掩模制造用量測設備工件臺結構研究

華衛群，尤 春，薛文卿

(無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫 214135)

1 引言

近年來，隨著半導體制造技術的快速發展，器件尺寸不斷縮小，小尺寸和窄定位裕度的高端產品要求高質量的掩模版[1]，這就需要越來越精密的量測機臺來監控掩模版質量。

高精密量測機工件臺結構設計需從材料選擇、平臺結構設計和驅動選擇[2]等方面考慮。量測機臺的工件臺基座從原來的金屬材料發展到目前的花崗巖材質，X/Y測量平臺從原來的合金鋼發展為微晶玻璃。新型材質極大地降低或消除了內應力、熱膨脹等因素，減少了因內應力和溫濕度變化而造成零部件幾何精度低的問題，從而提升了量測精度[3]。

測量系統采用脈沖式阻尼器隔離外界干擾和震動，氣懸浮移動平臺替代接觸式滑軌移動平臺，原先諸多內在干擾和震動得到很好的解決[4]。

在很多精密量測機臺上，有些設備采用直線式電機直接驅動X/Y移動平臺。有些則為了降低直線式電機的震動干擾，采用避震彈簧把電機懸掛在工件臺上。目前高精密量測機臺采用摩擦力驅動X/Y移動平臺[5]。

文中結合LEICA IPRO套準量測機臺，分析和介紹了集成電路掩模行業高精密量測機在工件臺設計方面的特點和工件臺零部件的幾何精度要求，采用微晶玻璃作為量測平臺材料，氣懸浮移動平臺替代傳統的滑軌移動平臺，傳動機構運用摩擦力驅動替代直線電機直接驅動等先進技術，有效提高了量測設備的精度。

2 工件臺結構的設計要點

高精密測量機臺由工件臺基座、花崗巖滑軌座、氣浮滑動導軌、X/Y移動測量平臺、自動聚焦機械部件、自動聚焦電子部件、測量攝像頭、測量光耦合器、高倍鏡攝像頭等主要部件組成，如圖1所示。自動聚焦機械部件、自動聚焦電子部件、測量攝像頭、測量光耦合器、高倍鏡攝像頭是專門測量產品用部件，在此不作分析和討論。高精度測量機臺的工件臺主要由工件臺基座、花崗巖滑軌座、氣浮滑動導軌、X/Y移動測量平臺4大部件組成，該結構采用了多層次抗外界干擾結構，保障了高精度測量效果。

圖1 量測機臺工件臺結構

2.1 工件臺基座

高精密測量機臺工作基座的支撐柱下端安裝可調節支撐腳，可以調節基座水平；在工作基座的支撐柱和測量系統之間安裝脈沖阻尼器，其主要作用是吸能減震，減少外界震動干擾到整個測量系統；量測系統中產生避震和無需避震的部件都經過布局和設計后安裝在支撐柱外部框架上，降低了高精密量測系統的干擾和脈沖阻尼器的負荷。

LEICA IPRO測量機臺就改變了傳統基座的設計理念，基座框架是由鋼筋焊接而成，具有外部框架和內部框架各一個，內部框架通過脈沖阻尼器與外部框架隔離，如圖2所示。

圖2 工件臺基座結構

外部框架包含4根垂直的支撐柱，垂直支撐柱之間由水平加強筋焊接加固，垂直支撐柱下面焊接可調節水平高低的支撐腳，垂直支撐柱上面焊接了脈沖阻尼器。內部框架安裝在脈沖阻尼器上。內部框架上有3個凸起支撐點，用途是支撐花崗巖滑軌座。這樣能最大化脈沖阻尼器效能，也避免新增干擾源的可能性。

2.2 花崗巖滑軌座

傳統的滑軌座通過幾十個鋼球（每個鋼球對上面的負載起平均作用）支撐基座[6]。鋼球由于長期運動產生磨損則無法保證Z軸方向的跳動精度；滑軌座和鋼球材質易受內部應力的影響造成表面平整度變化加劇，進而造成摩擦力變大、導軌運動直線性變差、垂直直線性變差，最終影響測量精度。

摩擦力不僅限制了加速度的提高，影響工作效率，而且加速了工作平臺的熱變形，降低了定位精度。此外，運動構件的接觸還會傳導至工作平臺，產生振動。氣浮無摩擦技術[7]被廣泛應用，作用是降低摩擦力的時變性、非線性及其他未知因素帶來的影響。

現代滑軌座采用了氣懸浮原理：從花崗巖滑軌座的十字星槽中噴出氮氣，使X/Y量測平臺/十字星滑動導軌與花崗巖滑軌座之間產生約5μm間隙，極大地減小了運動阻尼和Z軸方向的跳動，減小了對量測精度的干擾，如圖3所示。高精度量測系統需要穩定的測量平臺，花崗巖滑軌座幾乎不存在內部應力，且表面處理后的粗糙度小于1μm。因此，花崗巖被優選為測量平臺材料。

圖3 氣懸浮氣流示意圖

2.3 氣浮導軌十字架

氣浮導軌十字架由特殊合金制成，通過4個空氣軸承支撐，并在花崗巖底座上滑動。4個空氣軸承分別安裝在花崗巖平臺的十字星槽中。X軸導向導軌受到沿著Z軸的重力，與作用在X軸滑塊相對的導軌面上的氣浮力達成一對平衡力；Y軸導向導軌受到沿著Z軸的重力，與作用在Y軸滑塊相對的導軌面上的氣浮力達成另一對平衡力；在量測過程中，Z軸的重力與氣浮力處于靜力平衡，采用氣懸浮工作平臺可以降低Z軸跳動的影響。X軸滑動導軌整體承載重力，X軸滑軌的氣浮導軌承載氣浮力；底部X軸編碼桿由摩擦力驅動，沿著十字形槽中X方向滑動。Y軸滑軌承載重力，Y軸滑軌的氣浮導軌承載氣浮力，底部Y軸直線電機動子通過驅動連桿為Y軸方向提供驅動力。X/Y軸兩端的4塊氣浮滑軌承載向上的氣浮力，用于平衡量測平臺的重力[8]。

氣浮導軌十字架在X軸方向以摩擦驅動方式移動。此摩擦力是由驅動直線電機延長軸套和氣浮導軌十字架編碼桿側面接觸產生，驅動直線電機懸掛在測量機臺的基座外部框架上。氣浮十字架的運動軌跡由花崗巖底座中的滑動護套導向。

2.4 X/Y測量平臺

X/Y量測平臺是量測系統中的關鍵部件之一。由于微晶玻璃（Zerodur）[9]具有極低的熱膨脹系數，從而被運用到量測平臺的制作。即使存在溫度變化，該平臺長度變化和翹曲變形也非常小，因而可達到高精度要求。X/Y測量平臺的位置由高精度的激光干涉儀（如圖4所示）判定。激光干涉儀的激光波長是632 nm，分辨率是0.3 nm（λ/2048）。

圖4 激光干涉儀示意圖

3 工件臺幾何精度分析與研究

量測工件臺的幾何精度是決定工件臺在X/Y/Z方向上精確重復定位的關鍵參量之一。納米級精度量測需求的機臺必須滿足對應的幾何精度：導軌運動的直線性，X/Y向運動的正交性及臺面的垂直跳動[10]。導軌運動的直線性是機臺套準量測精度和重復性的保障；如果臺面的垂直跳動超出允許范圍，將影響機臺測量產品條寬（Critical Diamension，CD）的準確性。

3.1 導軌運動的直線性

量測平臺和十字星滑動導軌直接加載在工件臺基座上，十字星滑動導軌只起導向作用。因此，臺面的垂直跳動不會影響導軌運動的直線性，導軌運動的直線性與導軌類型、結構和安裝精度等因素有關。為了達到量測機臺套準精度的納米級標準，對相關聯的零部件尺寸精度和安裝精度進行精確測量。十字星滑動導軌氣浮間隙多點DELTA（垂直直線性）設定范圍為±0.5μm，4點測量結果如圖5所示。

圖5 十字星滑動導軌氣浮間隙測量值（TLO,Top Level Object，上層參考物）

量測平臺氣浮間隙多點DELTA設定范圍為±0.5μm，4點測量結果如圖6所示。

圖6 量測平臺氣浮間隙測量值

十字星滑動導軌在X方向與花崗巖滑動護套之間的水平直線性如圖7所示。

圖7 滑軌與花崗巖滑套之間水平直線性量測結果

十字星滑動導軌在Y方向水平直線性如圖8所示。

圖8 滑軌與花崗巖滑套之間垂直直線性量測結果

X/Y量測平臺中心位置重復性測試結果如圖9所示。

圖9 X/Y測量平臺中心位置重復性測量結果

由圖7、8、9可知，X/Y測量平臺中心位置重復性測試精度為±0.02μm，表明運動重復性很好；十字星滑動導軌在X/Y方向的水平直線性精度基本為±0.2μm，垂直直線性精度為±0.5μm，表明十字星滑動導軌的運動直線精度很好。

3.2 X/Y測量平臺的垂直跳動

測量平臺的垂直跳動是指載片架在X/Y方向移動時，X-Y平面在Z方向的跳動。載片架和十字星滑動導軌氣懸浮于花崗巖基座上方，避免了由于制造誤差和材料變形造成的垂直跳動，全程載片架垂直跳動控制精度在±0.5μm。

載片架也采用微晶玻璃制成，可以最大限度抑制因溫度波動產生的材料脹縮，減小垂直跳動的幅度。

4 實際產品測量

掩模產品套準的好壞直接影響晶圓光刻工序的質量，因此檢測套準精度至關重要。標準片檢查套準精度偏差絕對值必須控制在8 nm以內，如圖10所示。

圖10 標準版套準檢測結果

5 結束語

工件臺是量測機臺重要的組成部分之一。其材料選用需要考慮材料內應力和熱膨脹系數，減少影響測量平臺移動精度的因素，從而保證機臺量測精度的穩定性和重復性。本文分析了工件臺結構的組成，改進和優化了外圍震動傳遞給量測系統的影響因素，排除了量測系統內部震動帶來的干擾。氣浮平臺極大地降低了外界震動的干擾，提高了測量平臺的平穩性，提高了量測工件臺的移動精度和定位精度。該量測設備的工件臺結構在未來高端半導體制造產業中具有廣闊的應用前景，能夠實現同類型產品的國產化替代。