Nikon光刻机对准系统功能原理

Nikon光刻机对准系统功能原理
投影光刻机对准系统功能原理
1 对准系统简介
对准系统的主要功能就是将工件台上硅片的标记与掩膜版上的标记对准，其标记的对准精度能达到±0.4μm （正态分布曲线的3σ值）。

因为一片硅片在一个工艺流程中的曝光次数可能达到30次，而对准精度直接影响硅片的套刻精度，所以硅片的对准精度非常的关键。

由于对准系统对硅片标记的搜索扫描有一定的范围，它在X方向和Y方向都只能扫描±44μm，所以硅片被传送到工件台上进行对准之前，需要在预对准工件台上先后完成两次对准，即机械预对准和光学预对准，以便满足精细对准的捕捉范围。

注意：本文所提到的对准都是所谓的精细对准。

PAS2500/10投影光刻机对准系统主要由三个单位部分构成：照明（对准光源）部分，双折射单元和对准单元。

这三个单元与掩膜版、硅片、以及投影透镜的相对位置如图1所示，在图中可以看出，对准系统中用了两个完全相同的光路，这是为了满足对准功能的需要。

1.1 对准系统的光学结构和功能
由于对准系统中的两条完全相同，所以在下面的介绍中只详细地阐述了其中的一条光路。

在对准系统中，照明部分的主要部件就是激光发射器，它产生波长为633nm的线性极化光，避免在硅片对准的过程中使硅片被曝光（硅片曝光用的光为紫外光）。

然后对准激光将通过一系列的棱镜和透镜进入双折射单元，该激光将从双折射单元底部射出，通过曝光的投影透镜照到硅片的标记上；而经过硅片表面的反射后由原路返回，第二次经过双折射单元，由双折射单元的顶部射出，再经过聚焦后对准到掩膜版的标记上。

在对准单元内，硅片的标记图象和掩膜版标记的图象同时通过一个调制器后，将被聚焦到一个Q-CELL光电检测器上。

此调制器是用来交替传送两个极化方向的硅片标记图象，Q-CELL光电检测器将对硅片的标记的每个极化方向图象分别产生一个电信号，由此产生的电信号的振幅取决于该极化方向硅片标记的图象与掩膜版标记图象在Q-CELL的显示比例。

硅片上的对准标记如图2所示，标记分为四个象限，每个象限有8μm或8.8μm的对准条，其中有两个象限的对准条用来对准X向，另外两个象限用来对准Y向。

而Q-CELL光电检测器的每一个单元对应标记的一个象限，当在Q-CELL检测器的每一个单元中，两个极化方向的标记图象的能量都相等的时候，就表明硅片与掩膜版的标记完全对准了。

从图1中可以看到对准光束在经过对准单元的时候被分成了两束，一束激光将通过调制器到达Q-CELL光电检测器，而另一束激光则以视频的形式反馈到操作台。

通过操作台上的视频监视器可以直观的看到标记的移动和对准不同标记时位置的相对变化。

虽然是两个不同极化方向的硅片标记与掩膜版标记同时对准，但是由于它们是同步的，彼此之间几乎看不到有何不同，所以只有一个极化图象被显示。

1.2 对准系统的电路部分
对准系统的电路部分主要的功能是：
1、产生一个信号去驱动光学调制器。

2、处理Q-CELL光电检测器产生的信号。

光学调制器的驱动：该调制器信号要求频率为50Hz的正弦信号，其振幅要求能满足对最大的Q-CELL检测信号起调制作用。

Q-CELL检测信号的处理：在对准的时候，工件台将首先沿X轴向缓慢地带动E-CHUCK上的硅片移动，进行X轴向对准，当硅片标记上X向光栅与对应的掩膜版上X向光栅对准时，将产生一个对准电信号，该信号以中断信号的形式输入计算机，X向对准的两个象限光栅都将产生其各自的中断信号。

当产生中断信号的同时，计算机将记录下此时工件台的位置。

在X向对准的时候，一个标记中两个象限的光栅同时参与，在每个象限中光栅条纹之间的间距是一个恒定的常数，但是这两个象限的光栅条纹间距并不相同，如图2所示。

在对准扫描的过程中，每一个象限中的每一条光栅条纹都将会产生各自的一个中断信号，由于两个象限的光栅条纹间距不同，所以在扫描的时候只能有一个点将同时产生两个中断信号，而这个点就是在X
向硅片对掩膜版的位置。

实际上，硅片和掩膜版之间一般都存在一个角度，因此同时产生中断信号的概率几乎为零，但是计算机可以通过对这些中断信号的比较筛选，计算机最佳对准点。

一旦X向对准完成后，系统将进行Y向对准，Y向对准与X向对准几乎一样，只是Y向对准的时候工件台带动E-CHUCK上的硅片沿Y向移动，对准系统是利用另外两个象限的光栅。

1.3 对准系统的气动部分
在对准系统中，气动部分主要用来控制对准激光的快门，当对准系统不工作的时候，快门将阻断对准激光，两束激光的快门是同步执行的。

1.4 对准系统的软件部分
对准系统中一般由五个对准程序组成，系统可随时任选其中一个执行。

这五个程序分别是：零层对准、整体对准、硅片对准、掩膜对准和辅助对准。

在对准的过程中，除了在沿X向和Y向扫描外，还必须完成旋转角度θ的调整。

但是对于转角θ的调整根据投影光刻机的版本有一定的区别，比如，大多数PAS2500/10投影光刻机对准转角θ是靠对准程序去旋转掩膜版完成。

而PAS2500/40型和部分PAS2500/10型投影光刻机的掩膜台没有旋转功能，对准系统程序在进行硅片坐标扫描后，将坐标量反馈到主程序，主程序将计算出硅片的坐标与系统机器坐标之间的偏移量，计算出两个坐标之间的偏移量将由工件台自动旋转进行转角θ的修正。

零层对准完全没有作过曝光工艺的硅片需要曝光时，由于在硅片上没有标记，因此系统需要将掩膜版与曝光台上的基准标记（fiducial）进行对准。

在工件台上有三套基准标记（fiducial），每套标记中又包含有五个对准标记，实际上，系统一般选择其中的第一套基准标记进行对准，而第二套基准标记是备份，第三套基准标记一般用在聚焦系统中。

整体对准（WGA）换掩膜版和换硅片后，也就是掩膜版和硅片都更换时需要进行的对准。

硅片对准（LSA）只有硅片更换后需要完成的对准。

掩膜对准更换掩膜版后需要的对准。

辅助对准同一片硅片需要在不同型号的投影光刻机上曝光需要的时候。

辅助对准标记比主对准标记小，而且它分布于曝光视场的划片道内。

如果每一层曝光都在PAS2500/10投影光刻机上完成，这种对准就完全不需要；当硅片的某一层或某些层需要用其它版本类型的光刻机曝光时，辅助对准才需要。

对准程序流程
除辅助对准外，每一个对准程序的执行流程一般是：
A、将设置掩膜台到零位置。

B、执行XYXY对准的扫描，即X向和Y向的两次扫描。

C、计算掩膜版的旋转角度。

D、计算系统的放大倍率（因为硅片可能有膨胀变形）。

E、修正掩膜版的旋转角度。

F、修正掩膜版的高度，调整放大倍率，补偿硅片的膨胀变化。

G、返回到B步，进行X向和Y向的扫描。

H、继续执行C～F步。

2 对准光学
对准光学能从±44μm范围内，将硅片标记与掩膜版标记的对准精度提高到±0.04μm（正态分布曲线的3σ值），对准系统的光学部件分布如图3所示。

2.1 双对准系统
在投影透镜上的所有光学单元都是两套，如照明单元、双折射单元和对准单元。

掩膜版上的对准标记也是两个，一个对准光路使用一个掩膜版对准标记。

但是硅片上的一个标记将先后分别要对准掩膜版上的两个标记，它将由此来计算投影透镜的放大倍率和掩膜版的旋转角度，同样，靠对准硅片的另一个标记可以
计算出硅片的旋转和膨胀。

另外，两条对准光路的各结构部件和其功能完全相同。

2.2 对准标记
掩膜版与硅片的对准是运用在套刻的过程中，将硅片表面的标记发射到掩膜版上，如图4所示。

硅片标记由四个象限的光栅条构成，每个象限的光栅明暗条周期分别是16μm或17.6μm。

但是在对准的过程中，只选择了硅片标记反射的一阶衍射光，由于硅片表面上的标记光栅条为8μm或8.8μm，而投影透镜的放大倍率为5倍，因此，对准反射光经过投影透镜后，对准标记图形光栅条为40μm或44μm，所以掩膜版上的标记图形光栅条也是40μm或44μm。

标记采用游标原理，可以增加对准时的捕捉范围，即从±4μm到±44μm，而且对准精度不会超过±0.04μm （正态分布的3σ值），如果不采用游标原理，对准的捕捉范围将缩小，并且假如硅片标记漂移超过4μm 以后，对准系统的时候只依靠8μm的图形光栅条就将无法完成对准。

在对准游标系统中，X向和Y向分别各有两个图形光栅条，其中一个图形光栅条的宽度为：硅片上的标记图形光栅条为8μm，对应该方向上的掩膜版标记图形光栅条为40μm；另一个图形光栅条比前一个宽10%，即硅片上标记图形光栅条为8.8μm，对应该方向上掩膜版标记图形光栅条为44μm。

在游标标记的对准过程中，假如8μm和8.8μm的光栅条与掩膜版的光栅条都完全对准后，系统将认为对准完成。

但是，假如硅片标记漂移了8μm的整数倍距离，那么在16μm的光栅条显示零误差时，而17.6μm的光栅条则会出现(8N/10)的偏移误差。

因此，只有间隔88μm 的地方，8μm和8.8μm的光栅条在与掩膜版对准的时候才会出现完全对准。