（物理电子学专业论文）相位光栅对准技术研究.pdf

摘要 随着光刻机技术水平的提高，特征线宽的尺寸减小到纳米级，对光刻机对准系统 提出了更高对准精度的性能指标。本论文首先介绍了各种相位光栅对准系统的原理和 特点；接着阐述对准信号以及系统中影响对准信号的因素：其次分析影响相位光栅对 准标记衍射效率的主要因素槽深、占空比和反射率；最后通过建立相位光栅对准标记 非对称变形的计算模型，分析标记的各级衍射效率和对准误差：并把本文所得结果与仿 真软件结果进行比较，两者得到了很好的吻合。 本课题有较重大的研究意义，为分析变形标记的衍射效率和对准误差提供了计算 分析模型，为提高对准精度提供了依据，具有一定的实际意义。 关键词：相位光栅对准标记对准信号衍射效率对准误差离焦倾斜 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y , a l i g n m e n tl i t h o g r a p h ys y s t e m sw i t h n a n o m e t e rc r i t i c a ll i n e w i d t hd i m e n s i o nr e q u i r eh i g h e ra l i g n m e n ta c c - - i i a c v i nt h i st h e s i s t h e p r i n c i p a la n df e a t u r eo fs e v e r a lp h a s eg r a t i n ga l i g n m e n ts y s t e m sa g ei n t r o d u c e df i r s t l y ； a l i g n m e n ts i g n a lo fp h a s eg r a t i n ga l i g n m e n tm a r ka n dt h ef a c t o r so fi n f i u e c eo fa l i g n m e n t s i g n a la r ea n a l y s e ds e c o n d l y ；t h i sp a p e rs t u d i e sa n dc o m p a r e st h r e em a i nf a c t o r sw h i c h a f f e c tt h ed i f f r a c t i v ee l l o ro fa l i g n m e n tm a r kt h i r d l y ；a tl a s t b yb u i d i n gaf o r m a t i o nm o d e l o fc a l c u l a t i n ga n da n a l s i n gt h ea s y m m e t r i cm a r lt h ed i f f r a c t i v ee f f i c i e n c ya n da l i g n m e n t e r r o 体o ft h ea s y m m e t r i cm a r ka r es t u d i e d t h er e s u l t so ft h ep a p e ra r ei na c c o r dw i t ht h e d a l a so ft h ee m u l a t o r i ng e n e r a l ，t h i ss t u d yi ss i g n i f i c a n t i to f f e r sam a r kd e f o r m a t i o n m o d e lf o rs t u d i n gt h ed i f f r a t i v ee f f i c i e n c ya n da l i g n m e n te r r o r s w h i c hi sl e a s i b l ca n dh e l p f u l o fi m p r o v i n ga l i g n m e n ta c c u r a c y p h a s eg r a t i n g ；a l i g n m e n tm a r k ；a l i g n m e n ts i g n a l ；a l i g n m e n te r r o r ；, d i f f r a c t i v ee f f i c i e n c y ；f o c u s ；t i l t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文相位光栅对准技术研究是本人在 指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 峄办孚日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签 蓉 1 1引言 第一章绪论 微电机系统与微光学器件相结合的巨大成功引发了一场科技革命，导致了半导体 激光器、集成电路和未来的集成光子器件的超高集成度。在经济全球化、信息化的今 天，集成电路产业无疑是影响国家经济、政治和国防安全的战略必争产业。光刻技术 是大规模集成电路制造技术和微光学、微机械技术的先导和基础【i 在2 0 0 0 年修订的国际半导体技术规划发展规划中表明2 0 0 7 年的6 5 n m 技术节 点是主流光刻技术，4 5 r i m 将是世界i c 产业在2 0 1 0 年的工艺节点，2 0 1 3 年的3 2 n m 工 艺将成为主流，2 0 1 6 年的2 2 a m 工艺将主导i c 产业的发展0 3 。光刻对准在光刻机系统 中占据着十分重要的地位，其对准精度和对准速度决定了产品的质量和生产率。无论 何种曝光方式都存在对准问题。随着光刻分辨率不断减小到亚微米数量级时，考虑影 响套刻对准精度的因素更多，框架结构更复杂，研究和探索高精度的对准方法必然难 度加大，因此研究高精度的光刻对准技术势在必行“1 。 1 2 光刻对准技术研究进程 随着集成电路特征尺寸的特性线宽逐渐细化，对高精度光刻技术提出了更高的要 求。在过去十多年的光学光刻技术和非光学光刻技术的稳步发展过程中，光刻分辨率 经历了从2 0 岫，5 u m ，1 岫，0 5 岫，0 3 5 岫，0 2 5 岫，0 1 8 蛐到0 1 帅，甚至到目前的 6 5 m m ，对准的套刻精度也随之稳步发展，并出现多样化的对准系统“1 。为了使分辨率 持续保持这样速度发展即摩尔定律( m o o r e sl a w ) 旧，对准精度必须紧跟分辨率的发展， 才能满足半导体设计的要求。 光刻对准技术随光刻技术水平的提高而得到了长足的发展，由最初的明场和暗场 发展到如今的干涉全息，外差干涉对准和混合匹配粗、精对准技术。1 。目前，高精度光 刻设备所采用的对准方式主要有几类：基于明、暗场对准，光栅衍射对准和视频图像 处理。光栅衍射对准有激光外差对准，纳米全息对准，相位光栅t t l ( t h o u g ht h el e n s ) 对准，a t h e n a ( a d v a n c e dt e c h n o l o g yu s i n gh i g ho r d e re n h a n c e da l i g n m e n t ) 离轴 对准方式，s b a ( s m a l lb e a ma t h e n a ) 对准和s m a s h ( s m a r ta 1 i g n m e n ts e n s o rh y b r i d ) 对准【”。 实际工程中，对准就是消除一切影响对准的误差源，其主要分为两大类：工具产 生的误差源t i s ( t o o li n d u c e ds h i f t ) 5 j 和硅片产生的误差源w i sfw a f e ri n d u c e d s h i f t ) 扣j 。误差来源于设备的对准精度、工件台和掩模台的重复定位精度、系统畸变、 信号处理、周围环境因素变化、模层厚度及其材料、光刻工艺本身、对准标记以及对 准光源、光刻胶的不均匀、棱镜变形、c c d 的非线性等，将导致不同位置的对准标记 的非对称性，大大降低了图层的精确对准。目前典型的光刻机厂家对准方法和对准精 度如表i - i 所示i ，j 。 国外在光刻机方面起步和发展较早，目前国外各大光刻机厂商( a s m l ，n i k o n ， c a n o n ，h i t a c h i 等) 对准趋势是都在自己的对准基础上采用混合匹配对准技术，同时 在光学系统、工件台、掩模制造、材科信号处理等方面不断提高自己的对准技术。1 9 7 8 年美国g c a 公司推出了世界上第一台商品化的g 线分步重复投影光刻机一- - d s w 4 8 0 0 ， 其对准精度为0 5 岫。此后，日本的n i k o n 、c 细、日立，美国的s v g l 、荷兰的a s 札 等相继推出了水平较高、产量较大的产品。经过2 0 多年的发展，当前世界上批量生产 的集成电路产品是0 2 5 岫线宽的2 5 6 md r a m 和0 1 8 帅线宽的1 gd r a m 。2 0 0 1 年，a s m l 生产了套刻精度2 3 n m 的p a s 5 5 0 0 1 1 0 0 型光刻。2 0 0 0 年，c a n o l l 生产了套刻精度2 5 n m 的f p a 5 0 0 0 e x 3 型光刻机“。2 0 0 3 年，n i k o n 生产了2 2 n m 3 5 r i m 的n s r $ 3 0 6 c 型光刻 机。2 0 0 6 年英特尔公司已经量产6 5 n mt 艺产品，并开始试验4 5 r i m 工艺。2 0 0 7 年， 三星电子、英特尔等公司分别量产4 5 r i m 工艺产品。 表1 1 主要光刻机厂家的对准技术 公司 代表性光刻机型号对准方式套刻精度年代 g c ag c a 8 5 0 0 暗场( d f a s ) 2 0 0 n m n s r l 7 5 5 i 7 a l s a f i a l s a ：3 0 3 8 n m ( 2 0 0 3 ) n i k o nn s r 2 2 0 5 i1 2 dl s a f i a l i a f i a ：2 2 3 5 r i m ( 2 0 0 3 ) n s r 一$ 3 0 6 cl s m f i a l i a f p a l 5 0 0 t v 图像处理 1 9 8 0 c a n o n f p a 5 0 0 0 e x 3 2 5 n m2 0 0 0 p a s 2 5 0 0 4 0p g a ( t t l ) 8 0 r i m1 9 9 0 p a s 5 0 0 0 7 0 p g a ( t t l ) 6 0 h m a s m l p a $ 5 5 0 0 5 0 0p g a ( t t l ) 4 5 n m 1 9 9 0 p a s 5 5 0 0 i1 0 0 a t h e n a + t i s2 3 n m2 0 0 1 ) ( t 1 9 0 0 is m a s h1 0 r i m2 0 0 7 m i c r a s c a n s v g lm i c r s s c a ni ia x i 伽2 0 5 0 n m2 0 0 0 m i c r a s c a ni i i 我国在光学光刻技术研发方面起步并不晚，2 0 世纪7 0 年代中国科学院光电技术研 究所、原电子工业部第4 5 研究所、清华大学、浙江大学等单位研发了数值孔径o 2 9 的g 线投影光刻机。1 9 7 9 1 9 8 4 年我国最早研制光刻机b g - - 1 0 1 ( g 线2 胁) 和1 9 9 1 1 9 9 4 年研制的b g 1 0 1 j ( g 线1 5 1 m n ) 采用手工显微镜和硅片分别与基准标记对准的方 法，积累了初步的光刻机对准思想；1 9 9 0 1 9 9 5 年研制的b g 一1 0 2 ( g 线0 8 帅) 光刻 2 机采用“七五”预研成果高精度电视图像识别自动对准技术，进行了实用化技术研究， 各种工艺层的实际综合对准精度达到0 2 帅，满足了整机套刻精度的要求。1 9 9 6 2 0 0 0 年研制的b g 1 0 5 ( i 线0 5 姗) 光刻机采用激光扫描对准技术，检测对准标记的幅值， 并利用对准测量数据进行多种误差量的计算和补偿，对准精度达到了0 1 啪。中国电子 科技集团第4 5 研究所掌握了1 几同轴相位光栅自动对准技术的原理并进行了成功的 试验研究。中国科学院光电技术研究所与中国科学院北京微电子研究所合作研制的精 度0 1 t t m 实验室x 射线光刻对准系统已投入使用，为开展光刻技术研究和设备研制积 累了丰富的经验，奠定了技术基础m ，。 1 3 本论文研究的主要内容和意义 本论文就相位光栅对准技术进行了研究，首先介绍了各种相位光栅对准系统的原理 和特点；其次提出并阐述了两种相位光栅对准系统基本结构以及系统中影响对准信号 的因素；接着分析比较影响相位光栅对准标记的衍射效率的主要因素：槽深、占空比 和反射率；最后分析了由于工艺处理引起的相位光栅对准标记非对称变形后对准标记 的各级衍射效率和对准误差，并与仿真软件结果进行比较。 本课题有较重大的研究意义，着重结合我国1 0 0 r i m 光刻机的对准单元技术，从提高 对准精度的角度出发，对相位光栅对准标记的衍射效率、对准信号和对准误差详细分 析比较，为选择高对准精度的相位光栅对准技术提供了依据，具有一定的实际意义。 3 第二章相位光栅对准技术原理与特性分析 对准过程就是对准系统对硅片上的上一层( 或零层) 对准标记进行精确检测，检 测光学信号经光电转换输出到信号处理系统，经信号处理，最终准确识别并记录标记 位置：准确测量并记录本次光刻掩模标记位置；通过复杂的对准算法得到本次光刻图 形与上次图形之间的相对位置误差并进行修正的过程”1 。目前，高精度光刻设备所采用 的对准方式以相位光栅对准为主。相位光栅对准是指均匀照明的入射光照到相位光栅 型的对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的位置信息，多 级次衍射光以大角度从相位光栅型对准标记上散开，通过空阃滤波器滤掉零级光后采 集1 级衍射光，或者随着关键尺寸要求的提高，同时采集多级衍射光( 包括高级) 在 像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准标记中心位置“1 。现今相位光栅 对准分为：激光外差对准“”，纳米全息对准，相位光栅1 u r l 对准，a t h e n a 离轴对准方 式，s b a 对准和s m a s h 对准。 2 1激光外差干涉对准 2 1 1 概要 激光外差干涉对准( l i a ：l a s e ri n t e r f e r o m e t r i ca l i g n m e r n t ) 方式是利用两束 频率相差不大的激光束从两个方向照射硅片，在硅片上相干形成外差干涉条纹。干涉 条纹扫描硅片上对准标记发生衍射，特定级次的衍射光相干产生外差干涉条纹( 频率 为拍频) ，经光电探测和处理电路得到对准拍频信号，与来自参考标记的参考拍频信号 进行比较，根据两者的位相差得到硅片对准标记相对于参考标记的位置偏离量。l i a 对准方式适合于沟槽较浅的光栅对准标记或表面较粗糙的硅片。l i a 对准方式测量位 相，重复性高，对空气扰动和信号强度变化不敏感1 。 2 1 2 原理 图2 1 为u a 对准光路结构，h c n e 激光经声光调制后产生两束频率为f l 和f 2 ( 频率 相差很小) 的激光，经过分束镜b s l 分束，一部分光( b ，1 和b r 2 ) 经透镜l 1 以一定角度 入射到参考光栅上发生衍射，衍射光b r l ( + 1 ) 和b r 2 ( 1 ) 垂直参考光栅表面出射，重叠相干， 产生参考拍频信号s 耐。另一部分光( b - 和b 2 ) 经投影物镜入射到硅片对准标记上发生 衍射，同方向返回的衍射光重合相干，产生对准拍频信号s - ，s 2 和s 3 。通过测量对准信 号s 1 ，s 2 和s 3 与参考信号s i e f 之间的位相差o ，就可以得到对准标记相对于参考光栅的 位移量。 图2 1l t a 对准光路原理图 参见图2 2 ，入射的两束激光f 。和f 2 有一定的频率差( 同过塞曼分裂效应或声光调 制) 。当两束相干光b 1 、b 2 沿对准标记1 级衍射角方向入射时，在对准标记上发生衍 射。入射光b 1 和b 2 在硅片对准标记上的1 级，0 级和2 级衍射光( 即b 1 ( + 1 ) 和b 2 ( 一1 ) ， b 2 ( 0 ) 和b 1 ( - 2 ) ，b 2 ( + 2 ) 和b 1 ( o ) ) 分别相干形成3 组拍频干涉信号s 。，s ：和s s ，拍频均为 ，作为硅片对准标记的对准拍频信号。同理，入射光经过参考光栅后的衍射光形成 的拍频干涉信号，拍频也为，作为参考拍频信号s 。对准拍频信号和参考拍频信号 的光强信号亮暗交替以正弦形式变化，光电探测器接受光强信号，经过电路处理输出 正弦的拍频电信号，电信号的频率与拍频相同。通过比较硅片对准拍频信号和参考拍频 信号之间的位相差就可以得到硅片相对于参考光栅的位移量“”。 a l i g n m e n tm a r k h a 8 eg r b t i n g ) ii11111111 - 8 影i 2 l 上一k | i g n m e n tm a r k 图2 2 激光外差干涉对准原理 2 1 3 技术特点 l i a 光栅对准的特点： ( 1 ) 由于在较宽的照明区域，只有有限的空间频率分量被采集用于对准，因此表面耦糙 颗粒的影响就减少了，只处理与光栅标记相关的信息，所以l i a 比较适合于表面粗 糙的硅片； ( 2 ) 由于l i a 从较广的照明区域采集信息，而不是仅采集标记边缘信息，因此l i a 也适合 于沟槽较浅的对准标记和极低对比度的金属层： ( 3 ) 如果使用单色光照明，当对准标记的台阶高度或光胶层厚度满足相消干涉条件时， 对准信号的强度会变得很小甚至没有信号。因此，通过合适选择l 级和2 级衍射光， l i a 对准方式可以实现可靠的高精度对准： ( 4 ) l i a 使用光学外差干涉技术，所以即使对于较弱的信号仍可以保持较好的重复性， 信号强度变量在4 6 d b 范围内，重复性小于l o n m 。 2 2 纳米全息对准 2 2 1 概要 该对准系利用激光束照射硅片对准标记( 相位型光栅) ，在硅片上产生的衍射光相 互干涉产生莫尔条纹“”，经光电探测得到干涉条纹和相位光栅的位移量。它具有高信 嗓比，并且与硅片表面的光滑程度无关。 2 2 2 原理 图2 3 是纳米全息对准系统的结构图和对准原理图。光学模块主要包括掩模对准光 栅，一对f t 透镜，一个放在f t 透镜之间的空间滤波器，5 倍g 线投影透镜以及硅片对准 光栅。a r 激光器发出的光通过投影物镜照射到硅片相位光栅上，通过空间滤波器选择 1 级衍射光，滤去其他级次的光，在f t 透镜的像平面上产生干涉条纹。经硅片对准光 栅再衍射的两柬光重合相干产生莫尔条纹，并由位于f t 透镜外的光电探测器探测。通 过两个波前重组构造了一个理想的干涉仪。干涉条纹随振动镜的移动而移动，从而提 高对准信号的信噪比“”。 图2 3 纳米全息对准结构图和原理图 6 2 3 相位光栅t t l 对准 2 3 1 概要 该对准系统为t t l 对准方式，原理是将硅片对准标记成像在掩模对准标记上，通 过测量透过光强信号( 莫尔条纹位相) 直接得到硅片与掩模的相对位置关系“”。 2 3 2 原理 线偏振h e n e 激光束射入投影物镜c ，经投影物镜内的小反射镜反射，垂直照明硅 片对准标记，对准光栅发生衍射，各级衍射光沿原路返回，只有1 级衍射光穿过投影 物镜c 在掩模面相干成像并扫描掩模对准标记产生莫尔条纹。双折射平板b 把1 衍射 光分为偏振方向相互垂直的o 光和e 光，在掩模面就出现两组相互错位的正弦分布光 束，并且偏振态垂直。通过振幅型的掩模对准标记后，o 光和e 光的光强受到硅片和掩 模之间的相对位置影响。一部分经分束器反射进入电视监视器，另一部分入射到调制 器。检偏器a 只让一个方向的分量通过，滤掉垂直的分量，四象限光电探测器接收到 的光信号为交替通过的o 光和e 光信号。电路解调后，提取某一个电压对信号的切点 作为中断信号，由干涉仪读取硅片位置，确定对准点。1 ，如图2 4 所示。 图2 4 相位光栅1 1 l 对准原理图 2 3 。3 技术特点 相位光栅1 陀对准的特点： ( 1 ) 1 几同轴对准，使用四象限相位光栅对准标记： ( 2 ) 对准标记有两个光栅常数，提高对准捕捉范围； ( 3 ) 双远心光路，对掩模z 向的位置要求不高； ( 4 ) 使用空i 训滤波器，滤掉零级以提高信号对比度，滤掉高级次衍射光以增强工艺适应 7 性： ( 5 ) 对准信号调制，有利于弱信号探测，提高信噪比。 2 4a t h e n a 离轴对准 2 4 1 概要 a t h e n a 对准系统在光源部分采用红光、绿光双光源照射；并采用楔块列阵或楔板 组来实现多级衍射光的分离，在像面分别相干成像：红光和绿光的对准信号通过一个 偏振分束棱镜来分离：探测对准标记多级次衍射光相干成像后透过对应周期的参考光 栅的透射光强，在对准标记扫描过程中得到正弦输出的对准信号，由不同频率的信号 的位相信息获得对准标记的中心位置。 2 4 2 原理 照明光源为两个波长分别为5 3 2 n m 和6 3 3 n m 的红、绿线偏振激光器，激光束经 射频调制和准直后，分别经小棱镜及偏振分束器后通过双远心光学系统的前组镜入射 到硅片对准标记上，对准标记的衍射光再经双远心光学系统前组镜准直返回偏振分束 器，经过偏振分光后，分别进入红光、绿光两卜相同的分支光路。像面上放置有多周 期参考光栅，不同的光栅周期对应于不同周期的干涉条纹，通过光电探测器探测透过 参考光栅的光强，获得相应级次的对准信号。同时，一部分对准标记像进入到c c d 用 于成像监测。红光的光路与绿光结构相同1 1 4 1 一【1 7 1 。图2 5 给出了该对准系统原理图。 通过测量高级次的衍射光可以抑制标记不对称变形的影响，提高对准系统的工艺 适应能力；通过设计两种波长的对准系统可以消除相消干涉效应来提高整机对准的可 靠性。 2 4 3 技术特点 叠上。孽“ a t h e n a 主要技术特点是： ( 1 ) 离轴对准采用红、绿双激光光源照明，探测1 7 级衍射光，抑制干涉相消和对准标 记非对称变形的影响，增强工艺适应性； ( 2 ) 离轴对准激光相位调制技术，提高信号信噪比； ( 3 ) 采用双波长偏振分光技术； ( 4 ) 采用楔块或楔板组合，进行多级次衍射光的分离； ( 5 ) 采用增强型光栅对准标记，分别增强3 ，5 ，7 级衍射光的光强； ( 6 ) 对准光信号高频调制解调技术和相位探测技术。 2 5s b a 对准 2 5 1 技术特点 s b a 结构和原理与a t h e n a 基本类似( 如图2 6 ) 改进处脚： ( 1 ) 照明光斑更小，高斯光束的1 c 2 ，直径为6 0 1 z m 。 ( 2 ) 优化空间滤波器，仅让空间频率为1 6 肛m n 的频谱通过，各级次衍射光分开探测， 可以避免散射光窜扰，提高对准信号的信噪比； ( 3 ) 与a t h e n a 比，对硅片离焦和倾斜的敏感度降低5 倍，探测的动态范围提高1 0 倍。 2 6s m a s h 对准 图2 6s b a 对准原理图 2 6 1 概要 s m a s h 是一种基于自参考干涉仪成像的相位光栅对准，通过一个旋转自参考干涉仪 产生两个旋转9 0 度( 相对旋转1 8 0 度) 重叠的对准标记像恤1 ，在光瞳面探测重叠的 正、负衍射级的干涉信号，标记扫描时不同衍射级次的干涉信号强度以不同的频率变 化，根据各衍射级次干涉信号的位相变化得到对准位置信息“。 9 2 6 2 原理 基本原理如图2 一所示，光源发出空间相干的光束照明硅片对准标记，发生+ n 级， n 级衍射。衍射光经物镜准直进入自参考干涉仪【”】。自参考干涉仪输出的两个相对旋 转了1 8 0 度的重叠的对准标记的像，在光瞳面重叠，即这些像的傅里叶频谱面，重叠 的傅里叶频谱按不同的衍射级分离，形成干涉。光瞳面上的探测器探测相干的各级次 衍射光得到位置信息。 f a 哮c l i j 晡0 。i n u ) t d 哂e d i i t mc 2 。p a l i ) t f 1 吨 l c 雎 图2 7 基于自参考干涉仅成像的对准原理图 f ，一、3 图2 8 自参考干涉仪结构图 一3- 2- l0+l+2+3 6660666 i “一 【a 】 t 岫脚 p l a a e o p 3 + 3 - 2 , + 2 c p l ，4 - 1 0 0 司c 卜+ 1 ，一i + 2 ，- 2 司c + 3 - 3 m 图2 9 自参考干涉仪干涉原理图 1 0 图2 8 和图2 9 给出了自参考干涉仪的结构和相干成像原理嘲。参见图2 8 ，自 参考干涉仪由分束器和两个旋转棱镜组成，标记的衍射光入射到自参考干涉仪，输出 的两个相对旋转了1 8 0 度的重叠的对准标记的像，在光瞳面重叠，即这些像的傅里叶 频谱面，重叠的傅里叶频谱按不同的衍射级分离，形成干涉。光瞳面上的探测器探测 相干的各级次衍射光光强变化，得到位置信息嘲。 图2 9 显示了对准标记像重叠相干过程，入射衍射光斑为卜n ，旋转+ 9 0 度产 生第一个像，同时旋转- 9 0 度产生第二个像，两个像相对旋转1 8 0 度，重叠相干。通过 探测各级次的光强变化，由各级次光强峰值的重合得到标记对准中心位置1 。 2 6 3 技术特点 该对准系统具有如下技术特点： ( 1 ) 对准系统的模块化形式，前端单元和后端单元的分离，后端单元( 探测光路) 的结 构多样性； ( 2 ) 自参考干涉仪的两出射波面1 8 0 度旋转对称特性，使得对偶次像差不敏感，对硅片 离焦和倾斜不敏感； ( 3 ) 由于对准结构中没有参考光栅，所以标记设计较灵活，并且兼容现有技术的各种对 准标记； ( 4 ) 由于照明光斑较小，可以使用单一的高频、短光栅对准标记，适应非对称的对准标 记。使用高频率的对准光栅提供了改进的对准稳定性和精度：使用单一频率的短光 栅，减小刻线道的占用面积；通过测量衍射两侧两个位置处的光强能够测量对准标 记的不对称性； ( 5 ) 使用四个分立波长的激光光源，其中两个在红外区域，可以解决干涉相消导致的对 准信号衰减问题和低k 值的电介质在可见光谱范围的吸收问题。 第三章相位光栅对准系统 3 1相位光栅对准技术原理 均匀照明的入射光照到相位光栅上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标 记结构的全部信息啪1 。高级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器 滤掉零级和高级衍射光后，1 级衍射光形成干涉条纹得到正弦形式的对准标记的完整 信号，对准标记像随工件台移动扫描参考光栅，通过光电探测器探测得到1 级的对准 信号。如图3 1 所示。 i m a g i n g 。 弋无 中。7 。” 一 g r a t i n g ，j 塘柳，j k d o d g r a t i n gg r a t i n g m a r km a r k 图3 1 相位光栅对准原理图 3 2 相位光栅对准系统结构 w a r e r m a r k u a a g m g 图3 2 和3 3 分别给出了两种结构。利用硅片光栅对准标记的衍射光干涉信号进 行对准。通过两光束叠加相干，从中提取与硅片对准位置相关的光学相位信息。照明 光源采用激光照明硅片上周期结构的对准标记( 如相位光栅) 有利于产生足够强度的 对准信号“。另一方面通过采用多个激光波长可以抑制光刻胶厚度和标记沟槽深度 变化引起的相消干涉和信号强度衰减效应。本章采用图3 3 的相位光栅对准结构分析 对准信号。 1 2 图3 2 相位光栅对准系统结构图一 如图3 2 中所示，激光光束照射在一个相位光栅上发生衍射，透射的各级次衍射光 束经过透镜1 ，只有0 级和1 级衍射光透过，更高级次的衍射光被透镜的有限孔径所阻 挡；同时用空间滤波器遮挡掉0 级衍射光，则只有1 级衍射光通过透镜2 ( 沿透镜2 的 1 级衍射角方向) 对称照射在硅片的对准标记上发生衍射，其中入射光束1 的1 级和 入射光束2 的+ 1 级衍射光方向均垂直于对准标记表面，可以得到1 级入射光在硅片对 准光栅的衍射光形成的干涉条纹，条纹的位相信息与对准标记的位置信息相关。 图3 3 相位光栅对准系统结构图二 图3 3 所示的结构与上述的相反，照明激光经单模光纤耦合，然后经透镜1 准直照射 在硅片对准光栅上发生衍射，采集1 级衍射光，经透镜3 后对称入射到一个参考光栅 上发生衍射，1 级衍射光透过的透镜2 和透镜3 重叠干涉，产生与硅片对准位置相关的 位相信息。 上述两种结构中均为双光束干涉仪结构，都使用了第二个光栅，通过测量两束重 叠相干光束的位相差得到对准标记相对于参考光栅的位置信息；双光束干涉结构必须 确保在相干的两路光束中不能引入位相噪声。并且参考光栅对于确保对准信号的对比 度也是非常重要的。信号的对称性和强度都是相位光栅对准技术的主要考虑问题。 3 3 标记的对准信号 对准激光器输出激光光束通过硅片或工件台反射型相位光栅后，x 是激光光束波 长，p 是光栅周期，口是各级衍射光的衍射角。其衍射光束应满足光栅方程”1 ： s i n 0 , ”能 ( 3 1 ) ，r 如图3 4 所示，n 级衍射光在探测器前放置的参考振幅光栅表面上形成千涉。设z 。 为参考光栅表面上的位置坐标，设透镜l 和透镜2 的焦距都为，2 屯为土作级衍射光 在参考光栅表面的夹角，x 。为对准标记表面上的位置坐标，干涉图像强度周期p 由于 干涉成像夹角丸决定： 2 p ；一丸| 西n 垂。 。臃 彦舷。 、jji 、 、 、 、 、 1 、 、 l 透镜1r 叭饼。 k + 一 ( 3 2 ) 图3 4 对准标记的干涉图样 如果空间滤波器只让t n 级衍射光束通过，则从对准标记零点位置发出的n 级衍 射光束在参考光栅表面k 处的所形成的干涉图像光强为： ，) ，- + l + 2 ，。，+ 。c o s ( a 妒+ 死) ( 3 3 ) 其中为n 级衍射成像光束相位差，则式( 3 3 ) 又可化为： 小捣) ，一+ z 瓜叫等+ ) a ， 1 4 当标记位于h 处，在参考光栅表面处的干涉图像光强为： 眠川帆+ 瓴叫掣p + 1 ( 3 5 ) i1 只与丸相比，按照成像倍率r 缩小至1 r ，按照衍射级次和空间滤波器增大2 倍， 即吃- 2 戎r ，则： p 以寺 ( 3 6 ) ，- 丢( l 吐。) ( 3 7 ) 调制深度m 定义为研： 册磐 ( 3 8 ) l 。+ l 。， y 一。 式中，歹。和f 。为+ n 和一n 级衍射光束强度。 假设成像倍率为1 ，把式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 和( 3 8 ) 代入式( 3 5 ) 干涉图像强度 x ( x ，9 ) 又可表示为： m 川埘卜c o s2 a 侈p 。讣】 n 。， 相位光栅所形成的干涉图像透射通过周期为儿的振幅光栅后其光强为： 如，) 。云一，k ， 斗争阱十圳 。1 0 式中，p 为干涉图像强度周期；p 为相位光栅周期；p m 为参考光栅周期；l ( x w ，) 为 对准信号：k 为探测器前放置的参考振幅光栅位置：x 。为对准标记表面上的位置坐标； 为4 1 i 级衍射光的相位差；，为平均光强；所为调制深度。 参考光栅为振幅光栅，若取周期几= p7 ，则透过参考光栅的对准信号为： 咻咖士+ 孚叫锄和) 】 钮 在振幅光栅后面利用光电探测器测量光信号强度，可以得到相位光栅型对准标记 相对于振幅型参考光栅的位置信息。如果对准标记光栅结构对称，则纯- 0 和 m - 1 。当对准标记为矩形光栅结构且探测1 级衍射光的干涉图像，则式( 3 1 1 ) 变为： r1、1 j ( h ，) 2 f 1 1 + 三c o s l 轫生1 l ( 3 1 2 ) 【刀、p j 当工件台在开始扫描相位光栅标记前找到一个零点，此后工件台向某一方向扫描 移动，则衍射光束形成的标记像扫描参考光栅，如图3 5 所示，红色标记代表对准标记 像。灰色标记代表参考光栅。( a ) 为标记像开始扫描参考光栅时刻的示意图，( b ) 为标记 像扫描至参考光栅中心时刻的示意图，( c ) 标记像与参考光栅完全重合时刻的示意图， ( d ) 为标记像再次扫描至参考光栅中心时刻的示意图，( c ) 为标记像扫描完参考光栅离开 时刻示意图。设参考光栅中心为零点，标记像周期和参考光栅周期相同，参考光栅长 度为l 。 ( a ) ( c ) - - - - - - - - - - - - - - - - - + ( e ) 图3 5 对准标记像扫描参考光栅过程 当干涉图像最前端开始扫描参考光栅直至最前端扫描完参考光栅，即由图3 5 ( a ) 扫描至3 5 ( c ) ，对准信号为： m 砧甜，掣悖s 旧) 】 而当干涉图像的最前端扫描完参考光栅直至最后端离开参考光栅， 扫描至3 5 ( e ) ，对准信号为： ( 3 t 3 ) 即图3 5 ( c ) ，( m 掣忙c o s 愕) 】 c s 图3 6 的对比度为y - 2 万；此图成对称分布参考光栅距离零点相同距离处的扫 描后的信号强度值相等。当干涉图像与参考光栅完全重合时，该时刻的对准信号最强。 静 妲 坦 皿 标记坐标 图3 6 对准信号与标记位置坐标的关系图 3 4 离焦和倾斜的影响 当硅片位置不在理想物面上时，对准标记的轴向位置偏差引入的离焦量为，而 又存在一定的倾斜角一时，衍射角偏移加，如图3 7 所示。则对准位置偏移“”为： f i x m 2 a 日。 口 i t - 节荡平面 二辱记 i 星i3 7 对准标记离焦倾斜示意图 一啦 h；h 西 粕j - 考硷 量 如果标记的倾斜量为0 ，如图3 8 中( a ) 所示，由于对准光学系统通常为双远心光路， 对准位置应该不会受焦深的影响，但是离焦量会带来像方对比度的损失。如果离焦量 太大，探测器将无法感受光强或者无法分辨光信号的位相信息1 。如果离焦量为0 ，对 准位置本应该与倾斜量无关，如图3 8 中( b ) 所示。 实际工程中由于装配误差参考光栅往往也会出现离焦和倾斜的现象。如图3 9 所 示，图( a ) 表示标记离焦和倾斜的示意图，图 b ) 表示参考光栅离焦和倾斜的示意图。参 考光栅的离焦使信号能量衰减，而倾斜使得对准位置产生偏移。参考光栅的旋转产生 的位置偏移实际上可以相对看作对准标记倾斜产生的位置偏移。参考光栅的离焦和倾 斜为系统误差，可以通过系统校正校正过来。 标记 图3 8 对准标记离焦和倾斜图 参考光播 ( b 1 参考光栅 飞 i i l 飞么， ( m 图3 9 标记和参考光栅离焦和倾斜示意图 在对准扫描过程中，扫描位置的确定本不应该依赖于标记所处的离焦量和倾斜量。 严格来说，当标记处于最佳物平面上，扫描得到的位置不会因为标记的倾斜量不同而 发生偏移：而对于倾斜量为零的情况下，对准位置也不会因为标记的离焦量的改变而 发生偏移。但是当标记不在最佳物平面上，而又存在一定的倾斜时，确定的对准位置 必然发生偏移。如果位置偏差缸的范围被限定，大的离焦范围必然要求微小的倾斜量； 而如果标记的倾斜较大，则标记的离焦量不可能太大。当位置偏差超过了允许范围， 就要对光学模块硬件的倾角和位置进行重新调整。通常通过调焦调平测试来测定并校 准光学模块的倾斜量和最佳离焦量，并确定离焦量的动态范围。该测试完毕后，对准 位置将不会因标记的倾斜和离焦量的不同而不同。 3 5 光学系统像差的影响 基于相位光栅的对准系统实质上是一个双光束干涉仪，信号由1 级衍射光束的位 相差产生，两束光位相的对称变化和振幅的反对称变化对信号没有影响；反之，位相 的反对称变化会导致余弦对准信号的位置的偏移，振幅的对称变化改变信号的包络( 幅 值大小) 。相干的两束光位相和幅值的变化主要来自光学系统的像差，当采用非共光路 干涉时像差的影响尤其重要1 。理想干涉状态，即两相干光束的位相差仅仅由于硅片 对准光栅的位移引起的；两相干光束波面是理想的( 没有波像差) ：光电探测器得到 的正弦信号的对比度最佳呻1 。实际上，由于像差的存在会降低干涉条纹的对比度，使 得最小可测量的对准标记位移量变大。 一般在对准光学系统中存在以下几种像差： ( 1 ) 两相干光路中引入的恒定位相差像差将会引起正弦信号整体移动，但不影响对比 度，这一误差为系统性的，可以校正： ( 2 ) 两相干光束问的倾斜会改变正弦信号的周期，但通过对准校正，也可以消除： ( 3 ) 偶次项像差，如离焦和球差，在理想对称光路中，像差对两束光的影响是相同的， 可以相互抵消，但是像差会使亮条纹中的能量转移至暗条纹，从而降低对比度； ( 4 ) 奇次项像差，如彗差，是有害的，在两束相干光束中产生符号相反的波像差，在干 涉测量中引入一定的附加位相差，导致对准位置偏差； ( 5 ) 当实际光线折射后所成的像偏离理想位置，这样产生了像差。任何一个光学系统都 存在像差。在对准光学系统中分析像差对信号的影响并校正该像差。 因此，为了获得高性能的干涉对比度，两相干光束波面的波像差必须很小。同时， 必须避免在光路中引入相干噪声；并且参考光栅的周期必须与干涉信号的周期匹配以 确保对准信号的对比度。 1 9 第四章相位光栅对准标记衍射光强参数分析 在i c 工艺过程中硅片对准标记要经过氧化、涂胶、刻蚀、扩散、外延、蒸铝等工 序，不同层次光刻前的硅片对准将面临抗蚀剂衬底的不同，它们各具有不同的光学特 性，零层标记信号将产生较大的变化。本章将讨论影响衍射效率的主要参数：槽深、 占空比和反射率。本章只限于讨论对称结构的相位光栅型对准标记( 以下简称对准标 记) 的一级衍射光强。并运用o p t i f d t d ( 有限差分时域) 仿真软件来与标量衍射理论 比较。o i ? r i f d t d 基于有限差分时域( f d t d ) 算法，利用最先进的边界条件一单轴完美 匹配层，直接在时域内解m a x w e l l 方程，可以模拟光的传播、散射、衍射、反射和偏振 效应，此方法是基于矢量衍射理论模拟的。 4 1 一级衍射光强分布 根据光的标量衍射理论和相干原理可以推导出相位光栅型对准标记的一级衍射光 强分布为伽： 小4 。m s 血2 ( 击寸缸j ( 詈) ， 把口- 2 z ( 2 a ) x 代入( 4 1 ) ，得到： 小砉，o 2 ( 击寸抽22 z i d ) z ， 式中，为占空比，即相位光栅标记顶部与底部的宽度比；口为对准标记顶部与底部的反 射光的相位差：i o 为入射光信号强度 r 为对准标记光反射率；d 为槽深。 4 2 槽深的影响 经过氧化、涂胶、刻蚀、扩散、外延、蒸铝等工序处理后，原对准标记的相位深 度就发生了变化。最简单的工艺过程是在光栅对准标记表面涂上光刻胶层，在对准标 记上光刻胶表面的形状近似为正弦形状，而不是矩形”。 图4 1 和图4 2 分别是零层标 记的形貌和光刻胶覆盖下对准标记的形貌。图4 2 是光刻胶覆盖下对准标记的形貌，d 为槽深，h 为光栅顶部宽度，t 为光栅底部宽度，m 为光刻胶最大变化幅度，s 为光刻胶 变化最低点到光栅顶部的距离。 2 0 图4 1 零层标记的形貌 图4 2 光刻胶覆盖下对准标记的形貌 由式( 4 2 ) 可知，- 当s i n 2 ( h a x ) - 1 时，r p d 一4 时衍射光强最强。入射光波 长a - 6 3 2 8 r i m ，图4 1 中即d - 1 6 0 h m 时，衍射光强最强。当槽深偏离最佳深度2 0 时， 对准信号仅降低1 0 。 假设垂直入射情况下，光栅顶部与底部的反射光的相位差为： 口。4 z 6 ( 4 3 ) a 6 - 【忉+ 露( d + s ) 】一 埠m l - s ) 】一m + n d n m ( 4 4 ) 式中，6 为光栅顶部与底部的反射光的光程差；n 为光刻胶折射率；m 为光刻胶变化最 大幅度。 在此引入一个跟随因子，计算最佳槽深，设f m i d ，( 4 3 ) 变为： a 掣( ，+ 万一矿) ( 4 5 ) 在此选用的光刻胶( j s r - a r l 8 6 3 j ) 的折射率竹。1 6 9 7 【“，。o 5 。当口石时， 最佳槽深d 1 1 7 n m 。 由于光栅槽深对应最大衍射效率的最佳值和光栅槽深引起的光程差直接相关，所 以有工艺层后光