投影光刻中相位光柵對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記變形解決方案

殷履文，蓋玉喜

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016)

相位光柵對(duì)準(zhǔn)比較明場或暗場對(duì)準(zhǔn)的方法，由于受不同工藝層的影響小，信噪比高，對(duì)準(zhǔn)精度好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地被用于分步重復(fù)投影半導(dǎo)體光刻機(jī)中。世界上最大的投影光刻機(jī)制造商ASML在他們生產(chǎn)的投影光刻機(jī)中都運(yùn)用了相位光柵對(duì)準(zhǔn)的方法，但是傳統(tǒng)的TTL（THROUGH THE LENS）同軸對(duì)準(zhǔn)方式在對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記發(fā)生變形時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)偏差從而影響套刻（overlay）精度，而結(jié)合OA(OFF AXIS)離軸對(duì)準(zhǔn)方式則可以有效解決這一缺陷。

1 對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記變形原因分析

（1）隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，圓片上的線條越來越細(xì)，已進(jìn)入納米級(jí)。所以在曝光工藝前涂在片子上的光刻膠的平整度應(yīng)盡可能的好，這樣在曝光時(shí)機(jī)器上的找平傳感器（level sensor）才能正常工作。因此在涂膠之前圓片都要經(jīng)過拋光處理。但是在拋光過程中往往會(huì)損壞圓片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。

（2）有些半導(dǎo)體器件在生產(chǎn)過程中光刻工藝多達(dá)幾十步，所以在刻蝕工藝中圓片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記也有可能被損壞。見圖1。

圖1 變形的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記

2 與TTL對(duì)準(zhǔn)模式比較

光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的主要功能是在套刻曝光前捕捉并對(duì)準(zhǔn)掩模板-圓片的過零點(diǎn)，即測出圓片在機(jī)器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（X，Y，θ）和掩模板在機(jī)器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（X，Y，θ），并計(jì)算得到掩模板相對(duì)于圓片的位置，從而滿足套刻的精度要求。在TTL對(duì)準(zhǔn)模式中，在尋找對(duì)準(zhǔn)位置的過程中掃描激光通過透鏡折射回來的衍射光只有第一級(jí)次的信息被利用。當(dāng)掃描激光入射到圓片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記時(shí)，由于光的衍射，折射效應(yīng)，回到對(duì)準(zhǔn)傳感器的光分成很多級(jí)次。反映對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記特征的衍射光只有第一級(jí)次回到掩模板的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記上，通過圖2所描述的TTL掃描系統(tǒng)，我們能清楚地了解這種掃描方式的工作原理與過程。當(dāng)機(jī)器作掃描對(duì)準(zhǔn)時(shí)，圓片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記也隨著曝光平臺(tái)在移動(dòng)，通過掃描監(jiān)視器我們能看到明暗交替的光柵條紋。在機(jī)器的對(duì)準(zhǔn)模塊中專門有傳感器（Quadcell）檢測這一變化。其原理來自±1級(jí)衍射Fourier變換后的光強(qiáng)公式：

式中：I0為入射光強(qiáng)度，R為反射率，r為相位光柵上部線寬與下部線寬的比例，d為光柵深度，λ為對(duì)準(zhǔn)激光波長。

由于片子上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在四個(gè)象限內(nèi)都是8.0μm和8.8μm交替的光柵，所以在最終對(duì)準(zhǔn)位置的±44μm范圍內(nèi)機(jī)器都能掃描到。掃描對(duì)準(zhǔn)的精度因機(jī)器型號(hào)而一旦采用這種掃描方式一般都能控制在數(shù)十納米以內(nèi)。

圖2 TTL掃描系統(tǒng)示意圖

如前文所述，當(dāng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記產(chǎn)生變形時(shí)變形的標(biāo)記就會(huì)使TTL這種掃描方式錯(cuò)誤計(jì)算對(duì)準(zhǔn)位置，掃描激光入射到損壞的標(biāo)記上通過光學(xué)透鏡回到掃描傳感器上的衍射光產(chǎn)生了偏移。而TTL掃描方式只利用了第一級(jí)次光的信息計(jì)算對(duì)準(zhǔn)位置，所以最終的對(duì)準(zhǔn)位置就會(huì)產(chǎn)生誤差。這樣就會(huì)使套刻精度產(chǎn)生更大的誤差。

OA對(duì)準(zhǔn)方式由于測量了更多級(jí)次的衍射光所以可以盡可能地修正這種誤差。這種測量系統(tǒng)也叫ATHENA(advanced technology using high order enhancement of alignment)由于OA對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)測量衍射光不經(jīng)過成像透鏡，所以它只能用來掃描圓片的位置，要掃描掩模板的位置還須利用其他的對(duì)準(zhǔn)方式例如：TTL。

3 OA掃描系統(tǒng)分析

3.1 OA系統(tǒng)主要組成部分

◆光學(xué)部分

◆激光部分

◆控制部分

3.2 OA系統(tǒng)基本原理

OA系統(tǒng)利用兩路不同波長的激光測量，激光的強(qiáng)度和片子上標(biāo)記的深度和激光的波長有關(guān)，為了降低圓片上標(biāo)記深度對(duì)掃描精度的影響，測量系統(tǒng)采用了兩路激光，紅光和綠光。相比于TTL掃描系統(tǒng)，OA掃描系統(tǒng)由于測量了更多級(jí)次的衍射光，從而得到了更多表現(xiàn)圓片標(biāo)記特征的信息。當(dāng)激光束入射到一個(gè)光柵上就馬上會(huì)分成很多級(jí)次。根據(jù)光柵的刻線寬度和光柵間距（占空比），有一些級(jí)次的衍射光會(huì)消失。如果刻線寬度與光柵間距相等，那么就只有奇數(shù)級(jí)衍射光束存在。這跟Fourier發(fā)現(xiàn)的電場信號(hào)的情況相類似:它表現(xiàn)為一個(gè)電場信號(hào)可以按照諧波展開來進(jìn)行分析。所有的諧波又可以重新合成出初始信號(hào)。類似的現(xiàn)象對(duì)光也適用。所有的＋級(jí)和-級(jí)的的衍射光可以合成出原來的圖像，圓片上的掃描標(biāo)記可以看成是我們?cè)瓉淼膱D像。圓片掃描標(biāo)記的光柵條具有50%的占空比，所以只有級(jí)數(shù)級(jí)次的衍射光是可見的（1，3，5……）

圖3 OA掃描系統(tǒng)示意圖

圖4描述了掃描紅、綠激光照射到對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記后各級(jí)次衍射光到達(dá)參考光柵和探測器的簡要光路。OA系統(tǒng)由于測量了更高級(jí)次的衍射光，可以修正機(jī)器掃描對(duì)準(zhǔn)位置時(shí)產(chǎn)生的誤差。在TTL對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中最終的對(duì)準(zhǔn)位置是圓片上的標(biāo)記與掩模板上的標(biāo)記完全重合，在OA系統(tǒng)中，由于測量激光不經(jīng)過成像透鏡，所以它的最終對(duì)準(zhǔn)位置是圓片上的標(biāo)記與位于光學(xué)部件中的參考標(biāo)記（如圖5所示）完全重合。而采用兩組光柵（8μm和8.8μm）可以擴(kuò)大機(jī)器的掃描捕獲范圍。

圖5 參考對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記

3.3 OA系統(tǒng)全掃描過程

很明顯OA對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)不能掃描掩模板的位置，所以當(dāng)機(jī)器進(jìn)行全掃描時(shí)用TTL系統(tǒng)掃描掩模板的位置，用OA系統(tǒng)掃描圓片的位置，由于這兩種掃描系統(tǒng)都是獨(dú)立工作的，所以在他們之間就要?jiǎng)?chuàng)建一種關(guān)聯(lián)，如圖6所示。

通過圖6可以看到：機(jī)器做全掃描時(shí)，第一步是利用TTL系統(tǒng)掃描掩模板上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記M1，M2和曝光平臺(tái)上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記F2得到掩模板的最終對(duì)準(zhǔn)位置。第二步是通過F2在TTL系統(tǒng)和OA系統(tǒng)之間建立關(guān)聯(lián)，F(xiàn)2的對(duì)準(zhǔn)位置取決于OA系統(tǒng)光學(xué)部件中的參考對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。最后機(jī)器利用OA系統(tǒng)通過掃描圓片上的標(biāo)記W1，W2得到圓片的最終對(duì)準(zhǔn)位置。

圖6 OA系統(tǒng)全掃描方案

4 結(jié) 論

采用雙波長激光光束照明對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，可以顯著減小由于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記缺陷或多層掩模干涉對(duì)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)精度的影響。每一衍射級(jí)次的光信號(hào)采用單獨(dú)的光電探測器進(jìn)行探測，結(jié)合高功率激光器不僅可以保證對(duì)淺層掩模有足夠的光強(qiáng)信號(hào)，而且可以更好地適應(yīng)各種工藝條件對(duì)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)精度的影響。

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