【《光刻机精密工作台结构与功能介绍分析》5500字】

光刻机精密工作台结构与功能介绍分析目录TOC\o"1-3"\h\u10647光刻机精密工作台结构与功能介绍分析 1258341.1光刻机整体结构与工作流程 134231.2调平调焦技术 4262171.3工作台系统指标要求 71.1光刻机整体结构与工作流程图2-1光刻机整体结构示意图步进式扫描光刻机的曝光方式是投影式曝光，利用光源经过光路聚焦将掩模片上印刷的芯片电路投影到涂有光刻胶的晶圆的表面进行曝光进而实现光刻任务。这个过程需要光刻机系统中各种复杂的运动机构密切协作。光刻机的系统组成主要包活机械结构系统、运动控制系统和测量系统组成。总的来说主要包括双工件台系统、掩模台系统、光路成像系统、气浮隔振系统以及计量框架。工件台、掩模台和投影物镜这三个机构是进行光刻时主要涉及到的运动机构。印刷有集成电路结构的掩模片被放置在掩模台上。投影物镜在掩模台下方，工件台位于投影物镜的下方。工件台的作用是承载硅片进行光刻扫描运动。工件台上的硅片要处在投影物镜的焦平面上，从掩模片中透射而出的成像光束经过投影物镜而被聚焦到工件台所承载的硅片上。光刻机的整个工作流程简述如下：首先，工件台和掩模台完成调平工作，然后控制掩模片上的集成电路板、投影物镜和工件台上所承载的的硅片的运动使得这三者完成焦点的对准。掩模片上的集成电路结构经过光路成像系统的聚焦而被投射到工件台所承载的硅片上。工件台和掩模台要相互配合彼此的运动，进而完成曝光刻片的操作。工件台上承载的硅片一共可以被被划分成109个可以被曝光的像场REF_Ref23470\r\h[9]REF_Ref23477\r\h[10]，而每一次曝光只能对一个像场进行光刻，完成一次曝光后，工件台将下一个像场按照事先规划好的路径移动到投影物镜的下方，从而曝光刻片的任务可以继续执行，直到完成硅片上全部109个像场的刻片。从光刻机工作的流程可以看出，在光刻任务中工件台主要完成下面两项任务：（1）承载硅片，与投影物镜和掩模台进行配合从而完成调平和调焦。（2）将硅片上的每一块待刻的像场移动到投影物镜的下方，完成硅片的对准工作。在光刻任务中掩模台主要完成下面两项任务：（1）承载掩模片，与投影物镜和工件台进行配合从而完成调平和调焦。（2）与工件台进行按照4比1或者5比1的速率比进行方向相反的运动，按照次序扫描硅片上的每一个像场。光刻机采用宏动台与微动台结合的复合驱动方式，宏动台是粗动平台，用于完成大行程微米级别精度的运动；微动台是精动平台，用于完成小行程纳米级别精度的运动。微动台作为光刻机的核心部件，是工件台能够实现纳米级别精度运动的关键所在，在光刻机工作时，微动台完成调平，调焦等动作，并且进行纳米级精度的曝光运动，使硅片得到完整的曝光。微动台可以根据功能分为四个组成部分，分别是：Chuck部件、执行机构、测量机构、E-Pin部件。Chuck部件包括真空吸盘和45°微晶镜块。真空吸盘的作用是固定硅片，经过真空吸盘的固定，在上下片的时候不会发生硅片的滑落；45°微晶镜起到反射镜的作用，与双频激光干涉仪相互配合，进行高精度的测量。此外，能够测量微动台与宏动台之间的相对位置的传感器的磁极被装载在Chuck部件上，与微位移传感器相互配合来测量宏动台与微动台之间的相对位置。执行机构主要包括垂直方向上音圈电机和水平面内的微动平面音圈电机。执行机构的动子在在垂向Z向的平动和Rx、Ry的偏转通过3个垂直方向上的音圈电机来驱动实现；执行机构动子在水平X、Y向的平动以及Rz的偏转通过水平面内3个平面音圈电机来驱动实现。从而可以在六个自由度上实现微动台的精密运动控制。此外还有重力补偿器被安装在台体的垂直方向上，用以对微动台的重力进行补偿，从而音圈电机可以减少出力，避免音圈电机出力过大而发热，影响音圈电机的正常工作。 测量机构主要包括两套系统，分别是双频激光干涉仪与霍尔传感器。微动台的位移主要通过激光干涉仪来进行测量，测量系统使用的激光干涉仪精度达到了0.6nm，用以对微动台的绝对位置进行测量。激光干涉仪的组成可以分成两个部分：一个是激光镜组，镜组与工件台基础框架固连，另一个是前述的45度反射镜，反射镜固定在Chuck部件上。激光镜组可以分成三个组成部分，激光器、分光器和接收器。总共有8组激光干涉仪，分布在工件台的6个自由度上，X向安装了3组，Y向安装了3组，Z向安装了2组。为了方便测量解耦，两两平行是安装时每个方向上的不同组激光干涉仪需要保证的空间相对位置关系。以X方向为例进行分析，X方向上的位移可以由每一组激光干涉仪都能够独立地测量得出，如果取得了对两组激光干涉仪的测量结果，那么久可以进行解耦运算，从而获得微动台在一个自由度上的角位移，所以通过X向的3组激光干涉仪能够测量出工件台在3个自由度上的位置信息，这三个自由度分别是X，Ry和Rz。同样的道理，Y向的3组激光干涉仪也能够测量出工件台在3个自由度上的位置信息，这三个自由度分别是Y，Rx和Rz。Z向的2组激光干涉仪能够测量出工件台在两个自由度上的位置信息，这两个自由度是Z和Ry。很明显，从激光干涉仪的安装布局可以看出这是一种冗余的设计。通过8组激光干涉仪的测量结果，三个自由度的转角信息可以两次被得到。在测量系统上进行这种冗余的设计的考量在于，如果布置方向相同或者方向相反的冗余激光干涉仪于工件台的六个自由度上，那么在三个转动自由度上的非线性的耦合项就能够通过几何运算来消除，从而可以使得计算过程中的非线性方程组变为线性，能够让测量解耦精度不受到非线性的影响，解耦的运算量也得到了降低。 霍尔传感器用以测量微动台和宏动台之间的相对位置。微动台上固定有霍尔传感器的永磁体部分，而霍尔元件和信号采集板安装在宏动台上，霍尔元件通电之后，永磁体产生磁场，在垂直于磁场与电流构成的平面上会产生与磁场强度成正比的霍尔电动势，当微动台与宏动台之间发生相对运动的时候，霍尔传感器与磁铁之间的相对位置也会发生变化，因而霍尔传感器收到的磁感应强度发生变化，从而使霍尔电动势做出相应变化，根据这个现象，可以通过感应电动势来测量微动台与宏动台之间的相对位移。一共有六个霍尔传感器，其中3个用来测量在Z向相对位移，2个用来测量在Y向的相对位移，1个用来测量在X向的相对位移。霍尔传感器将微动台相对于宏动台的在垂直方向上的位移和在水平方向上的位移转化成为电信号。通过对信号进行解耦运算，可以求解出微动台在六个自由度上相对于宏动台的位移。E-pin部件主要完成升降硅片的操作，这个操作是通过音圈电机的在垂直方向上的运动实现的，该部件还需要配合机械手实现上下片等操作。工件台是组成光刻机系统的关键部分，光刻机的工件台是一个达到了纳米级别定位精度与运动精度的六自由度运动系统，是一个集中了精密测量、精密机械、材料科学和控制科学等诸多学科知识的复杂系统。在执行光刻任务的过程中，工件台的需要完成的任务包括硅片传输、对准、调平调焦、x方向步进和y方向扫描曝光等。对准和调平调焦的精度都直接受到工件台的运动定位精度的影响，进而会对提升光刻及系统整体分辨力产生影响。REF_Ref23561\r\h[12]。1.2调平调焦技术在经历了接触式光刻技术和接近式光刻技术后，投影式光刻技术逐渐发展成为主流，用以缩小倍率的投影物镜被安装在硅片和掩模台之间，这样做使掩模免受损害，也使得能够更简单地制作掩模。投影式光刻技术又可以分为分步重复光刻和步进扫描式光刻两个发展阶段。荷兰ASML公司推出的TWINSCAN系列光刻机，将光刻技术代入了双工件台时代。在没有双工件台的步进扫描光刻机系统中，单工件台需要按照顺序依次完成硅片的上片、对准、调平调焦、曝光和下片等操作，曝光时间只占整个周期的1/3.对曝光系统的利用率不高，造成了一定的浪费，相应的，也提高了生产成本。处于对提高光刻机系统生产率的需求，芯片生产商开发了双工件台技术。双工件台指的就是在一台光刻机系统中存在两个工件台，这两个工件台一个位于测量位，另一个位于曝光位。两个工件台独立同步运行，在曝光位有一个工件台进行扫描曝光操作时，同时，测量位有另一个工件台完成硅片上下片、对准和测量硅片表面的三维形貌等除开曝光扫描的种种操作。完成了各自的曝光或者扫描操作后，两个工件台即交换位置和功能。这样，可以充分利用光刻机的曝光系统，大大提高了生产效率。双工件台技术的出现，使光刻机同等条件下，相比较与单工件台系统，产率能够提高35%左右。根据瑞利判据 (2-1)其中，是比例系数，是波长，是光学数值孔径REF_Ref23728\r\h[13]。可知，要提高系统的分辨力可以由两种途径，一个是增大投影物镜的数值孔径，另一个方法使使用更短的曝光波长。然而分辨力提升的代价是焦深的减小;硅片的尺寸目前已经达到300mm，而硅片的表面并不是完全平整的，各处的厚度有微小的偏差，这就对要求具有一定的焦深，另外，投影物镜如果受热会发生变形，从而会使得焦面发生偏移，所以非常有必要进行对硅片的调平和调焦的操作。进行调平调焦操作时，首先测量投影物镜的焦面与硅片的表面之间的距离，这个距离被称作离焦量，然后通过调平调焦机构调整硅片的高度和倾斜程度，尽量让硅片表面的曝光区域与投影物镜的焦面重合，日益减小的焦深能够得到十分充分的利用，从而完成对硅片的有效曝光。假如光刻工艺的要求高于调焦调平能达到的效果，那么会产生较大的负面影响，不但会使曝光线条的质量变差，曝光出的器件图像模糊，不能满足工艺要求，生产出的芯片不能实现设计的功能，芯片的成品率也会降低。测量基板被创新性地引入了在双工件台系统，测量基板用来固定投影物镜与其他测量系统，通过使用空气弹簧，进行振动隔离，减弱或消除了振动的影响，从而提高了测量的稳定性。双工件台系统中，对硅片表面的三维形貌测量是曝光前在测量位完成的，在曝光位置进行硅片的调平调焦，而在单工件台系统中对硅片表面高度的测量曝光和对硅片的曝光是同步进行的，所以调平调焦的操作的方式在双工件台系统和单工件台系统中也会有所不同。在单工件台系统中REF_Ref23777\r\h[14]REF_Ref23784\r\h[15]，首先计算离焦量。同时测量投影物镜下表面的高度和硅片表面的高度，两个高度之差是离焦量。为了避免温度等因素使光线的波长发生变化，可以使用测量光路和参考光路两条光路，从而测量的精度能够得到提高，使用测量光路和参考光路还，对投影物镜的机械稳定性的要求也可以有所降低。为了让同步进行硅片的曝光和检焦测量，前置传感器被应用到单工件台系统中，前置传感器是指在瞬时视场扫描方向的前方，设置调平传感器的测量点，但是前置距离会增加曝光时的扫描长度，造成生产率的降低。这种方式还存在一些缺点：边缘场检焦精度较低而不能有效地曝光，曝光视场两侧由于受到邻近场的形貌影响会精度较低、扫描的路径只能选择从内向外。双工件台对硅片的三维形貌测量是通过调平传感器在测量位置完成REF_Ref23826\r\h[16]REF_Ref23829\r\h[17]:首先，设置参考平面，有两个透射像传感器板被固定在工件台上，将传感器板所在平面设置为参考平面。然后调整工件台，使调平传感器达到零位，将此时干涉仪的读数归零，让硅片按照特定的路径和速度运动。在使用高精度调平传感器，在特定的时间间隔与垂直方向干涉仪同步协作，完成硅片表面上特定点的高度测量，再将测量值用数学方法拟合为形貌曲面，就可以得到硅片表面的三维形貌。调平调焦系统可以按照按功能划分为两个系统，一个是粗调平系统，另一个是精细调平系统。根据测量光路划分又可以划分为两个系统，一个是P轴系统，另一个是和Q轴系统，粗调平系统被安装在P轴的光路内，能够通过测量硅片上三个点的高度获得晶圆的高度信息和倾斜度信息。精细调平系统不但被安装在P轴的光路中，还安装在Q轴的光路中，用来获取硅片上每个曝光像场的高度信息和倾斜度信息。粗调平系统使用红外激光器，所以也可以被称为红光系统，精细调平系统使用卤素灯，也被称为白光系统。当一片晶圆传送到工件台上后，首先将其固定，然后执行调平调焦的操作，标记对准，最后执行曝光操作。调平调焦可以再细分成两个步骤，一个步骤是整场调平，另一个则是逐场调平平。整场调平，是指对整张硅片进行调平。首先，使用粗调平系统进行测量和调整的操作。首先根据系统参数调整补偿平板的位置。参照平板转动，直到二象限光电探测器两个象限的输出信号相等。根据三点调平的原理，通过计算硅片上三个点的测量值可以得到硅片的高度信息和倾斜度信息，执行机构驱动工件台运动，对高度和倾斜度进行修正，直到白光系统可以捕捉到硅片的上表面。切换到白光调平系统，工件台上下移动，直到P轴上的四象限光电探测器的信号偏差为零，对三个点进行测量，进而得到晶圆的实际的高度。工件台底部按章有直线位移传感器，通过此传感器能够获得工件台的位置信息，经过计算，可以得到晶圆精确的高度信息以及倾斜度信息，然后对硅片执行调平操作，