第九章.ASML 步进扫描式光刻机

第九章．ASML 步进扫描式光刻机

荷兰ASML的光刻设备是全球最好的光刻设备制造商，光刻设备是芯片行业最主要，最

关键也是最贵的设备，以下我们以ASML PAS 5500 为研究对象进行讨论，ASML光刻机

主要由光罩采集和存放系统，光罩扫描系统，硅片传输送系统，防振系统，硅片移动扫描

系统，光照投影系统，光罩及硅片对准系统，温控系统，电器柜以及人机界面操作系统构。本文主要对其核心组件加以介绍，内容包含曝光系统，光罩台（Reticle Stage），晶圆台(Wafer Stage )，防震系统(Air Mount)，对准系统（Alignment）。

9.1野史：

17世纪1608年在伽利略发明望远镜之前，一个叫汉斯·利普塞尔荷兰眼镜商人发现用两

块镜片可以看清远处的景物,受此启发,制造出了人类历史上第一架望远镜。之后此事传入伽利略耳中,他制造了更精确的望远镜,这一发明开始为科学服务。三百年过去了，荷兰人在半导体光刻领域依然保持了其不可动摇的地位。

9.2基础知识：

两个重要公式

R=K1*波长/NA

DOF=K2*波长/（NA）

NA大代表成像系统能收集到更高阶的衍射级数，而高阶衍射光越多，图像细节越清晰，分辨率越好

R代表分辨率，R越小越好，说明分辨率高，然而R变小会引起DOF聚焦深度的变小，

所以后来就分别引入两个系数K1和K2，和材料等有关系。另外采用不同的照明方式也可

以提高聚焦深度。

利用傅里叶光学变化，我们可以将光分解为0阶，1阶，3阶，5阶，7阶，阶数越高图

象越清晰。

如何定义0阶，1阶和2阶曾，我们把从圆心到顶弧处的光波弧度最大处定义为0阶，0阶

光强最强，同理由可得1阶。光罩间的间距越大，入射角越小，更容易捕捉成像。

从图9-5我们不难看出，光的衍射还取决于波长，采用短波长的光源可以减少衍射。从而

提高分辨率。因为R=K1*波长/NA

由式（1）和式（2）可知，曝光波长的缩短可以使光刻分辨率线性提高，但同时会使焦深

线性减少，由于焦深与数值孔径的平方成反比，增大投影物镜的数值孔径，所以在提高光

刻分辨率的同时会使投影物镜的焦深急剧减少。由于硅片平整度误差，胶厚不均匀，调焦

误差以及视场弯曲等因素的限制，投影物镜必须具备足够的焦深，离轴照明可以提高焦深。

9.3 ASML曝光系统

Pupil shaping module用于提供不同的光学图象，提高分辨率，离轴照明可分为环行照明

四极照明和二极照明。

ASML 5500 提供波长为193nm的深紫外光源。在光路设计方面尽可能减少关学器件的使用以此保证系统达到所需要的光强。

为了得到曝光所需要的光，我们需要通过一些列的光学元件来实现。下面我们以ASML PAS 5500 为例子来研究。

9.3.1汞灯：

汞灯用来提供曝光用的光，汞灯内部有正负极，当灯亮的时候，电流从正级流到负极，这时里面的汞就变成了导体。一旦温度高到200摄氏度时，水银就不再是液体，而转变成为液体

汞灯发出的光向各个方向扩散，我们需要把光汇聚起来，打到大光强的目的，这时候一个椭圆镜是必须的了。我们知道椭圆有两个焦点，我们把光源放到一个焦点上，那么光就会聚到另外一个焦点上，那就是快门的位置。同时这个椭圆镜还有另外一个功能，吸收不需要的光线。

9.3.2 Filter

反射出来的光也不是全部需要的，我们只需要365nm（I-line）或者的波长，别的波长的光也是要淘汰的，这时候filter就上场了，它的作用就是过滤掉不要的东西，只让需要的波长的光通过。

9.3.3 quartz rod

有了我们需要的光源就可以曝光了吗？当然不可以，因为我们不仅需要很纯的光，

还需要均匀的光，这样投射到wafer上不会造成各个地方的CD不一致。谁来担当这个重

任呢？ASML用的是一种叫quartz rod的玻璃长方体。

Quartz rod的作用是将光打散，使其更加均匀。因为光从laser出来后，本身在X , Y 方向上是分布不均匀的。这也是为什么在iline的机器上没有pupicom的一个原因。由于我们Quartz rod是一个slit 的尺寸，X 方向宽， Y方向比较窄，所以光进入到出来后，X 方向的

反射少于Y 方向，相对的光强损失的就少。(其中Energy sensor用来测光强)

另一方面Quartz Rod 也相当于是一个偏正器，控制光在我们所需要的理想区域，如图1，2，3在Quartz Rod里发生多次折射。

9.3.4 REMA

有了均匀的光，我们就可以拿来曝光用，可是有时候我们不需要全部视场大小的光，可能

只要曝光一个很小的区域，这时候用于挡光的机构，nikon叫blind， ASML叫REMA的东

西就用上了，他们都是上下左右四块挡片，用马达带动，需要多大的区域只要让马达带动

挡片，把不要的光遮住，这样就可以曝光我们需要的地方了。

9.3.5 Project Lens(镜头)

最后，通过一块大的lens把光汇聚一下，就可以投射到reticle上进行曝光了。

光进入不同的介质都会被吸收，发生折射或衍射，折射的多少取决于材料的使用，假设在Projection Lens 里发生多次折射，那么这些方向无规则的光就成为了杂散光，那么我们需

要用一些能防止折射的涂层来减少杂散光的产生。/

Projection Lens里面有99.5%的氦和0.5%的氧用来防止大气污染，另外通有纯水以保证

Lens内部22度的常温

9..6总结

这些是照明系的主要组成部分，随着技术的发展，厂家加入一些用于提供分辨率的机构来

达到要求。比如NIKON有一种变形照明，在光路中加入了一个可以旋转的圆盘，圆盘上

有一些用于产生特定图形的东西，如小sigma，annual等等，有的时候还需要两块flyeye来进行光的处理。在ASML的光路里，又会有很多负责产生各种pupil的机构，以及发展到

最后，需要偏振光，等等。反正是越先进的东西，里面的镜头用的就越多。

图9-13中的凹凸透镜是可以移动，通过它们的移动，可以透射出不同的光像，也就是不同

的sigma的光源。sigma肯定可以调的，NIKON光刻机的Lens Na采用的类似于照相机改

变光圈的机构来改变Na大小，Illumination Na用的是变形照明，就是在转盘上装上不同的na的挡片来改变，一般有用于最大曝光的convention，用于孔的小sigma，用于条的annular，

9.3.7光学补偿：

底部光学器件的主要作用是补偿pupil在X和Y 方向上光强的差异。这里要引入一个概念，ellipticity, Ellipticity = intensity balance between X and Y quadrants ,意思是我们的光斑pupil

在 X Y方向上的光强的差异。

Ellipticity = | 1-∑y / ∑x | * 100%

图9-14

理论上讲，ellipticity 会造成horizontal line & verticle line的CD 差异。

如下图的pupil, conventional mode, 在中间亮度高，上下两端亮度低。

在我们的光罩上有水平和垂直的线。中间的图片显示pupil ellipticity 很小，经过NA后的

光的量在水平及垂直方向上一致，那么CD的差异就小。

如上图右侧图片显示，在经过NA后，Y方向上的光丢失较少，X方向上丢失较多，那么

最终的CD就会有差异。这种差异在iso dense line 的效应会更明显。在dense line上，因为

线的密度高，所以diffraction更高，造成ellipticity的差异更明显。

pupicom是在将镜片等分成4个区域，使用1 （100%）和 0.945 （94.5%）的穿透率。我们

可以想象，当pupicom旋转一定角度的时候，就可以减少或增加X ，Y方向上透过的光强，已达到使其平均的目的。从图片中我们可以清楚地看到，镜片的透光率的不同。以下是一

个例子，pupicom旋转不同的角度，ellipticity 会有不同的结果。

图9-17

9.3.8光路图：

图9-18

其中Cymer Laser 我们之前已经介绍过，用于提供激光光源，这里不再阐述。

9.4 Stage(工作台)

Stage，直接理解就是工作台。每一片wafer就是放在这个工作台上进行曝光的。因为一

个产品不可能只曝一层就可以了，这就需要每一层之间的overlay要非常小，不至于产品报废。Stage的工作精度是保证Overlay的重要因素之一。为什么说“之一”呢？因为曝光的过

程是各个module合作的结果，要每一个module都很好才能生产出合格的产品。除了stage，alignment系统和Lens的畸变都会影响到Overlay的结果。

Stage都有那些东西呢？首先要有水平方向移动的驱动部件，比较老的机器如G6和I8等stepper都是有刷电机带动丝杆，等到先进一点的机器如I14，就发展到用线性马达驱动了，stage使用的是气浮台，阻力比丝杆小很多，这样速度也就上去了。除了水平方向，垂直方

向也要可以动作，这样才能保证wafer在lens的焦面上工作。熟悉老的机器的TX知道WS

专门有一个叫Z-stage的组成部分，它是chuck下面有一个楔形机构，用一个马达拖动，通

过这个楔形机构使水平运动转化为垂直运动。等到更先进一点的机器，从I12开始，Z-stage和leveling stage集成到一起，在chuck底下平均分布这三个带楔形机构的马达，叫Z-thita马达，这三个马达向同一方向运动，就能达到Z方向运动的目的，向不懂方向运动，

就可以补偿leveling。什么叫leveling？就是找到水平面。这个水平面不是绝对水平面，而

是焦面。lens的焦面不可能做到完全水平，多多少少会有一点倾斜，而且wafer表面经过多层工艺，表面上已经是高低不平，所以每次曝光之前都要把这个水平面找到，在leveling

系统和leveling stage的共同作用下，补偿这个offset。

除了X，Y，Z(Z-stage)，Rx，Ry(leveling stage)方向的运动，Rz方向也需要的。Rz也就是rotation，补偿的是wafer的rotation。一片wafer放到stage上面，不可能每次都放的非常准，多多少少有一点偏差，XY方向可以用stage的位置来补偿，rotation就要靠thita stage来补

偿了。这个stage设计的有点傻，它的旋转支点不在wafer正中间，这样造成补偿thita时候，XY方向也跟着变化。后来的机器（i12开始），就取消了这个stage，直接用reticle rotation

来补偿了。

NIKON的stage是一种塔状设计，最底层是XY方向运动的stage，上面是Z-stage，再上面

一层就是leveling stage，再上面就是Theta stage，然后就是chuck了。但是从i12开始，Leveing staage和theta stage被取消了，这样就精简了很多，所以i12以后的设计还是比较

科学的。

上面介绍了一些stage硬件构成，但是仅仅这些马达不能使stepping精度到达um级别，甚

至nm级别（在scanner出现以后，stage的精度需要到nm级别了）。闭环控制很重要的一

环就是要有反馈，反馈从哪里来的呢？当然是测量系统给出来的。Stage的stepping精度取

决于测量系统和马达的配合。所有的stage的水平方向的运动都是靠HP干涉计来确定的

（不管是NIKON还是ASML，CANON都是用HP interferometer，别无二家），它的原理

就是迈克尔逊干涉仪和多普勒效应，有兴趣的可以百度一下。最刚开始G6或者g7只用两

根激光，X和Y方向各一根，越往后激光用得越多，到后来听说要达到十几根，那时候的

控制已经是非常复杂了，超出我所能理解的范畴了。

Reticle stage的设计就没有那么复杂了，它的作用就是找到reticle的mark，把它对准到lens 上的reference上，这样就相当于reticle的中心在lens中心了。NIKON的RS有三个马达，

只做水平运动，一个X方向，两个Y方向，这样两个Y方向马达控制reticle的ratate。