光电检测技术——激光扫描式光电自动对准(光刻机)

§4-4 激光扫描式光电自动对准（光刻机）

一、 硅片生产：

光刻工艺：

拉单晶（元筒）；切片（元片2英寸(inch)、3英寸(75mm)、4英寸(100mm)）；表面抛光（镜面）；光刻（电阻、电容、二极管、三极管、集成电路、MOEMS 、小机构）；切成小块。

最新报导(97.9.9)：15英寸375mm 硅片

电阻、电容、二极管、三极管、集成电路 掩模光刻

表面有光刻胶

远紫外

光曝光

渗杂

（只渗杂

图形部分）

光刻（十几次）

X

Y

θ

对准

二、对准原理

左标记右标记

（1）一次扫描完成三维对准。

当21T T =及54T T =时则对准

（2）硅片相对掩模的偏差量（θ???,,y x ）[三者为0，则对准]

虚线表示掩模与硅片完全对准位置：则

①对于单个标记

H P x 0=?

HP y =? （1）

而：

)/2L -(L L -)/2L (L '5455400=+==E

E E P

2/)(]2/)[('2112100L L L L L BB P B --=-+==

2

'''2'''2'

'000000PoE P B P B E P P B P B E B H P +-=-+=-=

4

22/)(2/)(5

4215421L L L L L L L L -+-=-+-=

(2)

4)

()(2)/2L -(L )/2L -(L - 2''2'''5421542100L L L L E P P B E B HE HP -+--=

+=+==

= (3)

综合（1）、（2）、（3）式得

4

/)]()([4/)(54215421L L L L y L L L L x -+--=?-+-=?

设激光束扫过AB ，BC ，CD ，DE ，EF 之间的时间间隔分别为T 1，T 2，T 3，T 4，T 5，扫描速度V=2.6m/s ，则

V T T T T x 4)

()(5421-+-=

? （m ）

(m) 4

)

()(5412V T T T T y -+-=

?

这就是单个标记的偏移量

②对于具有左、右标记的对准方式而言 硅片中心的偏移量及整体转角为：

20R L X X x ?+?=

? 2

0R

L Y Y Y ?+?=? ]/)[(Sin -1L Y Y L R -?=?θ

硅片只需按这些误差，反向调整，

使

0 000=?=?=?θy x

则硅片与掩模对准了。

三、光学系统

由激光扩束系统，恒速，（线性）扫描，转象，聚焦（扫描显微物镜），五大部分组成。

八面鼓反射镜位于扫描透镜的前焦点，在θ-f 透镜组的后焦面上得到等速垂直于掩模表面的扫描光线。

当激光束扫描到掩模版和硅片上时，如果没有检测到图形，激光束产生有规

P 0L

P 0L ’

0R ’ P 0R

O O ’（Δx 0, Δy 0, Δz 0）

L

则反射，以原光路返回，达到滤波器中心部分；因为滤波器中心不透明，这样有规则反射光就被挡住，光电检测器输出为零（即所谓暗视场检测法）；

如果激光束扫描在图形区域，则产生衍射，这样衍射光通过空间滤波器十字叉到达光电检测器输出信号。

§4-5 光电自动准直仪

原理：①十字分线板被照亮，十字线经物绕5以平行光照向被测物体；

②反射十字象偏移另α

2f

y=α'

=

2

'tg

f

③使狭缝12振动，用相位扫描方式可使被测物准直过来。

④精度α=0.1"

§4-6 光电接触定位

一、光学指零器

对于垂表面，盲孔等特殊场合，无法采用普通光学瞄准方法测量，这时采用光学指零器定位比较方便。

基本成象过程如下：

光源经聚光镜照亮十字分划板，分划板位于物镜焦面上，故物镜出射平行光，经平面镜M 2，M 1多次（N 次）反射，当M 2转动θ角，则总反射光与光轴成θαN 2=角，反射光重新进入物镜，经析光镜反射成象于双刻线分划板上。从目镜看到的视场如图示，小球偏移量可以从目镜分划板上读出，每小格代表2μm 。

十字分划板

双刻线分划板 （每格2μm ）

三． 光电灵敏杠杆：

用§4-3节的扫描法，在水平、垂直两个方面瞄准。 补充题：

如图4-21的光学灵敏杠杆。已知：人眼的瞄准精度"10"=α，仪器的瞄准精度x 仪=1μ，杠杆臂长a=50mm ，物镜焦距f ’=60mm 。 求：目镜放大率β，及光杠杆放大倍率K 。 解：人眼瞄准精度（长度）μρ

αδ5.120125.010

2"

10250"

2505

min ==??=

?=

mm μ1=仪x ，mm a l 50==

μδ4.2104.250

601012'233=?=???==

∴--mm l f x 仪

则：目镜放大率2.54

.25

.12min ===δδβ 光杠杆放大倍数4.21

4

.2==

=

仪

x K δ

2

O

f 二、光杠杆放大倍率

设仪器瞄准精度x ，则l

x =

θ，l

Nx N 22=

=θαl

xf N f tg f '2''===ααδ 则光杠杆放大倍率

l

Nf x K '

2=

=δ

因此↑↓↑N l f ,,'则↑K 超级光杠杆：就是指多次反射的光杠杆

§4-7 光盘系统循迹伺服（放于光盘一章）

1．循迹精度

光盘轨迹的节距仅为1.67μm ，光斑直径（艾里斑）2μm 。

m NA μλ

1.245

.01078022.122.13

=??==Φ- 而光盘偏心（夹持偏心）与主轴跳动±70μm （±0.07mm ）。对存在循迹误差时信号读取情况考察的结果表明，循迹误差最好抑制到±0.1μm 左右，则伺服的增益：

)(571

.070

lg

20dB =分贝 2．循迹伺服方框图

3．偏迹误差的检测（三光束法）实际是横向瞄准

半导体激光器发出的光经光栅产生0级，±1级光。0级光为主光束经光盘轨道成象在四象限探测器上，±1级光为副光束经光盘轨道两旁反射在五、六两象限（

A ，C ）上成象。

循迹误差信号C A V V u -=?

（粗伺服） B 六象限探测器

取图中（b ）位置时，立光束的光点正好在轨迹上，是最期望的状态。在这种状态下，副光束A 与C 都只有少许入射在轨迹上，它们其余部分都入射在所谓镜面上（无信号坑处），这部分光被反射到A 、C 探测器，因光通量相等，则

0,=?=U U U C A 。主光点对准轨道。

如果从这种状态偏离，就会固A 、C 光束之一被信号坑衍射失衡：

a) 光通量A 大于光通量C 0u >?>C A u u 上偏 b) 光通量A 小于光通量C 0u

(a) + (b)

0 (c) _

(b)

(a)

副光束A

副光束C (c) 三光束法寻迹原理

寻迹 误差 信号

4、光盘光学系统原理

光盘光学头光学原理图

由衍射光栅出来的光，通过偏振棱镜进入准直透镜，将其具有发散性的激光变成平行光，之后进入物镜。物镜则将平行光会聚成非常细小的光点投射到碟片信号面上，而被信号面反射回来的光再通过物镜，成为入射到准直透镜的会聚光。

当经物镜聚焦又经碟片反射回来的光，若不经特殊措施处理，则按原来的光路返回激光器中，对光源的激发状态不但产生不良影响，而且还将造成激光输出的变动，这样便无法读取信号，伺服系统也不能正常工作。

为使激光输出稳定，确保伺服系统正常可靠地工作，便在光路中放置了偏振

分光棱镜（PBS）及1/4波长片。

PBS具有透过平行振动光而反射垂直振动光的作用。从半导体激光器（LD）发出的平行于纸面的偏振光被光栅分成0级、±1级三束光，它们透过PBS并通过λ/4波片变成左旋元偏光（符合右手螺旋法则），到达光盘表面反射后产生π相位跃变，返回的光线变成了右旋元偏光（符合左手螺旋法则）。这返回的三束光再次通过λ/4波片时变成垂直于纸面的线偏光，它们从PBS的偏振分光面反射到达光电探测器。这样使从激光器发出的光不再原路返回激光器，而是转过90o进入光电探测器。

（1）光学头滑动进给机构（粗调）

（a）摇臂式

驱动线图与摇臂为一体，永久磁铁安装在底板上，构成线图可动的线性马达。

（b）齿轮齿条式与丝杆式

有齿隙存在时，会由于外来振动而使循迹伺服易于脱钩或产生进给伺服的死区（该动不动）。

访问速度比另两种慢。

（c）线性马达式

在看重访问速度的场合下使用，如磁光盘驱动器，CD-ROM等。

驱动力F=BIL(磁通密度)

速度线图（电压）e=BLV

导轨为滚动摩擦导轨（响应快）

（2）二轴调整器（二轴组件）（用于微调，精伺服）由物镜、磁缸、线圈、塑料制铰接结构的臂组成。