NSR2205I14型光刻機對準方式分析

宛文峰

（新型功率半導體器件國家重點實驗室，湖南株洲 412001）

0 引言

對準系統是光刻機的核心部件之一，擁有更精密的對準，才能保證更精準的套刻精度。NSR2205I14設備在對準時主要分2步，首先光刻板對準，即光刻板上的對準記號通過CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）圖像傳感器與曝光臺上的基準記號對準，然后是晶圓對準，即對準系統與曝光臺上的基準記號對準后，通過晶圓上的對準記號與晶圓對準。而晶圓對準時可以使用2套不同的對準系統做對準，這2套對準系統結構不同，原理不同，優缺點各異。

1 Nikon NSR2205I14對準機制

1.1 LSA對準方式

1.1.1 LSA對準原理LSA

（Laser Step Alignment，激光步進對準方式）的光源是He-Ne激光器，激光波長為632.8 nm。LSA對準系統（圖1）通過激光光斑掃描對準記號，最后由接收器接收衍射光，因此它屬于暗場對準。

圖1 LSA對準系統結構

He-Ne激光器發出激光光斑，最終激光光斑通過對準顯微鏡的透鏡照射到晶圓上。當光斑照射到圖1所示的光柵形狀的LSA記號上時，在記號側壁處，將發生衍射，衍射光將延原入射光的光路返回。LSA衍射如圖2所示，當記號間距為d，衍射光角度為θ，He-Ne激光器發出的光波波長為λ時，根據光柵公式dsinθ=nλ（n=0，±1，±2…），最后傳感器只接受1階衍射光，其中0階衍射光被空間過濾器過濾。傳感器接受光信號后，迅速將這些光信號轉換成模擬信號——電信號，模擬信號被傳送到信號處理單元后，將轉換成數字信號。這些數字信號最終將用于晶圓對準過程。

1.1.2 LSA的信號處理過程

LSA信號如圖3所示，對準記號引起的衍射與反射信號通過光電效應轉換成DC信號。產生電信號的位置被定為曝光臺的激光干涉儀記錄下來，計算出對準記號的精確坐標位置。

首先曝光臺移動到對準記號區域的起始位置X0，此時信號采集系統開始采集信號，接著曝光臺開始移動，使得激光光斑在記號區域掃描。當激光光斑掃描到對準記號上時，此時接收器接收到衍射信號，信號不斷增強，并且在Xa位置處達到最強，當激光光斑逐漸離開對準記號時，信號開始逐漸減弱，在這個過程中，曝光臺的位置一直被激光干涉儀記錄著，最終由信號處理系統分析處理這些信號。

圖2 LSA衍射

圖3 LSA信號

1.1.3 LSA性能特點

LSA的對準記號可以采用凸出的對準記號，也可以采用凹進去的對準記號，對于凸出來的對準記號，如果記號出現形變時識別信號容易產生非對稱變化，進而發生對準位置偏移，而凹進去的對準記號產生非對準變化的概率更小。

此外LSA對于金屬層及對準記號較淺時容易發生對準報警。因為金屬層由于表面凹凸不平，容易產生干擾信號，且對準記號也容易發生非對稱變化，而在對準記號比較淺時，激光光斑照射到對準記號上產生的衍射光較弱，接收器接收到的信息量少，當遇到干擾信號時容易發生對準報警。

1.2 FIA對準方式

1.2.1 FIA對準原理

FIA（Field Image Alignment）即場像對準方式。當光照射到對準記號表面時，CCD圖形傳感器獲取對準記號圖像，利用圖像的明暗差計算出對準位置。FIA的光源為鹵素燈，其產生的光為寬帶光，相干性差，其波長范圍為（530～800）nm。在NSR2205I14型設備的FIA光學系統上，首次安裝了相位板，同時在FIA偵測記號時增加了相差信息功能，類似于相差顯微鏡，這種功能主要應用在偵測高度差較小的記號上。

FIA系統是由光源，一套光學系統和一套信號處理單元組成（圖4）。光源是鹵素燈發出的白光，過濾出所需波長的光通過光纖傳送到光學系統，最終照射到晶圓上。晶圓放射的光沿著原來的路徑傳送到電視攝像機上。晶圓上的記號信號通過電視攝像機轉換成模擬視屏信號后，又傳送至FIA單元。通過FIA單元信號處理后，計算出對準所需的參數，這些參數通過工作站處理來控制晶圓曝光的位置。

圖4 FIA系統結構

當FIA光源入射到已經勻膠的記號上，會發生折射與反射，折射光與反射光將有可能發生干涉，也就是光線1與光線2或光線1與光線3，如圖5所示。光線1，2與光線1，3的光程差分別為d1-2=2nhr和d1-3=2nhm。其中，n為光刻膠折射率，hr和hm分別為圖形頂部和底部光刻膠厚度。光學中，相干長度為d=λ2/Δλ，其中λ為光源中心波長，Δλ為光源的譜寬，因 d1-3＞d1-2，因此只需要滿足當d＜d1-2時，就能避免干涉現象發生，即hr＞λ2/（2nΔλ）。

對于FIA光源，取其中心波長λ為660nm，Δλ為270 nm，對于折射率為1.6的光刻膠，當hr約＞0.5 μm時避免發生干涉現場，從而防止對準記號的識別不正確或者識別位置發生偏移。

1.2.2 FIA信號處理過程

如圖6所示，在FIA顯微鏡內部有一個指標記號板，它和晶圓上的對準記號有相同的聚焦。紅外線直射到指標記號上，指標記號用CCD讀出指標記號信號，與此同時，晶圓上的對準記號也被對準記號用CCD檢測處理，最終，FIA單元計算出指標記號與晶圓對準記號的中心坐標偏差。因為FIA的光不是直接經過投影鏡頭而是通過對準顯微鏡照射到晶圓上，因此它是屬于離軸對準系統。

1.2.3 FIA性能特點

FIA的對準記號可以采用X，Y方向分別獨立的對準記號，也可以采用X，Y方向合成在一起的對準記號，但是采用X，Y方向獨立的對準記號時，X方向對準記號識別完成后，曝光臺還需要將Y方向對準記號移動到對準顯微鏡下，這將會造成設備產能下降，因此一般都采用X，Y方向合成對準記號。FIA對準能較好的適應大部分情況的對準，但是對于明暗度差別低，對比度較差的對準記號，會發生對準報警。

圖5 FIA入射記號

圖6 FIA結構

1.3 LSA對準與FIA對準對比

（1）對準光源。LSA采用623.8 nm的He-Ne laser作為光源，其更換成本相對較高，且其收集的是衍射光，故屬于暗場對準。FIA采用鹵素燈作為光源，其更換成本較低，且是通過CCD圖像傳感器來識別記號，故屬于明場對準。

（2）對準記號及產能。LSA采用柵格狀圖形（圖7）作為對準記號。因LSA需要單獨對準LSAx與LSAy兩個記號，故所用對準時間相對長，對應產能相對低。FIA采用圖8所示的形狀作為對準記號。因FIA可以一次對準出FIAxy記號，故所用時間短，對應的產能高（注：FIA也可以采用相互獨立的FIAx與FIAy記號，這種情況下對應的產能低，故一般不采用）。

（3） 工藝適用情況。LSA對準精度相對低，且對于非對稱對準記號，金屬層及較淺的記號難以識別。FIA對準精度相對高，能適用于絕大多數工藝層，但是對于對比度較低，臺階較淺的對準記號難以識別。

圖7 LSA對準記號

2 結束語

根據不同工藝層選擇合適的對準方式，有利于提高對準精度和效率。就一般情況來說，優先推薦使用FIA對準，因為無論是其對準精度，識別對準記號的能力，還是對準效率都是優于LSA對準，但是在特殊情況下，如對準記號對比度差時，則可以使用LSA取代FIA對準。

圖8 FIA對準記號