（物理电子学专业论文）激光投影光刻机光学对位技术研究.pdf

摘要 摘要 光学对位技术是光刻技术最重要的技术之一，其对位精度和速度一定程度上决定 了产品的质量和生产率，因此研究和探索高精度的光学对位方法尤为重要。 基于本课题组现有的激光投影光刻机进行了光刻实验，并且达到了预想成果：经 过显影后的p c b 基板的线宽为1 5 m ，边缘清晰，并且通过一系列的实验，找到了针 对本试验系统的最佳曝光条件：在距离激光定位工作台为$ c m 的位置上，通过激光投 影物镜系统的前提下，当激光器的重复频率为1 5 h z ，基板的曝光时间2 0 s ，显影时间 为6 0 s 以及显影温度为3 0 摄氏度可以达到最佳曝光。 由于现有的光刻系统缺乏光学对位系统，在现有条件基础上，自行设计并使用了 一套行之有效的光学对位系统，该光学系统的对位精度达到2 1 1 m ，可以实现x y z 三个 维度的调节。该光学系统的创新之处体现在不再采用机械方法进行自动调焦，而是利 用实验过程中总结的关于焦深及焦平面的规律对对位方法中的自动对焦算法进行了改 进。 结合现有的光学系统，选择光度型光学对位系统，选用同时刻有十字形对位标记 的基板和掩膜板，采用视频监测方案，并利用纯相位滤波器特性改进现有的光学对位 系统中自动对焦算法中焦平面判断函数，综合以上4 个要点提出了一整套与之相适应 的光学对位系统控制系统，可以有效的提高现有的光学对位系统对位精度。 关键词：激光投影光刻机；对位方法；焦深；纯相位滤波 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea l i g n m e n tt e c h n o l o g yi so n eo f t h e m o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nl i t h o g r a p h y i na w a y , t h ea l i g n m e n tp r e c i s i o na n ds p e e da l m o s td e c i d e st h eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo ft h e l i t h o g r a p h ys y s t e m t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n de x p l o r a t i o ni n t oah i g hp r e c i s i o na n dh i g hs p e e d o p t i c a la l i g n m e n ts y s t e mi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t b yt e s t i n gt h ee x i s t i n g l a s e rp r o j e c t i o np h o t o l i t h o g r a p h ys y s t e m , w eg o tt h eb e s t e x p o s u r ec o n d i t i o n s ：t h ee d g eo f t h ed e v e l o p e dp c bs u b s t r a t ei ss t i l lc l e a ru n t i li t sl i n ew i d t h r e a c ha t15 肛n l ；t h r o u g ht h el a s e rp r o j e c t i o nl e n ss y s t e m , a tt h ed i s t a n c eo f8c m 的mt h e l a s e rp o s i t i o n i n gt a b l et ot h eo p t i c a la l i g n m e n ts y s t e m , t h el a s e rr e p e a t 仔e q u e n c ya t15h z , s u b s t r a t e se x p o s u r et i m ea t2 0s d e v e l o p m e n tt i m ea t6 0sa n dd e v e l o p i n gt e m p e r a t u r ea t3 0 d e g r e e sc e l s i u s ，s u b s t r a t e sc a nr e a c ht h eb e s te x p o s u r ec o n d i t i o n o nb a s i so ft h i se x i s t i n gl i t h o g r a p h ys y s t e m , w ed e s i g n e da l lo p t i c a la l i g n m e n ts y s t e m i tc a nr e a l i z ea l i g n m e n t 舶mt h r e ed i m e n s i o n sa n di t sa l i g np r e c i s i o nc a nr e a c ht o2 p r o i t s s h i n i n gp o 硫i st h a tt h es y s t e mc a nc o m p l e t ea d j u s t m e n tw i t ht h el a wo ft h ef o c a ld e p t h , w h i c hc a nm a k et h i sm e t h o do fa u t o f o c u sf a s t e r c o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n gl a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ys y s t e m , b yu s i n gp h o t o m e t r i c o p t i c a la l i g n m e n ts y s t e ma n dv i d e om o n i t o r i n gs c h e m e ，p l u st h ep u r ep h a s ef i l t e ru s i n gt o i m p r o v et h ea u t o f o c u sa r i t h m e t i ci nt h ee x i s t i n go p t i c a ls y s t e m , w ep u tf o r w a r das e to f c o n t r o ls y s t e mt oc o n t r o la n dd r i v et h eo p t i c a la l i g n m e n ts y s t e m a n dt h i so p t i c a la l i g n m e n t s y s t e mb a s e do nt h ec o n t r o ls y s t e mc a ni m p r o v et h es p e e da n dp r e c i s i o no fo p t i c a la l i g n m e n t s y s t e me f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：l a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ys y s t e m ；a l i g n m e n tm e t h o d ；f o c a ld e p t h ；p u r e p h a s ef i l t e r 1 1 1 c o n t e n t s a b s t r a c t i i i c o n t e n t s v i i c h a p t e r lp r e f a c e 1 1 1s i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i s 1 1 2r e v i e wo f t h el a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ys y s t e m 2 1 2 1v r o j e c t i o nl i t h o g r a p h yo p t i c a ll e n ss y s t e m 2 1 2 2i l l u m i n a t i o ns y s t e m 3 1 2 3l a s e rp o s i t i o n i n gs y s t e m 3 1 2 4o p t i c a la l i g n m e n ts y s t e m 4 1 3e r r o rr e s o u r c eo fe x i s t i n gl a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ys y s t e ma n d i m p r o v e m e n tt e c h n i q u e s 5 1 4t o p i c so f t h i st h e s i s 6 c h a p t e r 2o p t i c a la l i g n m e n tt e c h n o l o g y 7 2 1i n t r o d u c t i o no f c u r r e n to p t i c a la l i g n m e n tt e c h n o l o g y 7 2 2i n t r o d u c t i o nt oa u t o f o c u sm e t h o d so f o p t i c a la l i g n m e n ts y s t e m 9 2 2 1t h eh i l lc l i m b i n gm e t h o d 9 2 2 2t h ef i b o n a c c is e a r c h i n gm e t h o d 10 2 2 3f u n c t i o na p p r o x i m a t i o nm e t h o d lo 2 3p r o b l e m o f c u r r e n t a u t o f o c u sm e t h o d sa n ds o m es o l u t i o n si oi t 1 l c h a p t e r 3r e s e a r c hi no p t i c a la l i g n m e n ts y e t e mo n b a s i so f a u t o f o c u sm e t h o d 12 3 1s y s t e m sf o rt h i se x p e r i m e n t 1 2 ：i 1 1i l l u m i n a t i o ns y s t e m 1 2 3 1 2p r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ys y s t e m 13 3 1 3l a s e rp o s i t i o n i n gt a b l e 13 3 1 4o p t i c a la l i g n m e n ts y s t e m 1 4 3 1 5m e t h o do f f i n d i n gt h eb e s te x p o s u r ec o n d i t i o m 1 5 3 2r e s u l t so f t h i se x p e r i m e n ta n dd i s c u s s i o n 15 3 2 1e x p e r i m e n tr e s u l t s 15 3 2 2t h e o r e t i c a le x p l a n a t i o nf o rt h er e s u l t s 1 6 3 2 3d e f i n i t i o ne v a l u a t i o nf u n c t i o n 1 9 3 3c o n c l u s i o n 2 0 c h a p t e r 4p h o t o m e t r i ca l i g m e n ts y s t e mo nb a s i so f t h ep u r ep h a s em a t c h i n gf i l t e r v n 广东工业大学硕士学位论文 2 l 4 1t y p eo f d e t e c t o ri nt h ea l i g n m e n tm e t h o d 2 1 4 1 1d i f f r a c t i o nc r r a t i n ga l i g n m e n ts y s t e m 2 1 4 1 2p h o t o m e t r i ca l i g m e n ts y s t e m 21 4 2t e c h n i c a lp r o g r a mf o rt h i se x p e r i m e n t 2 2 4 2 1o p t i c a ls y s t e mu s e di nt h i se x p e r m e n t 2 2 4 2 2v i d e om o n i t o r i n gs c h e m e 2 4 4 2 3a l i g nm a r k , a l g o r i t h ma n dp r e c i s i o no ft h eo f f - a x i so p t i c a ls y s t e m 2 5 4 2 4p u r ep h a s em a t c h i n gf i l t e r 2 6 c h a p t e r 5t h ef o r e f r o n to fa l i g n m e n ts y s t e mf o rt h el a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h y s y s t e m 3 0 5 1p r o b l e m sa p p e a r e di nt h ee x p e r i m e n t 3 0 5 2s o l u t i o n s 3 0 5 2 1t h er i c ef r a m e w o r ka l i g nm a r ka n dt h ex 、y 、o c o n t r a p u n t a lf r e e d o mc o o r d i n a t e s 3 0 5 2 2t oi m p r o v et h ea l i g n m e n ts y s t e mb ye x t e n t i n gt h ed e e p t h 3 2 s u m m a r y 3 4 6 1m a i nc o n t e n t so f t h i sm a s t e rd i s s e r t a t i o n 3 4 6 2o r i g n a lw o r ko f t h i sm a s t e rd i s s e r t a t i o n 3 4 m a i nr e f e l e n c e s 3 7 p a p e r sp u b l i s h e da n d p a t e n t sa p p l i e d 二。l l o r i g m a ls t a t e m e n t 4 3 t h a n k s 4 5 v i l l 第一幸绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 在半导体工业中，微平板印刷是在半导体晶片上印刷电路图案的工艺。目前激光 投影光刻( 光学平板印刷) 是半导体制造工业中占主导地位的技术。目前激光投影光 刻主要利用可见光至深紫外线光谱范围中的光对基板上的抗蚀剂进行曝光，未来有可 能会利用极紫外线和x 射线。在曝光之后，利用显影剂对基板进行显影产生浮雕图像。 在激光投影光刻中，首先使用电子束或激光束直写工具来写光掩膜板。用于光学平板 印刷的典型光掩模在一侧上包括六至八英寸的玻璃( 或石英板) ，该板的一个表面涂覆 有厚度约l o o n m 超薄金属层( 例如铬) 。将掩膜板图案刻蚀到该金属层，由此允许光透 射过。未刻蚀掉金属层的区域阻碍光透射。通过这种方式，可以将掩膜板图案投影到 半导体晶片上。 激光投影光刻指的是利用光学投影成像原理，将掩膜板上的图形以步进重复曝光 的方法将高分辨率的图形转移到涂覆了光刻胶的基板上的光学曝光过程。它可以比作 人们比较熟悉的照片冲印技术，有曝光跟显影过程。只是硅片替代了胶卷，电路图形 的掩膜板替代了底片。计算光刻分辨率的公式为：r = k a 朋，式子中，k l 为工艺 系数因子，入为曝光波长，n a 为投影物镜数值孔径。l i l 在半导体芯片、微电子机械系统( m e m o 、集成电路以及新兴发展的平板显示的生 产设备中，投资最大、也是最为关键的是光刻机，光刻机同时也是精度、难度最高、 技术最为密集、进步最快的一种系统性工程设备。光学光刻技术与其它光刻技术相比， 具有生产率高、成本低、易实现高的对准和套刻精度、掩模制作相对简单、工艺条件 容易掌握等优点，光学投影光刻是当今世界上超大规模集成电路制造生产线上应用最 广、技术进步最快、生命力最强的光刻技术。与此同时，平板显示器、笔记本电脑、 移动手机设备、太阳能等已越来越接近人们的日常生活，市场中随处可见这类产品已 逐渐成为市场热销品。然而，这些产品极少出自中国大陆及香港的设计，台湾也仅能 设计这类产品中的最低档的产品。市场疑虑是欧美及同韩产品的天下，或是他们在中 国的子公司或干脆是挂着国外品牌的中国货，我们所见到的国产品牌基本上也全部是 引进全套生产线生产出来的，或干脆是国外产品贴牌销售。出现这种现象的根本原因 是因为我们没有掌握到其中的核心技术。光学投影光刻技术的落后造成了我国企业应 广东工业大学硕士学位论文 变国际市场的能力差，缺乏竞争力。 本课题来源于广东工业大学重点项目“大面积激光投影曝光机的研制 ，鉴于前面 的师兄师姐们已经对于激光投影曝光机的照明系统、均束系统、激光投影物镜系统、 曝光机定位工作台有了一定的研究基础，激光投影系统也已经初步搭建完成【l 。本论 文主要就激光投影光刻机的对位系统做一定的研究探讨。 1 2 激光投影光刻机综述 激光投影光刻机是现在的主流光刻机，也是我们一直研究的方向。投影光刻机主 要包括投影光刻物镜、光学对准系统、照明系统和激光定位工作台等四大单元技术。 这四大单元技术与光刻机基本功能和主要技术指标密切相关，也是光刻机的主要技术 难点，能否在这四大单元技术上有所突破是提高光刻机整机性能的关键。目前高档光 刻机采用投影式的工作原理：准分子激光器作为照明光源；激光光束通过照明系统形 成部分相干、环形、均匀光束照明掩模台上的掩模；投影物镜将掩模精确地缩小成像 到光学平台上的基板上完成曝光；掩模与基板的光学对位系统则是由激光干涉测量精 密定位的掩模台和基板台，以及专门的光学对准系统来完成。m 1 2 1 投影光刻物镜系统 投影光刻物镜的功能是将掩膜板上的图形成像复制到涂覆在基板表面的光刻胶 上。然后经过曝光、显影、刻蚀，最终将掩膜板上的图形转移到及基板上。投影物镜 是光刻机的核心部件，决定了投影光刻设备的主要性能。就研究经费而言，比较先进 的投影光刻物镜所占经费达到光学投影光刻设备总成本的l k l 2 。 分辨率和焦深是影响投影光刻物镜性能的两个关键因素。光学系统的分辨率是用 来度量光学系统传递信息密集能力的。光学系统在单位面积上能够传递的信息量越大， 则表示其分辨率越高。通常用光学系统能够分辨的两个斑点的最小距离来表示其分辨 率。计算光刻分辨率的公式为：r = k 。ain a ，式子中，k l 为工艺系数因子，入为曝 光波长，n a 为投影物镜数值孔径。根据瑞利判断，光学系统的光焦面移动产生的波面 相差小于入4 ，光学系统的成像质量不会有太大的改变，由此推出光学系统在焦面上 移动的许可范围，即为焦深。焦深的表达式为) o f = 也五in a 2 ，其中k 2 是焦深工艺 因子。 2 第一章绪论 1 2 2 照明系统 照明系统的照明源为在u v ( 紫外线) 或d u v ( 深紫9 b ) 波长处工作的激光源。 照明系统的质量直接影响到光学投影光刻设备的质量，为了保证在基板上的曝光图像 能够达到一定的效果，对照明系统有一定的要求。 ( 1 ) 部分相干系数 照明光在成像物镜瞳孔直径与物镜瞳孔直径之比称为相干系数。当相干系数小于l 时，称之为部分相干。因为光能在整个瞳面上的分布会影响光刻成像。对于不同瞳面 上的光能分布( 如均匀的光能分布和高斯分布) ，获得最佳相干系数是不同的。在使用 相移掩膜情况下，不同的掩膜需要不同的照明条件。所以照明系统中的部分相干系数 应该可以再一定的范围内调整。 ( 2 ) 照明光束远心 通常光学投影光刻设备被设计成双远心结构。根据柯拉照明原理，照明系统也必 须设计成远心结构，以与投影物镜的远心入瞳相适应。 ( 3 ) 曝光量的控制和均匀度 曝光量的控制和均匀度会影响到投影曝光系统的特征尺寸。对照明系统而言，一 般要求基板上曝光量的变化控制在l 左右。另一方面，准分子激光器输出光束质量 好，直接经过透镜后会形成高能量光斑，很容易在复眼透镜的第二组复眼透镜上形成 光能的高度集中，造成期间损坏。所以在设计照明系统时，要保证光能在整个系统内 均匀分布，以延长器件寿命。 1 2 3 激光定位工作台 激光定位工作台的功能是实现快速步进、精确定位和大行程运动。其中步进扫描 的激光定位工作台的运动方式指的是使基板在一个方向做步进运动，另一个方向做连 续扫描运动。步进扫描激光定位工作台的主要功能归纳起来分为3 部分： ( 1 ) 通过步进重复或步进扫描曝光，实现大面积基板曝光；实现对位； ( 2 ) 实现逐场调焦调平。 3 广s y _ k 大学硕士学位论文 ( 3 ) 另外，在精密光刻设备中，基板工作台和掩膜台的选择十分重要，它决定了 精密光刻设备的精度和生产效率。而为了提高激光投影光刻的生产率，增大芯片面积 是常用手段之一，通常采用掩膜基板同步扫描技术，即物镜采用狭缝视场，掩膜板和 基板同步扫描，实现大面积曝光，从而提高生产率。 1 2 4 光学对位系统 准分子激光微细加工的器件一般在微米量级，从几个微米到上百个微米不等，人 眼无法辨别，在加工过程中不能通过人眼观察加工产品的质量，对加工过程中出现的 问题不能及时发现，很容易出现废品，有些器件需要加工精确定位孔，利用普通的方 法根本无法实现，另外微细加工系统焦深很短，需要确定加工面在竖直方向的准确位 置，现有的方法是每刻蚀一次，拿到显微镜下观察，循环往复，直到满意为止。因此 急需配套高精度的监控定位系统即光学对准系统。 光刻对准技术从最初的明场暗场对准发展到如今的干涉全息或外差干涉全息对准 技术和混合匹配及粗、细对准技术。对准进度由原来的微米级提高到纳米级，促进了 集成电路的发展。目前的高精度光刻设备所采用的对准方式主要有两类：光栅衍射空 间滤波干涉和视频图像处理。常见的对准方式如早期采用的离轴对准有双目显微镜对 准；共轴对准有t t l ( t h r o u g ht h el e n s ) 对准和双光束t t l 逐场对准；明场对准有 激光步进对准；光栅对准有莫尔条纹对准，激光外差干涉对准，全息对准。目前典型 的光刻机生产厂家的对准方法和对准进度见下表l s i g l ： 表1 1 典型光刻机生产厂家对准方法和进度表 t a b l e l - la l i g n m e n tm e t h o d so f m a i nl i t h o g r a p h ym a c h i n ec o m p a n i e s 公司代表性光刻机型号对准方式 对准精度r u n年代 g c ag c a 8 5 0 0暗场( d f a s ) 2 0 01 9 7 0 n s r l7 5 5 i 7 a l s a ，f i a 1 9 7 0 n i k o nn s l 毪2 0 5i 2 dl s a f i a ，l i a1 9 8 0 n s l o $ 3 0 6 c l s a f i a l i a2 31 9 9 0 c a n o nf p a l 5 0 0t v 图像处理1 9 8 0 f p a 5 0 0 0 e x 32 52 0 0 0 a s m 【lp a s 2 5 0 0 4 0 p g a ( t t l ) 8 01 9 9 0 p a s 5 0 0 0 7 0 p g a ( t t l ) 6 01 9 9 0 p a $ 5 5 0 0 5 0 0 p g a ( t t l ) 4 51 9 9 0 p a $ 5 5 0 0 l1 0 0a t h e n a + t i s2 32 0 0 1 4 1 3 现有激光投影光刻机误差来源及改进技术 现有的激光投影光刻机误差主要来源于以下几个方面0 0 l n l ： ( 1 ) 掩膜板可能因为自身的制造工艺并不“完美 。例如，掩膜上的拐角可能并 不锐利而可能是圆的；以及或者线宽可能与设计值有偏差，其中该偏差还可能依赖于 设计的线宽值和相邻图案，这些缺点可能影响最终的成像质量。针对掩膜板的这些缺 陷，荷兰a s m l 公司提出了修正瞳的r e t ( 可靠性强化实验) 技术，一般称为瞳滤光。 瞳滤光可以包括对于通过光束上的幅度和相位两者的调制。由于光的波长是有限的， 以及利用了比印刷在晶片上的线宽更短的波长的当前技术，在成像工艺期间典型的存 在显著地光干涉和衍射。这种类型的误差主要来源于掩膜板本身，因为试验中我们并 不会自身制作掩膜板，所以我们只需要根据我们的系统的误差来源，选择比较合适的 掩膜板来尽量减少误差。 ( 2 ) 由于平板印刷工具的高数值孔径n a 值，光的不同偏振提供了不同的成像属 性。为了更精确的对该工艺建模，可以使用基于矢量的模型。投影光学件可以使衍射 受限的。然而，投影光学件中的透镜子系统最为经常地并不是无安全“完美一。这些缺 点可以建模为像差，这些像差常常抽象为瞳平面处的一些不希望的相位调制，并且常 常由一组z e r n i k e 代表。在光最终到达晶片的表面后，它们将进一步与晶片上的涂层( 例 如光致抗蚀剂) 相互作用。在这点上，不同的抗蚀剂厚度、不同的抗蚀剂光学属性( 例 如它的折射率) 以及抗蚀剂下方的材料堆叠( 例如底部防反射涂层或b a r c ) 可能进 一步影响其自身成像特征。这些效应中的一些也可以通过瞳平面的调制来抽象化。当 抗蚀剂由该图曝光、以及随后烘焙和显影时，抗蚀剂趋向于经受复杂的化学和物理变 化。这种类型的误差属于不可抗性误差，而且影响也不大，试验中很难观察到，一般 我们都忽略他们。不过如果是进行数学计算，一般要考虑进去。 ( 3 ) 光学对位系统按照探测器可分为光度型对位系统和衍射型对位系统两类，而 按照对位方法又有爬山法，f i b o n a c c i 搜索法和函数逼近法等常见方法，判断基板的位 置是否正确对位又可以使用各种各样的清晰度判断函数来进行判断。这些不同的分类 方法可能会很大程度上影响光学对位系统的精度，甚至想象到激光投影光刻机的线宽 和对位精度。本文即是结合现有的准分子激光投影光学系统，来探讨最合适并行之有 效的光学对位系统，以便最大程度上优化现有的投影曝光机。 5 广东工业大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 本硕士学位论文拟作的独创性工作有： 1 对现有的激光投影光刻系统进行了光刻实验，观察经过显影后的p c b 基板的线 宽是否能达到预想效果。 2 由于现有的光刻系统缺乏光学对位系统，在现有条件基础上，自行设计一套光学 对位系统，尝试对位方法以及自动调焦函数评价函数进行改进。 本硕士学位论文的主要内容如下： 第一章先简介了激光投影光刻机系统，包括投影光刻物镜、照明系统、激光定位 工作台和光学对位系统，然后粗略分析了现有激光投影光刻系统的误差来源及现有的 改进技术。 第二章对通过介绍世界两大光刻机生产厂家的光学对位系统对现有的光学对位系 统进行了综述，然后从光学对位方法入手，阐述了几种比较常见的光学对位自动对焦 方法。 第三章详细介绍了本论文采用的系统，重点介绍了如何找寻激光投影光刻机的最 佳曝光条件；然后在试验的基础上探讨一种利用焦深的特性来进行光学对位的自动对 焦方法的可行性。 第四章从探测器的角度讨论了另一种可行的光学对位系统，分别从视频监测方案、 对位标记、对位算法及精度，以及纯相位匹配滤波器三个角度详细论述。 第五章总结了全文研究的内容，并对课题的后续工作进行展望。 6 第二章光学对位技术综述 第二章光学对位技术 光学投影光刻曝光之前，需要将掩膜板和基板进行调整，用来保证每一次曝光都 有正确的相对位置，称之为光学对位。 2 1 现有光学对位技术综述 对光刻而言，其最重要的工艺控制项有两个，其一是线宽控制，其二是光学对位 技术。而随着光刻产品特征尺寸越来越小，对线宽和光学对位技术的要求也越来越高。 其中光学对位技术在光刻系统中占据着十分重要的地位，其对位精度和速度一定程度 上决定了产品的质量和生产率。一般要求对位精度为最小线宽的1 4 - 1 3 左右，因而随 着光刻分辨率不断减小，研究和探索高精度的对准方法尤为重要。然而影响对位精度 的因素很多，如设备的对准精度、工件台、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、光刻工艺本身以及对准光源等，其中对位光源输出的激光 光束质量将影响到标记成像质量和对准精确度。下面主要通过介绍世界两大光刻机制 造商的不同的光学对位系统来介绍现阶段光学对位系统的主流产品。 作为世界最先进的激光投影光刻设备制造商荷兰a s m l 公司生产的激光投影 光刻机的光学对位系统一直采用离轴对准和同轴对准相结合的对准技术。同轴对准技 术与离轴对准技术的区别在于光学对位系统的光路是否经过激光投影光刻物镜系统的 光路。其中离轴对准光学对位系统的光路不经过激光投影光刻物镜系统的光路，主要 用于基板与基板台之间的对准，从而完成掩模与基板之间的对准；而同轴对准光学对 位系统则主要用于直接对基板和掩膜板进行对准。同轴对准光学系统和离轴对准光学 系统配合使用，不仅可以满足投影光刻机对套刻精度的要求，并且具有较好的技术延 伸性。下面将主要介绍此套系统的具体工作原理。 同轴监控系统的光路如图2 1 所示，离轴对准光学系统的基本工作原理如图2 2 所 示。其中同轴监控系统，又称之为激光共焦显微镜系统，是显影基板图像信息存储和 读取的重要组成部分。同轴监控系统有投影物镜、反射镜、透镜组、c c d 和显示器组 成。同轴监控系统将投影成像物镜前的反射镜镀膜，对波长3 5 1 n m 的紫外光全反，对可 见光透过，整个加工光路不会受到影响，从加工面反射上来的可见光可以通过反射镜， 进入物镜组后作用在c c d 上，实现同轴监控系统。视频图像同轴对准相对于其他对准 7 广东工业大学硕士学位论文 方式而言，优点是c c d 离轴对准测量光路经过投影物镜，使得对准精度很高。但是由 于c c d 同轴对准测量光路必须经过投影物镜光路，使得整个对准过程繁琐、结构复杂。 而且，视频图像对准技术受光刻工艺好坏影响较大，工艺越差越不适合此种对准方法。 e 飘怒 么 图2 1 同轴监控系统 f i g 2 - 1c o a x i a ls u p e r v i s i o ns y s t e m 离轴对准方案是整个对准系统的一部，其光路原理如图2 2 所示，其功能是将硅片 的标记与工件台上的基准标记对准。离轴对准激光器输出的6 3 2 8n m 激光光束是经 调制的线偏振激光，照明在硅片或工件台反射型位相光栅标记上，而光栅标记产生的 n 衍射级光束则通过望远系统成像在对应的参考光栅上，在参考振幅光栅后面利用光 电探测器测量光信号强度，采用光栅相位检测技术实现对光栅标记的n 衍射级次独立 的精确测量，以确定对准标记的对准相对误差。对准精度与相位检测精度和对准时使 用的几级衍射光有关。其主要技术特点是：利用双波长激光光束照明对准标记，可以 第二章光学对位技术综述 显著地减小由于掩模缺陷或多层掩模干涉对光学对准精度的影响；每一衍射级次的光 信号采用单独的光电探测器进行探测，最多可以同时探测7 级衍射级次，结合高功率 激光器，不仅可以保证对浅层掩模有足够的光强信号，而且可以更好地适应各种工艺 条件对光学对准精度的影响。 d e t e c t o m n o 图2 2 离轴对准方案 f i g 2 2o f f - a x i sa l i g n m e n tm e t h o d 而对世界光刻机制造公司另一巨头n i k o n 的步进重复光刻机而言，对位其实也就 是定位，它不是用硅片上的图形与掩膜版上的图形直接对位，而是彼此独立的，即确 定掩膜版的位置是一个独立的过程，确定硅片的位置又是另一个独立的过程。光刻机 的对位系统通过采用分别接受掩膜版、硅片标记信号，与各自固定基准相比较来获取 信号。它的对位原理是，在硅片台上有一基准标记集( 称f i d u c i a lm a r k ) ，其它的位置都 相对该点来确定，分别将掩膜版和硅片与该基准标记对位就可确定它们的位置。在确 定了两者的位置后，掩膜版上的图形转移到硅片上就是对准的。 2 2 光学对位系统采用的自动对焦方法综述旧 自动对焦系统中的反馈控制关键是确定对焦评价函数的峰值位置，从而通过电机 驱动成像镜头移动，这实际上是一维极值的最优化问题。比较典型的评价函数峰值搜 索方法有爬山法、f i b o n a c c i 搜索法和函数逼近法。 9 广东工业大学硕士学位论文 2 2 1 爬山法 理想的对焦评价函数为抛物线法，评价函数取值达到峰值时对应于最佳成像位置， 当离开最佳位置时函数单调递减。显然，如果对焦评价函数受到各种干扰导致出现多 个峰值，爬山法很容易搜索到局部极值，导致对焦失败。 2 2 2f i b o n a c c i 搜索法 f i b o n a c c i 搜索法的步骤如下：( 1 ) 确定搜索区间：- , o = b o a og ( 2 ) 利用最小 茎兰三二。刀一l，+尺刀+。， i 0 第二章光学对位技术综述 的解析表达式，从而定位镜头的最佳成像位置。因此，曲线最大值附近的数据波动对 极值点的估计影响很大。 由以上分析可见，爬山法、f i b o n a c c i 搜索法和函数逼近法三种方法都是比较机械 的数学方法，找到焦平面的速度比较慢。又因为激光投影光刻机所选用的激光源基本 上都是脉冲激光，脉冲时间极短，从而可知光刻机的显影时间等都需要控制在极短的 时间内。所以我们有必要探索一种更为迅速的光学对位方法来满足要求。 2 3 现有对焦方法所存在的问题及本文将要采取的对焦方法 比较完整的光刻步骤包括曝光、显影、刻蚀、脱膜等步骤，不过试验中，因为刻 蚀产生的误差比较大，而且在p c b 基板显影的图像已经可以反应光学对位的效果，故 而实验中只对基板进行曝光和显影两步处理。具体过程示意图如下： i 删i _ 一 图2 3 试验中光刻步骤图 f i g 2 - 3l i t h o g r a p h yp r o c e d u r e s 一方面，通过对现有的对焦方法分析，可以了解到现有的激光投影光刻机所采用 的光学对位系统大多是直接套用数学方法，计算方式过于机械化，步骤过于繁琐。本 文尝试探索可以利用某些光学理论对对位系统自动对焦方法进行改善。 另一方面，因为同轴对准与离轴对准相结合的对位方法虽然精度比较高，但是过 于繁复，成本高，衍射型对位系统中使用到的带有特殊精度的衍射光栅的对位标记掩 膜板过于复杂，且需要专门在国外定制，成本过高。考虑到本实验所追求的对位精度， 建议自行研究一套低成本、简单型的光度型光学对位系统。 广东工业大学硕士学位论文 第三章基于改进自动对焦方法的光学对位系统研究 3 1 本实验采用的系统 3 1 1 照明系统 均束照明系统简称为照明系统，功能是将自准分子激光器中输出的激光进行均束， 使之输出能量均匀、分布均匀的激光光斑。 实验所采用的照明系统总体分为三个部分：扩束准直系统设计、复眼透镜系统以 及聚光镜组系统。为了满足均束面能量均匀、对称分布的要求，扩束准直系统首先利 用一组柱面扩束镜一维扩束，将光束变为8 m i nx8 m m 的正方形光斑，再由一组球面扩 束镜扩束为大小合适的正方形的光斑，而且可以进一步的减少光束发散角。而采用9 x 9 阵列的复眼透镜系统的前一阵列组合把能量分布不均匀的光通道进行了分割，后一 阵列又将能量进行重新组合，能获得更好的照明均匀性，可满足不均匀性在5 以内的 要求。又因为复眼透镜组必须要与聚光镜组很好的配合才能在底板上得到很好的照明 均匀性，通常采用柯拉照明方式，复眼透镜组的前透镜阵列被它后面的光学系统成像 在掩模上，而复眼透镜组的后透镜阵列应被聚光镜组成像在投影物镜的入瞳处，既保 证了像面的均匀性，又做到了与投影物镜的匹配。三者相互组合组成的照明系统与后 面的投影物镜完全匹配，出入瞳对应，光斑大小为边长为2 5 r a m 的正六边形，数值孔 径0 0 2 ，满足相干度0 8 的要求，光能利用率高。习 3 1 2 投影光刻系统 本实验采用的激光投影光刻物镜的数值孔径为0 0 3 ，曝光面积5 0 r a m 2 ，放大倍率 1 ，分辨力为1 0 p t m 。实验采用的投影光刻系统所选用的光源为中科院安徽光机所研制 的t o l 型准分子激光器l i 6 1 r i l ，该激光器能够输出1 9 2 r i m 、2 4 8 n m 以及3 5 1 r i m 的准分子 激光，实验选用激光器输出激光波长为3 5 1 n m 的x e f 。该激光器的最大脉冲能量为 1 4 0 m j ，平均输出能量约为1 0 0 m j ，最高重复频率为8 0 h z ，8 0 h z 频率运行下，激光器 的平均输出功率为9 6 w ，光斑尺寸为1 8 m m x8 m m 。 3 1 3 激光定位工作台 1 2 第三章基于改进自动对焦方法的光学对住系统研究 实验采用的激光定位工作台由x 工作台和y 工作台构成。工作台能沿着x 轴做匀 速直线运动，沿y 轴做步进运动，而掩膜板和基板能够固定在平台上沿着z 轴微调。 其中x 工作台和y 工作台由两个相互独立的、互相垂直的传动系统及工作台面组成， 两个方向的定位精度均为4 - 5 m m 。通过r t 4 0 0 电控系统来控制x 工作台和y 工作台运 动轨迹。 图3 1 显示的是准分子激光投影光刻机定位工作台的俯视示意图。掩膜板被固定 在准分子激光投影光刻机光学平台上，而基板则能被准分子激光投影光刻机光学对位 系统在垂直方向上进行调整对位。掩膜板和基板的运动图像能够被c c d 实时监控。需 要注意的是，掩膜板和基板被对称地分置在激光投影曝光系统定位工作台的两侧，并 且能够被定位工作台的电控系统控制做同时同步运动。 图3 1 准分子激光投影光刻机定位工作台的俯视示意图 f