（精密仪器及机械专业论文）透反式二维零位光栅的实验系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中田科学技术大学硬士学位跄文 摘要 纳米时代的来临给人们探索和认识微观世界提供了更多的机会。同时也伴 随着更大的挑战。纳米测量及定位技术在各个领域中的应用越来越广泛。随着 集成电路尺寸的减小，高精度的光刻对准技术越来越引起人们的重视。 术课题在同家教育部博士点基金项目( n o 2 0 0 3 0 3 5 8 0 2 0 ) 资助f 完成。本硕 士论文主要从理论和实验两方面入手对特殊编码的二维零位光栅进行了研究， 其主要的研究成果包括以下几个方面： 第一，在特殊编码的二维零位光栅的设计基础上，分别用自相关理沦和标 量衍射理论对透射光强与光栅相对移动的关系以及零位光栅的特点做了理论研 究。搭建二维零位光栅实验平台，从实验上验证了其理论分析和性能特征，并 且指山了实验操作步骤及注意事项 第二，应用自相关理论和标量衍射理论计算和分析特殊编码的二维零位光 栅卜i 运用其他编码方法的零位光栅的性能差别。应用标苴衍射理论计算光栅上 大范围的制造误差对零位光栅定位效果的影响。 第三为进一步提高光刻机的对准精度，实现更小尺寸的微电子电路的加 工，在二维零位光栅原理的基础上提出了一种透反式二维零位光栅系统。应用 标量衍射理论分析了透反式二维零位光栅系统的可行性，并进行了对准性能的 实验从实验数据曲线来看，透反式光栅系统比一般的光刻对准技术的对比廑 更强、判别零位的性能更好，验证了系统的性能指标。该系统可作为一种新型 的掩模硅片对准技术，实现小范围内的高精度对准，应用于光刻机中可获得优 于2 0 h m 的重复定位对准精度。并且具有对准速度快结构简单，操作方便等优 点，冈此在徽电子工业中有广阔的应用前景 最后本论文展望了二维零位光栅系统的l f 究发展方向。上述研究上作为 今后二维零位光栅的实用化方向打下了基础。 中国科学技术大学碰十学位论文a b s t e z o t a b s t r a c t n e wt e c h n o l o g yh a sa l w a y sb e e nt h ek e yd r i v et ot h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e t h e r ea r em o r ec h a n c e s ，y e tm u c hm o r ec h a l l e n g e sw h e nw es t e pi n t oan e we t a ，t h e n a n oa g e i ti sa b r o a d e rt h a tt h et e c h n o l o g yo f n a n o m e t r o l o g ye n dn s n o p o s i t i o n i n g i su s e di nv a r i o u sf i e l d s t h el i t h o g r a p h ya l i g n m e n tt e c h n o l o g yw i t hu l t r a h i g h p r e c i s i o nh a s a t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o na l o n gw i t ht h er e d u c t i o no ft h ef e a t u r e s i z eo f i n t e g r a t e dc i r c u i t s t h i sw o r ki ss u p p o r t e x lb yt h ep h d p r o g r a m sf o u n d a t i o no fm i n i s t r yo f e d u c a t i o no fc h i n a ( n o 2 0 0 3 0 3 5 8 0 ：2 0 ) i nt h i sp a p e rt w o - d i m e n s i o n a l - e r er e f e r e n c e g r a t i n go f s p e c i a lc o d ei sr e s e a r c h e di nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h ec h i e f c o n t e n to f t h i s t h e s i sr e s e a r c hi n c l u d e ss e v e r a la s p e c t s f o l l o w s ： 1 d e s i g nak i n do fn o n - p e r i o d i cs p e c i a l l yc o d e dm a r k s t h cr e l a t i o nb e t w e e n t h el i g h ts i g n a li n t e n s i t ya n dt h eg r a t i n g s r e l a t i v em o v e m e n ta l er e s c a s c h e di nt h e a u t o c o r r e l a t i o nm e t h o da n dt h es c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y b u i l dt h e e x p e r i m e n t a l s y s t e mo ft w o d i m e n s i o n a lz e r or e f e r e n c eg r a t i n g i t st h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i ci s t e s t i f i e di np r a c t i c e a n d 姒d o w nt h eo p e r a t i o n a lg u i d e l i n e sa n dn o t e s 2 b a s e do nt h ea t g t o c o - , r a t i o nm e t h n 6a n dt h es c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y , t h e o r e t i cr e s u l t sa r e g i v e n ，i n c l u d i n g ：t h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e sb e t w e e n t w o d i m e n s i o n a lz e r or e f e r e n c eg r a t i n go f s p e c i a lc o d ea n dt h ez e r or e f e r e n c eg r a t i n g i no t h e rm e t h o d s 。t h el a r g e - s c a l ee r r o r , 3 i no r d e rt oi m p r o v et h ea b g n m e n tp r e c i s i o no f l i t h o g r a p h ys y s t e ma n da c h i e v e as m a l l e rs i z e d p r o c e s s i n go fm l c r o e l e c t r o n i e sc i r o u i t , at w o - d i m e n s i o n a lz e r o r e f e r e n c eg r a t i n gb yt r a n s m i s s i o n - r e f i e c d o nb a s e do nt h et h e o r yo ft w o - d i m e n s i o n a l z e r or e f e r e n c eg r a t i n gi sp r o p o s e d b u s e do nt h es c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y i t s f e a s i b i l i t yi sa n a l y z e di nt h e o r ya n di t sa l i g n m e n tc a p a b i l i t yi sv e r i f i e di ne x p e r i m e n t s n 中国科学技术 学硕士学位论文 t h ed a t ao b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h et w o - d i m e n s i o n a lz 睇o r e f e r e n c e g r a t i n gb y w a n s m i s s i o n - r e f l e c t i o n p r o v i d e s b e t t e ro o n t r a s ta n d d i s t i n g u i s h i n g z e r op o i n tc a p a b i l i t yt h a nd o e st h en o r m a ll i t h o g r a p h ya l i g n m e n t t e c h n o l o g y a san e wa l i g n m e n tt e c h n o l o g yb e t w e e nm a s ka n ds i l i c o nw a f e r , t h e t e c h n o l o g yc a no f f e rt h ea l i g n m e n tw i t hu l t r a h i g l rp r e c i s i o na n dab e t t e rt h a n2 0t i m a l i g n m e n tp r e c i s i o nr e p e a tu s e di nl i t h o g r a p h ys y s t e m a n d i t sa l i g n m e n ts p e e di sf a s t ， s t r u c t u r ei ss i m p l e ，o p e r a t i o ni sc o n v e n i e n ta n ds oo n s ot h e r ei sab r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nm i c r o e l e c t r o n i c si n d u s t r yf o rt h el i t h o g r a p h ya l i g n m e n tt v c h n o l o g y b a s e do nt h et w o - d i m e n s i o n a l2 0 1 or e f e r o n c eg r a t i n gb yt r a n s m i s s i o n - r e f l e c t i o n a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ef u t u r ed i r e c t i o no ft w o d i m e n s i o n a lz e r or e f e r e n c e g r a t i n gi se x p e c t e d t h ea b o v e - m e n t i o n e dw o r k sp r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o r t h e i n d u s t r i a l i z a t i o no f t w o d i m e n s i o n a lz e r or e f e r e n c eg r a t i n gi nt h ef u t u r e i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地声外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得生冒疆堂撞盔太生或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材抖。我同t 作的同志对本研究所做的仟 何贡献己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名科勿铂孑、签字日期伊口7 年i 月况日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解生国疆堂挂盔盘堂有关保留、使用学位论文的 规定有权保留并向凰家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅，本人授权生国抖芏拄盔盔堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名； 签字日期：年月日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后七向 工作单位： 通讯地址： 电请 邮编 中圈科学技术犬学瑚十学位皓文 第一章堵呛 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 纳米测量技术概述 纳米技术【i 捌作为当前发展最迅速，研究最广泛，投入最多的科学技术之一 被誉为2 1 世纪的科学，并且和生物工程一起被认为是未来科技的两大重要前沿。 纳米技术是包括纳米电子、纳米材料、纳米生物、纳米机械，纳米制造，纳米 测量、纳米物理、纳米化学等诸多科学技术的集合，其目的是研究，发展和加工 结构尺寸小于i o o n m 的材料、装置和系统，以获得具有所需功能和性能的产品 科技发达国家为抢占这一高新技术生长点、制高点，竞相将纳米技术列为2 1 世纪 战略性基础研究的优先项目投入了大量的人力、物力和财力。与此同时，纳米 科学与技术的发展离不开纳朱测鼍技术。并相继出现了纳米分析、纳米测量口4 和 纳米探针等分支技术。 现代工业技术尤其足超精密加工技术、微，纳米技术、微机电系统等的必起 与发展对高精度的铡量提出了越来越商的要求。当前，制造科学和制造技术正 向超精密、微细化方向发展，超精加工己成为先进制造的重要内容之一，已进入 纳米技术领域。具有纳米级分辨率的测量技术是超精加工中不可缺少的一环， 也是急待解决的关键技术之一饲如在微电子行业、超精加工行业等，半导体 工业中的高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定；在科学研究中的量子 物理学、化学分子生物学等都需要很高的位移测量精度。 目前国内外对于纳米测量系统中的探测系统、位移系统、定位系统乃罕信 号处理及控制系统等子系统的研究相当活跃出现了许多新原理、新方法，但是 这些子系统仅仅是纳米测量中的一部分。纳米测量技术是多种技术的综合，如何 将测量与控制相融合构成一个大系统开发出实用新型的纳米测量系统，仍然 中国科学技术 学钡1 ：学位论文 第一章绪论 是亟待解决的问题，也是今后发展的方向。【鲫 1 1 2 纳米测量技术的分类 国内外对于纳米测量系统的研究相当活跃，提出了许多测量原理和方法目 前能够进行纳米测量的方法主要有；非光学方法和光学方法两大类口i 。前者包括 扫描探针显微术( s p m ) 法、电容测微法、电感测微法；后者则包括：x 射线干 涉法、各种形式的馓光l ：涉法和光学光栅等方法。与后者相比前者虽然能够达 到纳米甚至亚纳米的测量分辨率。但是其测量范围有限而且需要利用激光干涉 仪等光学方法对其进行标定和校准因此光学纳米计量方法的研究在世界上备 受重视 ( 1 ) 扫描探针显微技术 g l 扫描探针显微技术是一种新型的表面分析手段，其典型仪器是扫描隧道显 微镜( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) i t t l 等。它们的共同特点是可以实现原子 级或亚原子级的位移测量和定位，分辨力高，可观察原子尺度的结构；但有町 能损害被测表面而且测量范围小。图i 1 中左图为扫描隧道显微镜的示意图， 右图为原子力显微镜的示意图。 图扫描隧道显徽镜和原子力显微镜的示意图 ( 2 ) 电容、电感铡微仪1 2 , 1 3 电容，电感删微仪的基本原理是将位移变化量为电感或电容的变化，通过 测量电信号实现位移的间接测量适合于相对位移的测量它们的显著特点是 2 p 置手i 学技术人学硕i + 学位 台文 第一章绪沧 分辨率高，简单易j ； ，成本比较低，但量程比较小 ( 3 ) x 射线干涉显微技术1 1 4 , 1 5 1 x 射线干涉显微技术是目前纳米测量中的一项新技术，主要采用x 射线 二 涉法与光学干涉法相结合。其分辨率可达o 0 0 5 n m ，测量精度可达0 0 i n t o ，具 有很好的测量稳定性但测量范围只为2 0 0 “m 。图i 。2 为x 射线光路。 x 甜墁 射先 衙鲥平面 图l - 2x 射线光路 ( 4 ) f a b r y p c m t 干涉法【t 6 , r q 可调谐激光器激光穿过f - p 标准具，激光频率被锁定于某一输出峰值处，将 此与一参考激光进行混频，根据两者的频羞可测出f - p 标准具腔长的变化。浚方 法可以达到皮米级的测量分辨率。但是，其测量范围很小一般在微米量级而且 对环境条件要求l b 较高。图1 3 为法珀激光干涉仪。 目嘲一 圈t 3 法珀激光干涉仪 ( 5 ) 偏振干涉法口，1 4 】 该方法是利用激光的偏振特性，通过相位测量实现的。采用相位细分技术， 可以使该方法达到亚纳米级分辨率但是由于偏振分光器件、x “波片等的缺陷 及位置误差等，给溯量带来了定的非线性误差图1 4 为偏振：f 涉仪。 t p 国科学技术人学瑚 学也论文 第一唯缔绝 岛 名c 图1 4 偏振干涉仪 ( 6 ) 双频激光干涉仪【l j q 测量位移的激光干涉仪是以稳频激光的波长作为长度基准的线位移测量系 统。白从h e - n e 激光器问世以来，激光干涉仪以其特有的大量程高分辨率和 高测量精度等优点，在精密和超精密位移测量领域获得了广泛的应用。圈1 5 为 双频激光干涉仪的原理图。其缺点是对环境条件要求高系统复杂，成本高。 图i 5 双频激光干涉仪原理圈 ( 7 ) 光栅测量技术i “u l l 该方法是采用光栅作为分光元件。使其衍射光束相干使用该方法可以使光 程差小再受被测位移的影响。测量基准为光栅常数 光栅的刻划精度成为影响测 量精度的主要因素。 畸l 国科学技术太学碗士学位论文第一章绪论 照着高精度、低成本光栅的开发，光栅刻制技术和微电子技术的迅速发展， 莫尔条纹细分技术的逐步完善，光栅技术在计量测试领域有了进一步的发展并 取得了广泛的应用。目前这种方法可以达到纳米级分辨率。可实现动态测量和自 动测量，具有较强的抗干扰能力，测量速度快，光路结构简单，寿命长。但线 数较高、长度较大的光栅荆制困难 在以上几种纳米测量方法中，能满足大量程、高分辨率、高精度的测量要 求的方法就仅有激光干涉仪和光栅测量技术。由于激光干涉式仪器以稳频激光 的波长为工作基准，| 嗬激光的波长与空气的折射率直接相关，当测量环境的某 些空气参数如温度、压力，相对湿度，c 0 2 浓度等发生变化以及空气中含有其它 杂质时，均会导致空气折射率的变化，从而给测量带来误差。因此，激光l ：涉 仪在使用中需要许多高精度传感器对环境参数进行髓测，这就火人增加了成本， 故撤光干涉仪价格昂贵。采用光栅测量系统，测量的基准也由波长变为光栅常 数。影响测量精度的多种因素变成主要是光栅的刻制误差和测试温度，显著改 善了测量的稳定性 1 2 光刻对准技术现状与最新发展l ”】 目前制作纳米图形有两个途径；一种是采用现代化学技术；另一种昆采用 光刻。光刻工艺是利用光成像和光敏胶膜在基底上图形化，它是微细加工中最 重要的步骤。在微系统方面。光刻主要用来作掩模板、体硅工艺的空腔腐蚀， 表面工艺中牺牲层薄膜的沉积和腐蚀以及传感器和致动器切级电信号处理电路 的图形化处理。 光刻机的发展主要依靠：( 1 ) 提高分辨率和线宽控制；( 2 ) 提高套刻精度；( 3 ) 增强 生产能力。提高光刻机的套刻精度取决于光刻对准系统。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 对准是指在曝光前目标图形与比较标记的重合或茕中过程。掩模硅片对准 中用科学技术人学碰十学位论文第一章绪论 是光刻机三大核心技术之。冈此住设计和考察个光刻对准系统的吏川性时， 必须考虑三个因素：首先足对准信号的灵敏度，它决定了对准精度；其次足对 准信号的对比度，它决定了对准的可用性；最后是对准信号的捕捉范围，它决 定了对准系统的工艺性。因此要设计出实用且高精度的光刻系统。必须综合考 虑这三方面因素 由于i c 产业的发展取决于光刻技术发展程度。光刻系统是一个复杂的系统， 它涉及到光，机、电，材料、工艺，物理、化学，计算机等多门学科其中的 光刻对准技术相对于光刻中其它技术技术是相当稳定的。近几年来，随着光刻 分辨率的提高、3 0 0 r a m 硅片尺寸的使用以及超高集成电路和特殊器件中最小尺 寸的需求，光刻掩模硅片自动对准技术和提高光刻对准精度的方法研究同益得 到重视。 1 2 1 光刻对准方法 表i i 常见的光刻对准方法类型 对准分类 类型 明场对准 光学对准方法 暗场对准 衍射型对准 俩轴或t 1 l ( t h r o u i g i l - t h c d e n s ) 掩模与硅片直接对准 离轴对准 全场对准 对准位置的数目 增强型全场对准 从2 0 世纪6 0 年代初到目前，光刻对准技术由最初的明场和暗场对准发展 到如今的干涉全息或外差干涉全息对准技术以及混合匹配及租、稽对准技术 中国科乎拉术大学碰十掌位论文第一章绪绝 对准精度由原来的微米级提高到纳米级促进了集成电路的发展。常见的光刻 对准方法类型如袭i 1 所示。 ( i ) 取光束t 1 l 对准技术渊 双光束对准通过精缩物镜测量，并在掩模一侧进行探测，允许连续的倍率 控制，因而具有精度高、稳定性好、速度快的优点其对准精度可以达到o 1 8 1 t m 。 但是这种对准系统有照明带宽的限制。由于使用单一的光学材科，投影物镜正 确的带宽是非常窄的，所以镜头在较长的对准波长( 如6 3 3 n m ) 的成像能力很弱， 而且对准波长的焦面漂移很大，因此一般认为深紫外光刻采用t 1 l 对准难以实 现 ( 2 ) 明场对准与暗场对准技术1 2 6 卸 明场与暗场对准足早期应用最广泛的光度式对准方法。明场光学对准成像 是由来自硅片上对准标记的反射和散射光组成的，任何来自对准标记的光通过 物镜都参与成像。而暗场对准成像是指光学系统仅收集来在对准标记边缘的散 射光或衍射光，并将标记平坦面上的直接反射光挡掉，因而能够从硅片对准标 记上得到大幅值、高信噪比的光电信号，同时系统的工艺容许性也很大，在套 刻层数不是特别大时是一种较为可行的方案。但在套刻层数相当大时- 因为 反射光强度衰减强烈。实舔上可用的对准信号已接收不到，使对准不能实现， 这也是所有基于光强接收的光度式对准系统所共有的局限性。 暗场对准和明场对准的成像方式不同【捌。明场对准像是由空气一光刻胶界 面和光刻胶一基底界面上底反射光干涉形成的多组干涉图像，胶层面形，厚度 韵变化信息隐含在信号像中，信号反映出无规律的特征。相反，暗场对准成像 将来自于光刻胶、标记平坦面含有的变化量信息的直接反射光滤掉，探测器接 收到的只是含有标记边缘信息的散射光或衍射光，消除了反射光的干涉影响 同时，明场对准获得的信号光强度比暗场强l o 倍左右但明场像场的光强变化 很大月光刻胶厚度引起的反射率变化也大，所以降低了对比度而暗场对准中， 光刻胶厚度引起的反射率变化很小，所咀其像场光强均匀，稳定、信噪比好。 中国科学技术大学剜士学位地文第一章缮论 ( 3 ) 视频图像对准技术【矧 视频图像技术是通过光电图像传感器采集掩模和样片的两个对准标记，这 种方法虽然类似于双目显微镜对准，但其对准是通过对掩模和硅片上两个标记 图像的采集，滤波、识别、精度定位，已使用的图像对准技术采用零相位运动 平滑滤波器，窗口介质滤波器以及自适应滤波技术来确定边缘位置，对标记图 像进行识别，处理、计算，自动完成对准过程。因此，视频图像对准相对于其 他对准方法具有对准精度高、过程直观、结构简单，效率高等优点。该对准的 误差主要来源于图像处理过程，图像处理算法尤为重要一种基于取远心投影 镜头的电视图像处理激光扫描自动对准技术，是c a n o n 公司开发的应用于f p a 系列投影光刻机的硅片与掩模板直接对准的技术。采用良好的照明光源可以得 到高质量的标记图像，可用电视图像处理方法得到较高的对准精度，其对准精 度为8 0 1 5 0 n m 。但由于处理的数据点较多，运算量较大，很难实现高速对准， 此外，对硅片台的运动平稳性的要求也较大。 ( 4 ) 相位光栅自动对准技术口j 相位光栅是指光栅周期的凹凸变化在没有反衬时很难被观察到，而光学厚 度存在变化可改变照明光束的相位。由于入射照明光束是均匀、不发生变化、 与物无关的零级光，不受相位光栅影响。照明光束在相位光栅发生衍射，衍射 后的出射光为调相光。由入射光和衍射光组成，它携带有关标记光结构的全部 信息，高阶频率项以丈角度从相位光栅上发散开后，通过空间滤波器滤掉零级 和高级衍射光。早期对准要求保留在衍射图样中占优势的i 级衍射光，随着设 备仪器性能的提高，采用高阶衍射光在像平面干涉形成光栅像。经过光电探测 器将图像送律计算机进行实时撰差处理，确定对准点，其精度大大提高。该方 法采用了空间滤波技术和相位检测技术，同时烈光路结构实现对倍率和掩模旋 转的在线连续控制，因而具有很高的对准精度和很强的工艺适应性，主要应用 于投影式光刻机对准中由于它处理的对象是两组标记间的复合衍射位相而不 是强度，因此对对准信号的反射强度要求不高，而信号的灵敏度和对比度都很 中嗣科学技术大学硕士学位论文第一章绪地 好，这优点便它适合于多层奁刻：而且其对准信号为整个标记光栅的综合平均 效应，因此对光栅的局部制造误差和工艺过程中对光栅结构造成的局部损坏和 变形不敏感，不会因而降低对准精度。但由于结构复杂，在接触式光刻中受到 限制。南于对准和曝光采用不同波。所以色羞朴偿处理技术也必须考虑。这 种方珐的对准精度一般在1 6 1 6 0 n m 。 ( 5 ) 莫尔条纹对准技术( 捌 莫尔条纹的产生有的采用光栅结构，有的采用直线形或圆形的f r e s n e l 波带 片形式，其应用于光刻中的对准原理是：光经过掩模、基片再到掩模，发生三 次衍射后就可以观察到清晰的衍射莫尔条纹，通过光电位移探测器采集这个信 号，送往主控制机进行识别，移动高精度的工作台确定对准点。i 早期在接近式，投影式光刻中采用典尔条纹对准技术，精度虽然有所提高， 但莫尔条纹对比度较差，对光栅与光栅间距的变化非常敏感，掩模与基片表而 的干涉、掩模背面的光反射、基片和掩模之倒的不平行性以及色差等限制了精 度的进一步提高。因此为了得到更高的精度，对对准光栅的结构以及对准光路 系统做了一系列的改进，对光栅结构作了研究并在利用粗细光栅组对、不等距 光栅、移相光栅以及单光栅对准系统中得到实际应用。同时在光路结构增加空 间滤波器和调制技术，对准精度稳步增加，可控制在7 0 n m 以下一些对准技术， 如掩模对准莫尔移相技术、莫尔条纹匹配对准技术、莫尔条纹干涉自动高精度 定位技术外差干涉方法使用网格光栅技术、莫尔干涉技术控制掩模与硅片空 隙自动对准技术成为各光刻公司的主流对准系统。该项技术得到了各大公司的 倾力支持，其对准精度有望得到迸一步提高。 1 2 2 光刻对准系统的新发展 国内外光刻机硅片一掩模对准技术是多样化的，不同公司有不同的对准方 案，每套方案都有自己的优势。髓着特征线宽越来越细，对准精度的要求也相 应韵提高。在已有的形式多样的高精度对准系统的基础上，更需要研究和探索 9 中嗣科学技术大学瑚j 岸位论文第一章绪论 高对准精度的新思路和新方法，适应已有规定的技术要求。现在采用的光学对 准方法要获得高精度对准系统的一般分粗对准、中间对准和鞲对准，每步采用 不同的对准原理，其间必须严格满足每一步对准精度传递的要求，才能实现图 层的精密套准。 表1 2 目前典型的光捌机厂家对准方法和肘准精度 公司 代表性光刻机型号对准方式对准精度年代 g c a o c a 8 5 0 0暗场( d f a s )o ，2 p 1 1 17 0 年代 n s r j 7 5 5 i 7 al s a ，f i a 7 0 年代 n i k o n n s r 2 2 0 5 i 1 2 dl s a ，f l a l 1 a8 0 年代 n s r - s 3 0 6 cl s a ，f i a l i a2 3 n m9 0 年代 f p a f 5 0 0r y 图像处理8 0 年代 c a n o n f p a 5 0 0 0 e x 32 5 n m 2 0 0 0 托 p a s 2 5 0 0 4 0 p g a ( t 下l ) 8 0 r i m9 0 队s 如o o l 7 0 p g a ( t 下l ) 6 0 , m9 0 a s m l p a $ 5 5 0 0 5 p g a ( y r l ) 4 5 r i m 9 0 队$ 5 5 0 0 1 1 0 0a t h e n a - t i s 2 3 n m2 0 0 1 盘 目前典型的光刻机厂家对准方法和对准精度如表1 2 所示。国外各大光刻机 生产商1 3 0 3 1 j ( n i k o r t c a n o n ，a s m l ，u l l r a t e c h ，h i t a c h i 等) 的对准趋势是都在自己的 对准拭础上采用混合匹配对准技术，多种技术集于一体的粗，精对准系统，同 时在光学系统工作台，掩模制造、材料、信号处理等方面不断提高。而周内 光刻对准技术的趋势是中外技术结台，自主创新，实现跨越式发展。近年来， 我国l c 工艺装备的战略地位己经受到了中央政府的高度重视。中国电子科技集 团公司第4 5 研究所已掌握了r r l 同轴相位光栅自动对准技术的原理并进行了成 中国乖 学技术大学硕士学位 e 文 第一章1 4 沧 功的试验研究。我国将在“十五”期同对准分子激光光刻技术研究开展针对o i 微米准分子激光光友8 机关键单元技术的研究，其中对准技术采用位相光栅自动 对准技术利用高阶衍射光千涉进行对准，此研究正在进展中 ( ”投影光刻机对准系统i ”“) 白1 9 7 8 年诞生以来，光刻机先后经历了几个技术阶段，其类型、性能己大大 改善。其中步进重复和步进扫描投影光刻机仍然是市场丰漉光刻机。现己步入 了1 5 7 n m 波长的f 2 准分予激光光学光剡的研究开发阶段。投影光刘机适应的对准 系统范围广，而高精度对准主要以相位光栅对准为主。根据接受的光信号彤成 的机理分为光度式和光栅衍射式；按操作结构分为同轴式投影光刻机和分步式 重复投影光刻机。早期的光刻机主要采用光度式对准标记，这种标记制作简单， 便于分析，但是由于其信噪比低，受硅片衬底的影响较大，已被淘汰。取而代 之的是光栅衍射式对准标记，由于利用了光栅进行衍射并可根据需要进行明场 和暗场对准，使对准信噪比大大提高，有利于提高对准精度。目前国外市场上 几乎所有的光刻机都采用衍射光栅作为对准标记，主要以扫描步进方式代替从 前的步进重复r 作方式。 投影光刻机的工作原理是把多个掩模成像丁 硅片表面进行曝光，这个过程 要求掩模和硅片之间实现位置对准有的对准方法对掩模和硅片分别j f j 各自的 光路进行对准探测，这种方法是假定这两个光路和探测器的相对位置保持不变 为出发点，其优点是对准光路避开了光刻机投影物镜的限制，可以任意选定标 记和对准光路。目前光刻机的发展是分辨率要求越来越细，对准精度要求越来 越高，由于光刻机环境温度变化引起的热胀冷缩势必影响对准光路和探测器的 位置，其解决方法为使硅片对准标记信号经过投影物镜后，再经过掩模对准 标记的处理，由闻一个光路提取光信号。这种方法只需要确保投影物镜不变。 对对准光路和探测器绝对位置要求相对减小。 ( 2 ) a s m l 公司激光扫描步进投影光刻对准系统p “ a m s l 公司于2 0 0 1 年底推出1 9 3 n m c a r f ) 准分子光刻机，该光刻机在投影光 中田科学技术丈学硕士学位论文第一章鲭论 刻物镜，光学对准系统、照明系统和步进扫描系统四大单元技术都有所突破 整机技术指标达到0 1 哪分辨力、2 0 r i m 套刻精度。 投影光刻物镜采用了一系列新技术：c a f 2 光学材料进行色差校正：曝光波 长和光学对准波长双峰值波长处极高透过率光学镀膜；严格控制的成像倍率， 场曲以及三阶畸变、蟹差和球差；优化的光学透镜动力学设计。通过以上技术 改进投影光刻物镜的数值孔径达到了0 7 5 的国际领先水平。 光学对准系统的最大改进是在传统同轴对准光学系统1 r r l 韵基础r ，加t 了离轴对准光学系统，即将步对准工作方式改为两步对准工作方式，同轴对 准光学系统竹l 用于掩模与工件台之间的对准，离轴对准光学系统用丁工件与 工件台之间的对准，从而完成掩模与工件之间的对准。 投影光刻机照明系统中技术改进主要体现在：采用输出波长1 9 3 r i m 、波长 带宽o 3 5 p r o ，重复频率2 k h z 、输出功率大于l o w 的a r f 准分子激光器作为照 明光源；采用环形照明和偏振照明等波前工程技术将工艺系数因子降低到0 3 7 投影光刻机采用了步进扫描工作方式以减小投影光刻物镜的成像视场和制 造成本，同时采用双平台扫描技术将生产效率由单平台扫描技术的6 3 片川、时提 高到9 3 片d , 时。 【3 ) n i k o n 系列光刻机对准系统i 蚓 n i k o 公司的n s r 系列曝光机一般都配有激光分步对准l s a 、场像对准 f i a 激光干涉对准l i a 三种对准系统，l s a 作为标准配置，f i a 和l i a 作为辅 助对准选项，由用户根据不同工艺层的特点选择使用不周的对准系统。 场像对准技术( f i a ) 是一种典型的非t 1 l 对准方式，它是n i k o n 公司为解决 不对称标记的对准设计的，这种对准的主要特点为：采用宽带照明，避免在特定 条件下光的干涉造成对准标记的检测困难，而且f i a 是一种非m 方式对机 械结构的稳定性，提出了很高要求。同时避免了因镜头的调焦、倍率等因素对 对准精度造成影响，在对不对称标记的对准中可得到很高的对准精度。 激光干涉对准技术( l i a ) 是为表面极其粗糙的工艺层的精确对准设计的，其 巾目科肇技术太学瑚1 哔位电文 第一孝绪比 基本原理跟相位光栅自动对准技术一样，采用单色h e n e 激光照明，经光栅标记 衍射，检波器检测固定衍射角的光来达到对准的目的。 n i k 系列光刻机对准系统中使用三类对准标记：对版标记，硅片粗对标记 和硅片精对标记。此外，还有与各类标记相对应的传感器和周定在硅片台上的 基准标记集( 称f i d u c i a lm a r k ) 。在硅片台上固定的激光干涉计反射镜面和f i d u c i a l m a r k 构成了计量啦标系的媾础要素。f i d u c i a lm a r k 包括对版用十字叉丝、硅片 租对和精对用标记的刻划图案。 n i k o n 公司通过对标准的计量坐标系、版台硅片台坐标系版自身、硅 片自身坐标系这几个半面坐标系问的校准和改进来提高系统的对准精度。其中 计量坐标系，版台、硅片台坐标系为机器对准机构，而版自身、硅片自身坐标 系是要对准的对象。与多数光荆机类似。n i k o n 系列光刻机硅片对准分为租对准 和精对准两步，其中粗对准采用与版对准类似的技术，而精对准则采用衍射光 对准技术 ( 4 ) 东芝公司的s m a r t 对准系统( 2 9 1 东芝公司采用了一种被称作s m a r t ( s c p a r a t e x lm a r k st t l a l i g n m e m - 分离 标记同轴对准) 韵对准系统该系统的突出优点在于；在不需要任何补偿光路 的情况下可以消除色差的影响，其光路结构原理和对准标记的形状 1 日囤1 6 所 刁； 在掩模标记处作有一对衍射光栅，使用两束相二r 的会聚光照明标记，只有 + i 级和i 级衍射光能通过投影物镜成像在硅片的标记光栅上。选择硅片光栅的 形状和周期，可以使两束光的某一级二次衍射光反射以后通过投影物镜的光轴， 检测达一级衍射光就可以得到掩模和硅片的相对位置。以成像的角度看从两 个分离标记来的衍射光束就如同从掩模虚象发出的一样。这样一来，s m a r t 系 统只使用两个分离的标记而无需任何色差补偿装置就可以消除色差的影响。 巾田科学技术 学颤l 学位电文第帝绪论 蛐 奠标记廖拄 形式曲硅片标记 图1 6s m a r t 对准系统 ( 5 ) 底面对准系统【n l t 】 随着对基片正反两面或单面重复曝光的需求越来越多，因此双面对准原 理在曝光机中的使用孕育而生，而底面对准原理是双面曝光中比较有效的一种 该原理是由德国k a r l s u s s 公司为适应大直径基片双面对准而提出的采用底面对 准曝光的优势在于：它能实现小问隙曝光因而可消除衍射效应引起的分辨能 力下降：蒯时，也可回避双掩模对准时产生的掩模变形引起的分辨力下降；它 在对准时不受晶片厚度的影响也适用于大直径晶片的曝光。 曝光机底面对准结构如图1 7 所示。硅片被只有x ，y 向平动以及z 向转动 的承片台吸附，两条对准光路完全相同，单条光路包括照明光源、分光镜、成 像物镜，可将掩模和样片的对准标记成像在c c d 的像面上由于需要适席不同 厚度的样片光学系统必须具有较大的调焦行程。为了使物镜有较大的分辨力 同时使嘲焦精度不至于要求太高，采用了微光学的折、衍混合系统以实现长焦 深。再通过图像采集卡送入计算机，即可进行对准运算。由计算机分析处理图 像信息，驱动电机、压电陶瓷来控制承片台x ，y 向的平动自由度和z 向的转 动自由度，最终使掩模和硅片上的标记对准，从而达到对准的目的考虑到需 要硅片和掩模对准精度达到o 4pm 以卜，而且需要快速地完成对准过程以及 1 4 髓蹬 巾宙科学技术 学碰i 二学位沧文 第一章绪j e 压电陶瓷的磁感效庶该系统采用了电动机初调和压电陶瓷微动相结台的闭环 控制方法，在对准速度、精度以及自动化程度等方面达到很高的水平 图i 7 底面对准结构图 基本的对准过程有3 步。第l 步；将所要曝光的掩模板装载固定后，调整 底面对准显微镜两物镜的位置，直到掩模板上的两对准标记清嘶地出现在监视 器上为止；第2 步：摄取当前掩模扳上的对准标记图像，并保存该图像；第3 步：插入硅片，将硅片标记图像与保存的掩模标记图像做加法处理，并将结果 实时显示在监视器上，调整承片台位置。宜到硅片标记与掩模板标记的中心重 合。 ( 6 ) c a n o n 公司激光扫描对准【3 2 l 激光扫描自动对准技术是一种基于双远心投影镜头的电视图像处理技术，是 c a r i o l l 公司开发的应用于f p a 系列投影曝光机的硅片与掩模板直接对准的技术 对于g 线曝光机，照明光源采用f l e c d 激光嚣，波长为4 4 2n m 非常接近g 线； 对于i 线机。照明光源采用超高压汞灯的j 谱线，标记设计如图i 8 所示由于 对准照明光波长跟投影镜头的谱线非常接近或一致，因此可得到高质量的标记图 像可用电视图像处理方法得到较高的对准精度；但存在干涉削弱影响，当标记的 阶足够高和附近形貌满足干涉条件时。有可能从摄像头看不到图像为此。c a n o n 中嗣科学技术大学硎士学位 仑文 第一章绪论 公司又开发出了利用h e n c 激光照明和宽带照明的两种离轴对准光源配置机器 标记共用，电视图像探测处理系统共用，根据不同工艺层特点切换使用照明光源。 圈i 8 激光扫描对准标记 b 目前先进的f p a 系列投影曝光机由于配置了! 种对准系统，能满足亚半微 米光刻的精度要求。且工艺适应性良好：但也使系统变得非常复杂，引起制造和 调试的困难。 1 3 本论文研究的意义和主要内容 本论文在对二维零位光栅的性能特征进行了研究的基础上，成功搭建了二 维绝对零何光栅实验系统，验证了理论分析：并提出了一种透反式- 维零1 i ) = 光 栅结构的新方法，以实现新型的掩模硅片高精度光刻对准技术，通过实验验证 了该系统的可行性，表明了透反式光栅系统比般的光刻对准技术的对比度更 强，验证了系统判别绝对零位位置的性能更好，实验结果与理论计算相符合。 经标定系统可获得优于2 0 n m 的重复定位对准精度。 本课题的研究意义重大，从提高纳米测量与定位精度的角度出发，提出了 一种高精度的光刻对准方法，由于该系统具有结构简单，操作方便，性能可靠， 成本低下等优点，在微电子工业中有着可观的应用前景。 i 一囱科学技术人学填l 学位皓文第二幸光栅壕理 第二章光栅原理 2 1 传统计量光栅基本原理 2 1 1 莫尔条纹 莫尔务纹是切计量光栅位置检测系统的基础，计量光栅技术本质上就足 莫尔条纹技术。计量光栅按每毫米内的栅线数分为租光栅和细光栅。通常把少 于1 0 0 线t r a m 的光栅称为租光栅，高于l o o 线m m 的光栅称为细光栅。 如罔2 1 所示，两块光栅中一块称作主光栅，另一块称作指示光栅( 固定不 动) ，将两块光栅叠加在一起，并使它们的栅线有一小韵交角o 。当丸栅副之 间有一相对运动，并且其运动方向与主光栅栅线垂直时，箕尔条纹随着主光栅 移动耐明暗交替变化，此时光栅相当于闸门的作用当它的黑线挡住主光栅的 透光缝隙时，变成一片黑暗；而当它们的透光缝隙重合时，透光最大。这种莫 尔条