光刻机调平调焦台精度指标分解方法研究_周清华

1、EPE电子工业专用设备半导体制造工艺与设备Equipment for Electronic Products Manufacturing光刻机调平调焦台精度指标分解方法研究周清华，胡 松，杜 靖，王 建(中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209)摘 要： 为了提高光刻机调平调焦台的重复定位精度， 对其调平调焦台的精度指标分解开展研究。 首先，应用几何关系，建立调平调焦总指标与逻辑轴之间的关系；再应用运动学原理，建立调平调焦台通用机构的逻辑轴和物理轴之间的运动关系；接着，应用函数误差原理，建立调平调焦台的精度指标分解模型。 然后，采用压电陶瓷作为驱动、柔性簧片作为导向、压电陶瓷内置电容

2、作为传感器搭建重复定位精度要求为 100 nm 的实验测试平台； 最后实验测试平台测试结果显示，定位精度可达到 90 nm，从而验证了该光刻机调平调焦台精度指标分解模型的正确性。关键词： 光刻机；调平调焦台；精度指标分解；函数误差原理中图分类号： TN305.7文献标识码： A文章编号：1004-4507(2016)01-0015-05Research on the Accuracy Assigning Method of theLeveling and Focusing Stage of LithographyZHOU Qinghua，HU Song，DU Jing，WANG Jian(Th

3、e Institute of Optics and Electronics the Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610209，China)Abstract: In order to improve the accuracy of the leveling and focusing stage of lithography，an accuracy assigning method is proposed in this paper. Firstly，the relationship between the total accuracy index an

4、d the logic axis is established by using the geometric relation. Then，based on the kinematic principles，the relationship between the logic axis and the physical axis of the leveling and focusing stages general mechanism is established. And the accuracy assigning model of the leveling and focusing st

5、age is also established by using the function error principle. Moreover，an experimental platform which provides an accuracy of 100 nm re-orientation is built. This platform uses the piezoelectric ceramics as driving，the flexible reed as guide，and the capacitance as sensor. Finally， the result of the

6、 experimental platform reveals the re-orientation accuracy of this leveling and focusing stage can reach to 90 nm，which demonstrates that the accuracy assigning model of the lithography leveling and focusing stage is correct.收稿日期：2015-12-30Jan 2016（总第 251 期）15半导体制造工艺与设备电子工业专用设备EPEEquipment for Elect

7、ronic Products ManufacturingKeywords: Lithography tool；Leveling and focusing stage；Accuracy assigning；Function error principle光刻机是集成电路生产中最关键的设备之一，在整个生产过程中占据重要的地位。而高精度工件台又是光刻机的核心部件之一，它的运动性能和定位精度决定了光刻工艺所能实现的线宽和产率。光刻机的工件台是一个六自由度运动台，根据功能的不同可以分为 x 向运动台，y 向运动台，z 运动台和调平调焦台 1-4，其中调平调焦台实现 z、x 和 y 三个方向的运动，实现硅

8、片的调平调焦功能2。传统的调平调焦台设计成两层台子，分别为调平台和调焦台6。其优点是调平调焦的三个自由度运动为串联关系，结构设计和控制器设计相对简单，但是其缺点是结构尺寸大，占用空间多，且质心高度高，在高端光刻机中不宜使用。因此需要设计出既能实现调平调焦功能，又要保证结构尺寸小，特别是高度尺寸小，质心高度低的运动台。而基于三点调平原理的运动台既能满足高度尺寸小的要求，又能实现三自由度的并联运动，因此是光刻机调平调焦台设计的首选。该运动台通常采用三个音圈电机或压电陶瓷或直线电机在三点直接驱动，中间布置柔性簧片作为导向 3，从而实现调平调焦的功能。这种结构虽然满足了高端光刻机的使用要求，但是由于三

9、个自由度是相互耦合的，也就给结构设计和运动控制设计带来新的挑战，因此需要对这种结构的调平调焦台的精度指标分解方法进行研究，分解每个自由度的设计精度，从而保证整体结构的重复定位精度。本文针对基于三点调平原理的调平调焦台，推导其精度指标分解模型，并通过实验对其进行验证。1 调平调焦台结构原理及几何关系图 1 为调平调焦台的机构原理图，基于三点调平原理，在一个等边三角板的三个角上，配置三套驱动机构，分别为 z1 轴 、z2 轴和 z3 轴，这三个实际的驱动机构为该调平调焦台的物理轴，通常可以用音圈电机，压电陶瓷等进行驱动，也可以配置其它机械式传动机构实现三个物理轴的运动。依据光刻机中实际的调平调焦台

10、布局，建立如图 1 所示的坐标系，坐标系中心设置在三角形中心，x 轴沿横向布置，y 轴沿纵向布置，调平调焦台就在这个坐标系下完成 z，x 和 y 三自由度调节，其中 z、x 和 y 为该调平调焦台的逻辑轴 。工作时，如果三套驱动机构执行的是相同的位移增量，则实现调焦功能，即 z 向调节；如果三套驱动机构执行的是不同的位移增量，则实现调平功能，即 x和 y 向调节。三套驱动机构配合运动，实现调平调焦功能。zyl2z3 轴oxl3Xz2 轴l1z1 轴（a）轴测图yz3 轴l2l3z2 轴oxl1z1 轴（b）俯视图图 1 调焦调平台结构原理图依据图 1 所示的坐标位置关系，其几何参数为：（1）驱

11、动点布置在等边三角形的角点上，等边三角形边长分别为 l1 = l2 = l3 = l；（2）该机构的坐标中心和几何中心重合，坐标系为 ozxy；（3） 各驱动机构构成的运动轴为物理轴，其16（总第 251 期）Jan 2016EPE电子工业专用设备半导体制造工艺与设备Equipment for Electronic Products Manufacturing输出位移为：z1、z2 和 z3，精度指标分别为：z1、z2和 z3；（4）三角板在坐标系 ozxy 下实现的 z、x 和 y 向运动为逻辑轴，其输出位移为：z、x 和 y，精度指标分别为 z、x 和 y。2 调平调焦台精度指标分解调平调

12、焦台的指标分解，其任务就是要把调平调焦台的总精度指标分解为三个逻辑轴的精度指标，再通过逻辑轴精度指标到物理轴精度指标的传递模型，最终将调平调焦台的总精度指标分解为三个物理轴的精度指标，从而作为后续开发的输入条件，指导和约束后续的结构设计和电控系统设计。2.1 建立总指标到逻辑轴的分解模型调平调焦台的总精度指标的含义是硅片面内任意点的实际位置都要落在总精度指标要求的范围以内，由于有角度误差 x 和 y 的存在，硅片边沿上是误差最大的区域，只要保证这个区域的重复定位精度，硅片面内任意点也就满足指标要求。如图 2 所示，硅片半径为 r，在边沿线上有点P(x，y)，满足：x2 + y2 = r2(1)

13、yP(x，y)rx图 2 硅片面坐标模型由误差 x 引起的硅片边沿线上在 z 向上的偏差为 zx，则有：zx = xy(2)由误差 y 引起的硅片边沿线上在 z 向上的偏差为 zy，则有：zy = yx(3)由误差 z 引起的硅片在 z 向上的偏差仍为 z，则硅片边沿线上在 z 向上的总指标 z-total 为：z-total= 姨zx2 + zy2 + z2 = 姨(xy)2 + (yx)2 + z2即：z-total= 姨(xy)2 + (yx)2 + z2(4)其中：z-total 即为调平调焦台总误差。2.2 建立逻辑轴精度指标到物理轴精度指标的传递模型根据第 2 节揭示的几何关系，推

14、导调平调焦台机构的物理轴到逻辑轴的运动转换方程为：z1 + z2 + z3姨z =姨姨3姨姨姨z3 - z1姨姨x =姨姨姨l(5)姨姨z2 - z姨姨y =2z2 - z1 - z3 姨姨l2姨姨3 l22姨姨姨l -(2)3姨姨姨依据函数误差理论以及各测量相互独立5，各逻辑轴误差计算为：坠z22坠z22坠z22姨姨z =姨() z1 + () z2 + () z3姨姨坠z1坠z2坠z3姨姨姨坠z22坠z22姨姨x =() z3 + () z1姨圯姨姨 坠z3坠z1姨姨姨坠z坠z坠z姨222222姨y =() z2+ () z1+ () z3姨姨 坠z2坠z1坠z3姨姨姨1姨姨z12 + z

15、22 + z32姨姨z =3姨姨姨姨z12 + z32姨姨x = 1姨(6)姨l姨姨姨1姨姨z12 + 4z22 + z32姨姨y =l 姨3姨姨其中：z 为 z 向误差，x 为 x 向误差，y 为 y 向误差。通常三个物理轴的结构是一样的，具有相同的定位能力，即：z1 = z2 = z3(7)把式(7)带入到式(6)，得逻辑轴与物理轴误差Jan 2016（总第 251 期）17半导体制造工艺与设备电子工业专用设备EPEEquipment for Electronic Products Manufacturing传递公式：即 l = 173 mm。1姨依据系统总指标 z-total= 100

16、nm 的约束条件，222姨z =姨z1 + z2 + z3姨3姨和式(9)的计算模型，得出三套压电陶瓷驱动轴的姨姨1姨姨精度指标为：22姨x =姨z1 + z3姨l姨圯姨姨姨r姨1姨z1 = z2 = z3 = z-total/1+2()2 =y =222姨l姨z1 + 4z2+ z3姨姨l 姨3姨姨100/ 1+2(152.4)2= 62.6 nm姨z = z1173姨姨姨姨z1其中：r = 152.4 mm 为 300 mm（12 英寸）硅片姨姨x =姨2姨(8)姨l姨的半径值。姨姨姨z1姨2姨姨y =由此压电陶瓷和电容传感器的关键指标约束l姨姨为：压电陶瓷分辨力为 62.6/10 = 6

17、.3 nm，电容传感2.3 总指标到物理轴的误差传递器分辨力为 62.6/5 = 12.5 nm，电控系统调试时保将式 (1)、(4)和式 (6) 联解得由总指标到物理证各轴重复定位精度为 62.6 nm。如图 4 所示，采用测量仪器测试调平调焦台的轴的指标计算：z1 = z2 = z3 =z-total(9)重复定位精度。将调平调焦台安放在减震平台上，在硅片边沿附近任取三点，采用分辨力为 10 nm 的姨1+2(r)2l表 1三点测试结果其中：r 为硅片半径；l 为驱动机构构成的等边测量点 1/m测量点 2/m测量点 3/m三角形边长。1-4.639.745.742-4.709.725.79

18、3 实验测试3-4.659.805.804-4.639.735.715-4.629.775.79图 3 为依据三点调平原理开发的调平调焦台6-4.669.815.77实物模型，三套压电陶瓷布置在三角板的三个顶7-4.659.755.73-4.639.775.78点上作为其驱动机构，该三角板为正三角形；水平89-4.669.715.80方向通过三角簧片耦合，约束水平方向运动；压电10-4.669.725.79陶瓷内置电容传感器测量位移，实现系统闭环。其11-4.719.805.7312-4.669.765.73中三套压电陶瓷构成的三角形的边长为 173 mm，13-4.639.745.7714-

19、4.709.815.7915-4.699.775.7416-4.639.805.79三角板17-4.679.805.7418-4.699.765.7119-4.659.735.81三角簧片20-4.649.735.7621-4.709.745.7522-4.619.755.7723-4.659.735.7524-4.679.745.7125-4.699.745.7330.090.090.09PV 值0.100.100.10图 3实物模型（下转第 23 页）18（总第 251 期）Jan 2016EPE电子工业专用设备半导体制造工艺与设备Equipment for Electronic Prod

20、ucts Manufacturing4结论AlN 材料相比传统的 SiNx 材料，还具有大的禁带宽度、高的击穿电场、高热导率以及与 GaN 小的晶格失配等优势，是一种理想的钝化介质。这样，使用原子层沉积系统，生成 AlN 和 SiNx 复合钝化层可以更好抑制器件的电流崩塌，对提高GaN HEMT 器件的直流特性、射频特性、高温特性和表面态特性等性能具有指导意义。东华大学，2013.3 Beneq. TFS200 operating instruction rev BZ. user man-ual，2011.4 N. Tsurumi，H. Ueno，T.Murata，et al. AlN pas

21、sivationover AlGaN/GaN HFETs for surface heat spreadingJ. IEEE Transactions on Electron devices ，2010 ，57 ( 5 ) ： 980-990.5 冯嘉恒，唐立丹，刘邦武，等，等离子增强原子层沉积低温生长 AlN 薄膜J. 物理学报，2013，62(11)：438-443.：作者简介：参考资料 ：李新霞（1965-），女，高级工程师，河北石家庄人，19861 薛舫时. GaN HFET 中的电流崩塌和二维电子气J.年毕业于西安电子科技大学微波电磁场专业，曾从事微波纳米电子技术，2004（11）：15-18小整机设计制造工作、进口工艺设备专修和技术改造工2刘新坤. 等离子体增强原子层沉积技术研究D. 上海：作，现从事项