光刻機雙面對準精度測量系統

李 霖，賈亞飛，張云鵬，楊建章

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

光刻機雙面對準精度測量系統

李 霖，賈亞飛，張云鵬，楊建章

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

雙面對準精度是接觸接近式光刻機的關鍵性能指標，介紹了一種檢測此項指標的測量原理及應用該原理研制的雙面對準精度測量系統，并對設備的部件構成及控制流程作了敘述。設備實際驗證了檢測原理，對50、75、100及150 mm圓形基片均可適用。

測試測量技術；光刻機；雙面對準精度；雙面對準精度測量系統

接觸接近式光刻機主要用于功率電子器件、傳感器、光電子器件、微波電路、MEMS（微電子機械系統）及其它新型電子元器件的單、雙面對準及曝光工藝，有著較大的市場影響力。雙面對準精度是接觸接近式光刻機的一項關鍵技術指標，該指標為光刻機整機性能確定、滿足用戶對光刻機的技術要求都提供了量化的依據。直接測量光刻機的雙面對準精度有一定難度，可以通過檢測由該光刻機曝光的雙面基片的對準標記偏差來間接測量光刻機的雙面對準精度。

檢測雙面基片的對準標記偏差通常有兩類方法，一類為破環性測量，另一類為非破壞性測量。破壞性測量（例如將基片從標記處剖切開的測量方法）在檢測過程中對基片造成了損傷，使基片部分或全部報廢，給廠商造成一定的經濟損失。非破壞性測量在檢測過程中不會對基片造成損傷，檢測完畢基片可繼續進入下一生產環節。目前生產線上使用的均為非破壞性類測量設備，此類設備被國外廠商壟斷。該類設備的測量原理較為簡單，應用該原理研制的檢測設備可適用多種規格尺寸的基片。

1 測量原理

雙面對準精度測量系統的檢測原理如圖1所示，將待檢測基片吸附固定于工作臺上，移動工作臺使基片雙面標記進入頂部及底部視場范圍，通過CCD成像系統在顯示器中同時顯示基片兩面的標記圖像，經過數據處理在系統中記憶標記位置并固化在顯示器中，然后將工作臺旋轉180°，移動工作臺使雙面標記重新進入顯微鏡視場并在顯示器中顯示標記圖像，此時再調節工作臺使頂部或底部標記中的一個與之前已經記憶固化的標記重合，則另一標記與之前記憶固化的標記之間在x及y方向存在偏差2x和2y，通過數據處理系統計算出雙面基片的上、下標記偏差，即該光刻機的雙面對準精度x和y。

圖1 雙面對準精度測量系統原理圖

2 相關設備

上述的雙面基片標記偏差測量方法原理比較簡單，易于實現。目前國外廠商如SUSS、EVG等已有應用該方法的較為成熟的雙面對準精度測量設備（SUSS公司的DSM 8 Double Side Measurement、EVG公司的 EVG 40 Measurement System等），這些設備價格比較昂貴，國內廠商還未生產專門用于雙面對準精度檢測的相關設備。

雙面對準精度測量設備作為接觸接近式光刻機的配套設備，具有較好的市場前景。中國電子科技集團公司第四十五研究所生產的接觸接近式雙面光刻機在國內市場占有較大份額，為用戶提供光刻機雙面對準精度檢測設備即為光刻機繼續擴大市場份額提供了有利條件，也可打破該類進口設備對國內市場的壟斷，創造一定的社會效益。

3 系統構成

應用該測量原理，研制了一種雙面對準精度測量系統，如圖2所示。該系統主要由工作臺、頂部及底部顯微鏡、調焦機構、桌架、電氣控制和軟件處理單元等組成。

圖2 雙面對準精度測量系統示意圖

工作臺由x、y及θ三層組成。底層為x臺，中間一層為y臺，上層為θ臺，主要包括雙軸平移臺、交叉滾柱軸承和承片臺等零件，工作臺為手動操作。雙軸平移臺實現基片x和y方向的移動，交叉滾柱軸承實現基片θ向180°旋轉。承片臺用于吸附固定待測基片，不同的承片臺分別對應50、75、100、150 mm不同尺寸的基片，測試尺寸大小不同的基片只需更換相應的承片臺即可。

顯微鏡包括頂部顯微鏡和底部顯微鏡，分別用于觀察基片上表面和下表面的標記圖形，主要包括物鏡、輔助物鏡和照明系統三部分。照明系統采用同軸照明的方法，且光源位置可調，通過調節光源的位置以得到最佳的照明效果。頂部及底部顯微鏡圖像顯示效果分別如圖3、圖4所示。

圖3 頂部顯微鏡顯示圖像

圖4 底部顯微鏡顯示圖像

調焦機構，可分別實現底部及頂部顯微鏡的Z向移動，既實現顯微鏡調焦功能。調焦機構為手動，驅動零件為折返式測微頭，導軌導向，該結構在光刻機中應用較廣，技術較為成熟。底部及頂部調焦機構均有較大行程，可適應不同片厚度基片的測量。

雙面對準精度測量系統的電控系統主要由工控機、顯示器、CCD相機、開關電源、電位器等組成，可實現基片吸附控制、顯微鏡照明亮度調節、圖像采集及數據處理等功能，控制流程圖如圖5所示。

圖5 控制流程圖

雙面對準精度測量系統軟件具有的功能：

①繪制十字：繪制可以旋轉的十字線，使十字線與標記某一邊平行，考慮到標記的多樣性，十字線的寬度可以調節，方便作為準確、有效的參考。

②圖像采集：實時、連續進行圖像采集，能夠頂部、底部同時或單獨顯示采集數據；無需使用圖像識別、定位功能。

③圖片保存：可以根據文件名，將頂部、底部CCD視場里實時采集的圖片保存到指定路徑下。

④測量結果：計算兩條十字線的中心坐標，計算坐標差值得出測量結果；顯示測量結果，預留根據文件名，將結果保存文件的功能。

圖6為該設備的實物照片

圖6 雙面對準精度測量系統

4 結束語

介紹了一種接觸接近式光刻機雙面對準精度測量方法以及應用該方法的雙面對準精度測量系統，圖6為其實物照片。作為光刻機的配套檢測設備該系統為打破進口設備在國內市場對該類設備的壟斷奠定了一定的技術基礎，有著較為廣闊的市場前景。

[1] [美]Michael Quick，Julian Serda著，韓鄭生，歐文，杜寰，等譯，半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社，2009年.

The Measurement Means and Equipment on Double Side Aligning Precision of the Mask Aligner

LI Lin，JIA Yafei，ZHANG Yunpeng，YANG Jianzhang

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

Double side aligning precision is a key indicator of Mask aligner.A measurement means and measurement system on double side aligning precision are introduced，and the components and the control process of the measurement system are detailed.The measurement means is validated by the measurement system which is applied to 50，75，100 and 150 mm circular substrate.

Test and measurement technology；Mask aligner;Double side aligning precision; Measurement system on double side aligning precision

TN305.7

B

1004-4507(2015)03-0042-04

李霖（1977-），男，河南洛陽人，高級工程師，一直從事半導體設備開發與研究，目前主要從事接觸接近式光刻機相關設備的研發。

2015-01-29