李世光 1,2,3,*†郭磊 1,2,3,**†曾海峰 1,2,3戢逸云 1,2,3[ ... ]肖燕青 3
1 中国科学院大学集成电路学院，北京 100049
2 中国科学院微电子研究所成果转化部，北京 100029
3 江苏影速集成电路装备股份有限公司，江苏 徐州 221300
光刻技术中的聚焦控制对曝光质量有直接的影响。曝光过程中，为保证良率，曝光区域需要时刻处于焦深范围内。通过建立数学模型，探讨了光刻机系统总离焦量与产品良率的关系，而光刻机的总离焦量又是多种离焦误差共同作用的结果。研究了先进的双工件台光刻系统和应用于掩模板制造的数字微反射镜装置光刻系统的工作流程，分析了与聚焦控制密切相关的若干离焦误差。在诸多误差因素当中，调焦调平传感器对总离焦量有着重要影响，光刻机的聚焦控制很大程度依赖于调焦调平传感器的准确测量。对Canon、Nikon和ASML的调焦调平传感器进行了调研，对比研究各自的传感器原理和结构，为光刻机的聚焦控制分析提供参考。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922016
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院大学，北京 100049
光刻机利用调焦调平测量系统实现对硅片形貌的精密测量，是实现高质量曝光的关键。基于光学三角法实现硅片形貌测量的调焦调平测量技术是目前主流光刻机厂商普遍采用的技术。首先，介绍了光学三角法的测量原理和系统组成。然后，以实现高精度、高速硅片形貌测量为目标，重点分析了调焦调平测量系统的测量方式、工艺适应能力以及相适应成像探测光路涉及的关键技术及演化过程。最后，指出了调焦调平测量系统需要改进和优化之处，以应对极紫外光刻真空环境的要求。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922015
1 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对先进光刻调焦调平传感器系统的增益系数工艺相关性开展理论仿真与实验研究。建立了增益系数工艺相关性理论模型,仿真分析了调焦调平传感器增益系数与测量误差随不同光刻工艺材料膜层厚度的变化规律。在自研实验系统上对表面涂覆不同厚度SiO2薄膜的硅片样品进行了实验验证,发现实验与理论仿真得到的增益系数与测量误差随膜层厚度的变化规律一致。仿真与实验研究结果表明,调焦调平传感器的工艺相关性测量误差在SiO2膜层厚度为250 nm和690 nm附近时分别出现约55.9 nm和36.6 nm的误差峰值。采用表面覆盖特定膜层的硅片来标定光刻机调焦调平传感器,可以有效减小增益系数工艺相关性的影响和测量误差。本研究结果对于光刻精密对焦控制、光刻工艺优化具有重要的参考意义。
测量 调焦调平传感器 增益系数 工艺相关性 对焦控制
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
调焦调平系统主要通过光学三角法的测量原理来实现,线阵电荷耦合器件(CCD)具有高帧频和高分辨率等特点,适用于高速且高精度检测的三角法测量。某调焦调平项目要求线阵CCD具有2048个有效像元,5 kHz的行读出频率,为此提出对最大额定读出频率为10 MHz的S11156-2048型线阵探测器进行12.5 MHz超频读出的驱动设计,以满足系统行读出频率的要求。首先从理论上验证超频读出的可行性,然后在电源、时序驱动和模拟前端的设计上展开细致研究,最后使用积分球光源在6.0 MHz的额定频率读出和12.5 MHz的超频读出下对线阵CCD成像系统的光电性能进行对比测试。实验结果表明,S11156-2048型探测器采用12.5 MHz的超频读出设计光电性能没有明显下降,信噪比为54.22 dB,电荷转移效率为0.999974,满足调焦调平系统的成像性能要求。
光学设计 调焦调平 线阵CCD 超频读出 电荷转移效率 信噪比 光学学报
2021, 41(18): 1822001
1 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
调焦调平传感器是光刻机关键分系统之一,用于曝光前对硅片高度形貌进行测量。投影光学系统是调焦调平传感器的核心,其成像质量直接影响传感器测量精度。根据调焦调平传感器的测量原理与像差理论,分析得到投影光学系统放大倍率、畸变、远心度和分辨率对调焦调平系统测量精度的影响规律。为此,优选反射式投影光学系统设计方案,该方案具有结构简单、无色差,畸变小等特点,并利用ZEMAX软件进行设计优化和公差分析,所设计系统工作波长为600~1000 nm,放大率为1.000,视场3 mm×26 mm范围内弥散斑均方根半径小于0.189 μm,调制传递函数为0.74@33 lp/mm,最大畸变为0.0008%,远心度为0.04 mrad。结合目前光机制造和装配能力可知,用于光刻调焦调平的反射式光学投影系统设计可工程实现。
光学设计 调焦调平 反射式 投影光学 光学学报
2020, 40(15): 1522002
1 中国科学院微电子研究所， 北京 100029
2 中国科学院大学， 北京 100049
随着半导体制造步入1x nm技术节点时代，光刻机中的对焦控制精度需要达到几十纳米。在纳米精度范围内，硅片上的集成电路（IC）工艺显著影响调焦调平系统的测量精度。基于实际的调焦调平光学系统模型和三角法、叠栅条纹法测量原理，建立工艺相关性误差模型。研究表明，工艺相关性误差主要来源于测量光在光刻胶涂层内部的多次反射。选取3种光刻胶仿真分析发现，不同光刻胶的工艺相关性误差随光刻胶厚度的变化趋势相同，随测量光入射角（45°~85°）的增大而减小。在实验验证平台上分别测量7种工艺硅片，实验测量值与理论模型计算值差异统计平均值小于6 nm。结果表明，光刻机中调焦调平系统的测量光有必要采用大入射角度，同时提高光刻胶的涂胶均匀性，以减少工艺相关性误差。
测量 调焦调平 工艺相关性 纳米光刻
1 中国科学院微电子研究所， 北京 100029
2 中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室， 北京 100029
3 中国科学院大学， 北京 100049
随着半导体制造步入1x nm技术节点时代，调焦调平系统的测量精度达到几十纳米。在纳米尺度范围内，集成电路（IC）工艺对调焦调平测量精度的影响很大。提出一种基于光学三角法和叠栅条纹法的调焦调平测量技术，利用空间分光系统将两组位相差为π的叠栅条纹同时成像到两个探测器上，通过归一化差分的方法计算硅片高度，可有效降低调焦调平测量技术对IC工艺的敏感度，尤其是IC工艺导致的光强变化的敏感性。实验结果表明，该系统测量重复性精度为8 nm（3σ），线性精度为18 nm（3σ）。当测量光强变化达90%时，该测量技术引起的线性精度变化为15 nm（3σ）；当光强变化为65%时，线性精度变化小于1 nm（3σ）。
测量 调焦调平 空间分光 硅片高度 集成电路工艺
1 华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北 武汉 430074
2 上海微电子装备有限公司,上海 201203
调焦调平测量系统(FLMS),实时测量硅片曝光视场区域与投影物镜焦面的相对位姿,其测量准确度影响光刻机曝光成像质量。调焦调平测量采用大入射角将3个以上的探测光斑投影到硅片曝光视场区域实现对硅片高度和倾斜的测量。如果光斑位置存在误差,就会引起硅片测量准确度误差,进而造成硅片曝光视场区域离焦,影响曝光成像质量。根据调焦调平单点几何测量模型,建立了光斑位置误差模型。研究结果表明,调焦调平单光斑的测量高度误差与光斑水平位置误差成正比,经调整调焦调平的零平面与焦面近似平行,并精确校准光斑水平位置误差到0.05 mm,其造成的测量误差最大为10 nm。
测量 光斑位置误差 调焦调平测量系统 光刻机
华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室, 武汉 430074
成像质量是光学光刻机的最主要指标,硅片调焦调平测量是光刻机控制成像质量的基础。为此建立了硅片调焦调平测量系统单个测量点的测量模型,并根据硅片形貌标准和集成电路尺寸标准,推导了近似运算规则,简化了曝光场高度与测量光斑在光电探测器上的位置之间的数学关系。运用最小二乘法和平面拟合曝光场曲面的方法,推导了基于多个测量点的曝光场高度和倾斜测量的数学模型。该模型能满足调焦调平实时测量和控制的需要,可用于测量精度优于10 nm的高精度调焦调平测量系统,能满足线宽小于100 nm投影步进扫描光刻机的需要。
光学器件 光刻 测量模型 调焦调平 步进光刻机
中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
阐述了投影光刻机调焦调平传感器的重要作用及其技术进展,详细介绍了国际上典型的调焦调平传感器,并对多种传感技术的光学原理和关键技术进行了分析和比较。
调焦调平传感器 步进重复投影光刻机 步进扫描投影光刻机 逐场调焦调平
