合强度的p i d 控制，数学模型可表示为公式( 1 6 】，其中闽值p 需根据具体压电 陶瓷致动器的测试来分析获得； u ( k k ， e ( k ) + 皂【e ( k ) 一e f k 一1 ) e ( t ) ) e k “e 【k ) + 扣+ - - - d e ( k ) e ( k - 1 ) ”( 1 】c e ”“ 第四章激光干涉纳米光刻中样品定位技术的理论研宄 41 激光干涉纳米光刻中样品定位技术的原理 上文激光干涉纳米光刻的介绍中提到影啊激光干涉纳米光刻结果的因素有很多， 其中有关于样品定位的参数有三个分别为光束相对于样品的入射角、空间角和入射 位置，三者统称为光束入射姿态。所以在这里，样品定位技术可以称之为光束入射姿 态( 入射角、空间角和入射位置) 检测及校准的方法。高教的样品定位技术可以使光 束相对于样品的入射姿态选到预计的理想值，保证了光刻图案及曝光面积符合设计。 本文提出一种基于光斑检测的光束入射姿态检测及校准的方法( 样品定位技术) 基本思路就是使用c c d 获取入射光在样品表面形成的光斑图通过计算机进行图像处 理，我们可以获得光斑的形状、位置等参数。通过光斑的基本参数来推导出入射光相 对于样品表丽的入射姿态( 入射位置、入射角、空间角) ，并和预计的理想情况对比来 确定入射误差，系统对已知误差进行相应的调节，最终使激光干涉纳米光刻中的光束 入射达到预计的理想入射。下面通过单光束入射分析来给出这种方法的具体原理。 z 、 l 一1 一s u a c 厂了7 _ 7 1 。l 一 一厂一一慧 一严+ 1 t 4：j 目41 激光干涉纳术光刻中光束入射示意圉 我们在激光干涉纳米光刻的样品表面建立三维坐标系，如图4 - 1 因此任何一束入 射光l 都可咀被4 个自由度( x ，y ，0 ，) 来描述：x 和y 是光束在样品表面形成的光 斑的中心在x 轴和y 轴上的坐标：e 是光束入射角：q 是光束空间角设光束l 在样品 表面的投影为l 则q 等于x 轴顺时针到l 的角度因此0 0 _ c t 3 6 0 0 。 当光束l 垂南入射在样品表面时如图42 则描述光束l 的4 自由度( x ，y ，0 ， d ) = 慨，y 。0 ，( ”。因为光束的形状为圆柱体，所以光束在样品表面行程的光斑g 为 圆形。假设圆柱体光束的半径为1 1 则光斑g 的表达式为： l x x t 、) + ( ) 一) nj 。k - ( 17 ) 当光束入射角oo ( i 、空间角q = 0 时如图 43 则描述光束l 的4 目由度( x ，y 0 ，“) = 【x ，、。0 ，0 。光柬在样品表面行程的光斑( - 为椭圆椭圆的短半轴与、轴 平行且长度br ：椭圆的长半轴与x 轴平行且长度a ：擘。则光斑g 的表达式为： c o s h ( x x “) 二c o s ：en + ( y y ) 二= r ： ( 1 8 ) 当光束入射角0 - 0 0 空间角a = q 0 时，如图4 - 4 ，则描述光束l 的4 自由度( x 、，0 ，q ) = ( x 。y 0 ) ：光斑的表达式为： i ( x x 。) c o s a | + ( ) 一y 。) s i n d o 】：c o s ：0 0 + 【( x x 【_ ) s i n q f 一( j 一) 。) t o m _ _ ：= r ： 1 9 ) 上面蛤出了光斑与描述光束的4 自由度之间的关系，所以在激光干涉纳米光刻中， 我们可以通过检测光斑的基本参数来计算出光束4 自由度即光束相对于样品表面的入 射姿态( 入射位置、入射角和空间角) 。 圈4 - 2 单光束垂直 射示意图 图4 3 凡射角为o 的单光束入射示意图 厂7 ， c j ， ， o 一l 二j 圈4 4 入射角为0 、! 问角为。的单光束入射示意图 42 双光束激光干涉纳米光刻中理想光束入射情况分析 积光束激光干涉纳米光刻的光刻图案为条纹条纹参数包括：条纹周期和条纹倾 斜度。如果我们需要周期p = 击的条纹，l 是入射光波长，则理想情况下取光束激 一j i l l 口， 光干涉纳米光到的光束八射为图4 - j 所示( x y 0 。，m ) 是入射光l l 的4 自由度， ( x y ，0 - ，av ) 是入射光l 2 的4 自由度，因此o - 0 - 0 ：x 一，v _ 、 a ，= 旷q = 1 8 0 。 光斑g 1 = g 2 的表达式为公式r 1 8 ) 曝光面积s ：娄，条纹倾斜角是o 。本文取条 c 纹在逆时针的倾斜角为正。 “ “ m 一7 2 吐 、。墨j 7 净、 、 。j ： 、7 圈45 双光束澈光干涉纳米光剖中理想情况光束入射示意图 如果我们需要周期为p 2 三三、条纹倾斜角为p 的条纹则理想隋况下双光束激 光干涉纳米光刻的光束入射为图46 所示，因此e 一= 0 ：x = x 。、一：“= 1 r ( ) 。+ b ，= b 。 光斑g 1 2 ( ；2 的表达式为公式t 1 9 j ，曝光面积s = 三鬟，条纹倾斜角是p 图卜5 双光束激光干涉纳米光刮中景致为倾斜条纹的理想情况光束入射示愚图 43 双光束激光干涉纳米光刻中存在误差的光束入射情况分析 当预计的双光束激光干涉纳米光刻结果为：p = j 三石的条纹，i 是入射光波长： 条纹倾斜角1 3 = 0 。：曝光面积为最大即两光斑完全重合。则在理想情况下双光束入射 4 自由度x = x ，v ：空间角= 1 8 ( 1 。，a = ( ho 一，- 0 下面分析当光束入射姿态即光 束入射4 自由度出现误差时对光刻结果的影响。 4 31 入射角误差 如图4 7 ，当光斑中心坐标x 一，y - y ：空间角q - 1 8 0 。，a - 0 。但入射角存在误 差o 柏瑚。此时，入射光【1 的光斑g 1