掩模光刻機中找平控制研究

周慶奎，劉玄博，李霖

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

刻機總是不斷的向著更高分辨率，更高的對準精度發(fā)展，從而減少單個電路器件的成本，提高生產(chǎn)效率。在掩模光刻機(Mask Aligner)的應用生產(chǎn)中，雖然其分辨率受到光刻膠、曝光量和曝光光源等各種工藝參數(shù)及工作環(huán)境的影響，但是掩模版平面與基片平面的平行是光刻機對準曝光的基礎。隨著掩模光刻機分辨率進入亞微米，為了保證基片上產(chǎn)品的合格率，光刻機的找平過程和結果就越發(fā)顯得關鍵。

1 光刻機的找平結構

目前掩模光刻機中的找平(掩模版與基片楔形誤差補償)方法主要有兩種，一種為掩模版(或找平版)和基片之間的一個相互適應找平，另一種為固定掩模版(或找平版)，通過找平機構將基片與掩模版平面找平。找平機構的形式有兩種：一種采用空氣氣浮軸承找平，即空氣軸承在找平的過程中通過高壓氣體將氣浮球碗吹離球座，使球碗在一定范圍內(nèi)可以自由運動，在掩模版架的自身重力作用下實現(xiàn)基片找平，見圖1；

圖1 氣浮軸承找平機構

另一種為三點找平機構，目前我們所研制的多種型號光刻機均采用三點找平機構。三點找平機構采用彈性體作為找平補償，通過彈性體的變形量大小來補償基片與掩模版之間的距離差，從而使基片和掩模版找平。目前設備上使用的彈性體為彈性氣囊，其特點是可以通過氣囊氣壓將三點的壓力相互傳遞，使掩模版和基片找平時在平面間得到一個均勻的找平壓力，見圖2。

圖2 三點找平機構

2 找平

采用高靈敏度接近式傳感器檢測找平過程中彈性體的變形量，在承片臺下表面均勻分布3個接近傳感器。在z向驅動電機向上抬升的過程中，使基片和掩模版慢慢接觸，通過找平補償頂柱將基片平面高端的量傳遞到彈性體作為彈性體向下的變形量，當3個接近傳感器都檢測到承片臺向下微小移動時，可以判斷基片平面和掩模版平面開始找平。采用OMRON磁性檢測接近傳感器，其重復精度達到2μm。在傳感器有動作時候往往找平只是剛剛開始，基片和掩模版之間接觸的比較虛，基片和掩模版之間沒有達到期望的接觸壓力，需要對找平壓力做進一步的控制。彈性體內(nèi)部充滿一定壓力的大氣，使彈性體對3個找平頂柱的推力是相等的，從而保證了基片平面和掩模版平面之間的壓力均勻性。

3 找平壓力控制

傳統(tǒng)的找平壓力控制采用控制彈性體的變形量來間接地控制找平壓力，在氣浮軸承找平機構中通過控制第三方的接觸壓力來間接控制找平壓力。通過間接的方式對找平壓力的控制很難做到一個精確的控制。找平壓力是掩模光刻機的一個重要的參數(shù)，過大的找平壓力會使得掩模版和基片的變形量過大，在分離對準時會將這個變形量釋放，嚴重影響光刻機的性能和可操作性，太小的找平壓力會使基片和掩模版之間因自身平面度的問題導致局部沒有接觸，找平結果不理想，影響基片圖像的一致性。基于對找平壓力的直接精確控制，系統(tǒng)采用高精度的測力傳感器對找平壓力進行檢測，通過控制電機的推力實現(xiàn)對找平壓力的控制和調(diào)節(jié)，滿足硬接觸、軟接觸等不同接觸模式對找平壓力的要求。

3.1 找平壓力檢測

采用FS型觸力傳感器(見圖3)對找平壓力進行檢測。在承片臺的下表面均勻分布3個FS觸力傳感器，在z向電機抬升過程中，觸力傳感器會檢測到基片和掩模版之間的接觸壓力的變化，并將接觸壓力轉換為相應的電壓信號傳給上位機。

圖3 FS型觸力傳感器

FS型觸力傳感器測量壓力精度高，達到0.01N，不足之處輸出電壓會受到電源電壓波動的影響，需對它采用穩(wěn)壓電路供電，見圖4。

圖4 FS型觸力傳感器電壓輸出

3.2 電機及控制器

光刻機在基片Z向運動過程中要控制基片與掩模版的找平接觸壓力，在Z向運動和鎖緊后分離時還需要進行位置和速度控制，因此，在設備中采用FAUHBER公司的直流伺服電機和控制驅動器BLD7010，可以通過上位機對電機控制驅動器的設定可以實現(xiàn)電機在多種工作模式下的切換，滿足電機在不同的階段對控制的要求。電機在抬升或下降的過程中工作在速度模式下；在檢測到找平信號后進行找平壓力控制時，電機切換到推力控制模式；在找平后的掩模版與基片的分離過程中實現(xiàn)精確位置控制。控制驅動器與電機接線見圖5。

圖5 電機驅動器接線

3.3 找平壓力控制

通過控制伺服驅動器的模擬電壓信號輸入來控制電機的電流，控制電機找平時的推力。上位機通過比較給定值和測力傳感器反饋值，給出控制電機推力的電壓值，通過控制器內(nèi)部的壓力調(diào)節(jié)器(APR)、電流調(diào)節(jié)器(ACR)完成對電機的推力控制。找平壓力控制原理圖如圖6所示。

圖6 找平壓力控制原理圖

3.4 找平壓力控制的實現(xiàn)

找平壓力控制的實現(xiàn)主要由硬件的電路基礎和上位機的軟件控制實現(xiàn)，主要的硬件有上位機的測力傳感器采集電路、電壓輸出電路、電機及驅動控制器等。軟件的控制實現(xiàn)主要有對電機模式的切換，電機的運動控制，通過檢測壓力反饋值確定壓力控制輸出的控制電壓等。系統(tǒng)主程序采用Visual c++實現(xiàn)。找平過程控制流程圖如圖7所示。

圖7 找平過程控制流程圖

在實際的操作過程中，只要通過對操作界面上的找平壓力設置參數(shù)來改變找平壓力，還可以將找平過程中的壓力顯示在操作界面上實時監(jiān)控。

4 結論

通過對找平過程中的接觸壓力的直接測量可以準確得到找平過程中的找平壓力值，并將測量的接觸壓力值反饋給上位機實時的調(diào)整電機的推力，通過這一反饋可以精確地控制找平壓力，在控制基片與掩模版的變形量和找平壓力不足兩方面都有了很大的提高。在設置好找平壓力參數(shù)后，找平過程通過軟件完成，找平過程一致性好，壓力控制穩(wěn)定，提高了基片上整體圖形的一致性。