NSR2205I14型光刻機(jī)對準(zhǔn)方式分析

宛文峰

（新型功率半導(dǎo)體器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412001）

0 引言

對準(zhǔn)系統(tǒng)是光刻機(jī)的核心部件之一，擁有更精密的對準(zhǔn)，才能保證更精準(zhǔn)的套刻精度。NSR2205I14設(shè)備在對準(zhǔn)時主要分2步，首先光刻板對準(zhǔn)，即光刻板上的對準(zhǔn)記號通過CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）圖像傳感器與曝光臺上的基準(zhǔn)記號對準(zhǔn)，然后是晶圓對準(zhǔn)，即對準(zhǔn)系統(tǒng)與曝光臺上的基準(zhǔn)記號對準(zhǔn)后，通過晶圓上的對準(zhǔn)記號與晶圓對準(zhǔn)。而晶圓對準(zhǔn)時可以使用2套不同的對準(zhǔn)系統(tǒng)做對準(zhǔn)，這2套對準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，原理不同，優(yōu)缺點(diǎn)各異。

1 Nikon NSR2205I14對準(zhǔn)機(jī)制

1.1 LSA對準(zhǔn)方式

1.1.1 LSA對準(zhǔn)原理LSA

（Laser Step Alignment，激光步進(jìn)對準(zhǔn)方式）的光源是He-Ne激光器，激光波長為632.8 nm。LSA對準(zhǔn)系統(tǒng)（圖1）通過激光光斑掃描對準(zhǔn)記號，最后由接收器接收衍射光，因此它屬于暗場對準(zhǔn)。

圖1 LSA對準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

He-Ne激光器發(fā)出激光光斑，最終激光光斑通過對準(zhǔn)顯微鏡的透鏡照射到晶圓上。當(dāng)光斑照射到圖1所示的光柵形狀的LSA記號上時，在記號側(cè)壁處，將發(fā)生衍射，衍射光將延原入射光的光路返回。LSA衍射如圖2所示，當(dāng)記號間距為d，衍射光角度為θ，He-Ne激光器發(fā)出的光波波長為λ時，根據(jù)光柵公式dsinθ=nλ（n=0，±1，±2…），最后傳感器只接受1階衍射光，其中0階衍射光被空間過濾器過濾。傳感器接受光信號后，迅速將這些光信號轉(zhuǎn)換成模擬信號— 電信號，模擬信號被傳送到信號處理單元后，將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這些數(shù)字信號最終將用于晶圓對準(zhǔn)過程。

1.1.2 LSA的信號處理過程LSA信號如圖3所示，對準(zhǔn)記號引起的衍射與反射信號通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成DC信號。產(chǎn)生電信號的位置被定為曝光臺的激光干涉儀記錄下來，計(jì)算出對準(zhǔn)記號的精確坐標(biāo)位置。

圖2 LSA衍射

圖3 LSA信號

首先曝光臺移動到對準(zhǔn)記號區(qū)域的起始位置X0，此時信號采集系統(tǒng)開始采集信號，接著曝光臺開始移動，使得激光光斑在記號區(qū)域掃描。當(dāng)激光光斑掃描到對準(zhǔn)記號上時，此時接收器接收到衍射信號，信號不斷增強(qiáng)，并且在Xa位置處達(dá)到最強(qiáng)，當(dāng)激光光斑逐漸離開對準(zhǔn)記號時，信號開始逐漸減弱，在這個過程中，曝光臺的位置一直被激光干涉儀記錄著，最終由信號處理系統(tǒng)分析處理這些信號。

1.1.3 LSA性能特點(diǎn)

LSA的對準(zhǔn)記號可以采用凸出的對準(zhǔn)記號，也可以采用凹進(jìn)去的對準(zhǔn)記號，對于凸出來的對準(zhǔn)記號，如果記號出現(xiàn)形變時識別信號容易產(chǎn)生非對稱變化，進(jìn)而發(fā)生對準(zhǔn)位置偏移，而凹進(jìn)去的對準(zhǔn)記號產(chǎn)生非對準(zhǔn)變化的概率更小。

此外LSA對于金屬層及對準(zhǔn)記號較淺時容易發(fā)生對準(zhǔn)報(bào)警。因?yàn)榻饘賹佑捎诒砻姘纪共黄剑菀桩a(chǎn)生干擾信號，且對準(zhǔn)記號也容易發(fā)生非對稱變化，而在對準(zhǔn)記號比較淺時，激光光斑照射到對準(zhǔn)記號上產(chǎn)生的衍射光較弱，接收器接收到的信息量少，當(dāng)遇到干擾信號時容易發(fā)生對準(zhǔn)報(bào)警。

1.2 FIA對準(zhǔn)方式

1.2.1 FIA對準(zhǔn)原理

FIA（Field Image Alignment）即場像對準(zhǔn)方式。當(dāng)光照射到對準(zhǔn)記號表面時，CCD圖形傳感器獲取對準(zhǔn)記號圖像，利用圖像的明暗差計(jì)算出對準(zhǔn)位置。FIA的光源為鹵素?zé)?，其產(chǎn)生的光為寬帶光，相干性差，其波長范圍為（530～800）nm。在NSR2205I14型設(shè)備的FIA光學(xué)系統(tǒng)上，首次安裝了相位板，同時在FIA偵測記號時增加了相差信息功能，類似于相差顯微鏡，這種功能主要應(yīng)用在偵測高度差較小的記號上。

FIA系統(tǒng)是由光源，一套光學(xué)系統(tǒng)和一套信號處理單元組成（圖4）。光源是鹵素?zé)舭l(fā)出的白光，過濾出所需波長的光通過光纖傳送到光學(xué)系統(tǒng)，最終照射到晶圓上。晶圓放射的光沿著原來的路徑傳送到電視攝像機(jī)上。晶圓上的記號信號通過電視攝像機(jī)轉(zhuǎn)換成模擬視屏信號后，又傳送至FIA單元。通過FIA單元信號處理后，計(jì)算出對準(zhǔn)所需的參數(shù)，這些參數(shù)通過工作站處理來控制晶圓曝光的位置。

圖4 FIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)FIA光源入射到已經(jīng)勻膠的記號上，會發(fā)生折射與反射，折射光與反射光將有可能發(fā)生干涉，也就是光線1與光線2或光線1與光線3，如圖5所示。光線1，2與光線1，3的光程差分別為d1-2=2nhr和d1-3=2nhm。其中，n為光刻膠折射率，hr和hm分別為圖形頂部和底部光刻膠厚度。光學(xué)中，相干長度為d=λ2/Δλ，其中λ為光源中心波長，Δλ為光源的譜寬，因d1-3＞d1-2，因此只需要滿足當(dāng)d＜d1-2時，就能避免干涉現(xiàn)象發(fā)生，即hr＞λ2/（2nΔλ）。

對于FIA光源，取其中心波長λ為660nm，Δλ為270 nm，對于折射率為1.6的光刻膠，當(dāng)hr約＞0.5 μm時避免發(fā)生干涉現(xiàn)場，從而防止對準(zhǔn)記號的識別不正確或者識別位置發(fā)生偏移。

1.2.2 FIA信號處理過程

如圖6所示，在FIA顯微鏡內(nèi)部有一個指標(biāo)記號板，它和晶圓上的對準(zhǔn)記號有相同的聚焦。紅外線直射到指標(biāo)記號上，指標(biāo)記號用CCD讀出指標(biāo)記號信號，與此同時，晶圓上的對準(zhǔn)記號也被對準(zhǔn)記號用CCD檢測處理，最終，F(xiàn)IA單元計(jì)算出指標(biāo)記號與晶圓對準(zhǔn)記號的中心坐標(biāo)偏差。因?yàn)镕IA的光不是直接經(jīng)過投影鏡頭而是通過對準(zhǔn)顯微鏡照射到晶圓上，因此它是屬于離軸對準(zhǔn)系統(tǒng)。

1.2.3 FIA性能特點(diǎn)

圖5 FIA入射記號

圖6 FIA結(jié)構(gòu)

FIA的對準(zhǔn)記號可以采用X，Y方向分別獨(dú)立的對準(zhǔn)記號，也可以采用X，Y方向合成在一起的對準(zhǔn)記號，但是采用X，Y方向獨(dú)立的對準(zhǔn)記號時，X方向?qū)?zhǔn)記號識別完成后，曝光臺還需要將Y方向?qū)?zhǔn)記號移動到對準(zhǔn)顯微鏡下，這將會造成設(shè)備產(chǎn)能下降，因此一般都采用X，Y方向合成對準(zhǔn)記號。FIA對準(zhǔn)能較好的適應(yīng)大部分情況的對準(zhǔn)，但是對于明暗度差別低，對比度較差的對準(zhǔn)記號，會發(fā)生對準(zhǔn)報(bào)警。

1.3 LSA對準(zhǔn)與FIA對準(zhǔn)對比

（1）對準(zhǔn)光源。LSA采用623.8 nm的He-Ne laser作為光源，其更換成本相對較高，且其收集的是衍射光，故屬于暗場對準(zhǔn)。FIA采用鹵素?zé)糇鳛楣庠?，其更換成本較低，且是通過CCD圖像傳感器來識別記號，故屬于明場對準(zhǔn)。

（2）對準(zhǔn)記號及產(chǎn)能。LSA采用柵格狀圖形（圖7）作為對準(zhǔn)記號。因LSA需要單獨(dú)對準(zhǔn)LSAx與LSAy兩個記號，故所用對準(zhǔn)時間相對長，對應(yīng)產(chǎn)能相對低。FIA采用圖8所示的形狀作為對準(zhǔn)記號。因FIA可以一次對準(zhǔn)出FIAxy記號，故所用時間短，對應(yīng)的產(chǎn)能高（注：FIA也可以采用相互獨(dú)立的FIAx與FIAy記號，這種情況下對應(yīng)的產(chǎn)能低，故一般不采用）。

（3）工藝適用情況。LSA對準(zhǔn)精度相對低，且對于非對稱對準(zhǔn)記號，金屬層及較淺的記號難以識別。FIA對準(zhǔn)精度相對高，能適用于絕大多數(shù)工藝層，但是對于對比度較低，臺階較淺的對準(zhǔn)記號難以識別。

圖7 LSA對準(zhǔn)記號

2 結(jié)束語

根據(jù)不同工藝層選擇合適的對準(zhǔn)方式，有利于提高對準(zhǔn)精度和效率。就一般情況來說，優(yōu)先推薦使用FIA對準(zhǔn)，因?yàn)闊o論是其對準(zhǔn)精度，識別對準(zhǔn)記號的能力，還是對準(zhǔn)效率都是優(yōu)于LSA對準(zhǔn)，但是在特殊情況下，如對準(zhǔn)記號對比度差時，則可以使用LSA取代FIA對準(zhǔn)。

圖8 FIA對準(zhǔn)記號

［1］何峰，吳志明，王軍，袁凱，蔣亞東，李正賢.Nikon光刻機(jī)對準(zhǔn)系統(tǒng)概述及模型分析［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2009（4）：8-12，18.