硅片調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

1 引言

硅片調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)在光刻機(jī)中用來(lái)測(cè)量硅片表面相對(duì)于投影物鏡的高度和轉(zhuǎn)角（z和θx、θy)，與工件臺(tái)垂向3個(gè)執(zhí)行器構(gòu)成反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制硅片的垂向位置，保證硅片當(dāng)前場(chǎng)在曝光過(guò)程中始終處于投影物鏡的焦深范圍內(nèi)[1]，因此，調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的性能直接影響了光刻機(jī)的曝光質(zhì)量。為了驗(yàn)證調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的性能，在它集成到光刻機(jī)之前，必須模擬其工作環(huán)境對(duì)其關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。工作環(huán)境的模擬包括硅片在曝光過(guò)程中的三自由度的運(yùn)動(dòng)和溫度、濕度、氣壓等條件。由于調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的精度、重復(fù)性要求非常高，因此，測(cè)試平臺(tái)沿z和θx、θy方向需要具有更高的運(yùn)動(dòng)精度和高于調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，并且整個(gè)平臺(tái)必須具有很好的穩(wěn)定性。

2 硅片調(diào)焦調(diào)平測(cè)量原理

硅片調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)采用光學(xué)成像的傳感原理，測(cè)量硅片相對(duì)于投影物鏡的高度和轉(zhuǎn)角。如圖1所示，光源發(fā)出的光分為測(cè)量光束和參考光束，經(jīng)光闌后分別形成多束光。測(cè)量光束聚焦成像后斜入射到硅片表面，經(jīng)硅片反射后，由光學(xué)放大系統(tǒng)成像在光電探測(cè)器上[2]；參考光束聚焦成像后斜入射到投影物鏡，反射后同樣成像在光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并最終獲得硅片相對(duì)于投影物鏡的高度變化量。利用多點(diǎn)高度值可以計(jì)算出硅片的轉(zhuǎn)角。參考光束通過(guò)補(bǔ)償調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)自身位置的漂移，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。現(xiàn)有步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的精度優(yōu)于20 nm，測(cè)量范圍大于500 μm。

3 測(cè)試平臺(tái)原理

測(cè)試平臺(tái)在模擬光刻機(jī)的工作環(huán)境下，采用激光干涉儀作為主要測(cè)量?jī)x器。高精度三軸（z和θx、θy)運(yùn)動(dòng)臺(tái)模擬光刻機(jī)工件臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)，由激光干涉儀和硅片調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)對(duì)硅片的運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)比較測(cè)量結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的性能。

由于硅片表面反射率較小，對(duì)垂直入射的激光束不能完全反射，因而不能作為激光干涉儀的測(cè)量面[3]，故以承片臺(tái)上表面代替，記為參考面。調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量面是硅片上表面，如圖2所示。測(cè)量面和參考面之間存在著高度差，但由于硅片和承片臺(tái)靠真空吸附在一起，它們之間沒(méi)有相對(duì)位移，把承片臺(tái)和硅片的位移量作為測(cè)量基準(zhǔn)，則測(cè)量面和參考面之間的高度差不影響系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

在調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)上下移動(dòng)，在任意位置等臺(tái)子穩(wěn)定后同時(shí)讀取調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)和激光干涉儀的讀數(shù)，通過(guò)比較測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)沿z向的測(cè)量精度。測(cè)量系統(tǒng)中三束激光的位置關(guān)系固定不變，根據(jù)干涉儀測(cè)得的三點(diǎn)相對(duì)高度能夠計(jì)算出承片臺(tái)的轉(zhuǎn)角θx、θy。同時(shí)，三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)具有很高的運(yùn)動(dòng)精度，其偏轉(zhuǎn)量可以作為激光干涉儀測(cè)量值的參照。對(duì)轉(zhuǎn)角θx和θy進(jìn)行測(cè)量時(shí)，驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)使硅片偏轉(zhuǎn)，通過(guò)比較調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得硅片的轉(zhuǎn)角和激光干涉儀測(cè)得的承片臺(tái)的轉(zhuǎn)角，可以檢測(cè)調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)沿θx和θy方向的測(cè)試范圍和測(cè)量精度。

4 測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)由測(cè)量單元、運(yùn)動(dòng)單元、減震單元和微環(huán)境單元四部分組成，如圖3所示。

測(cè)量單元包括模擬物鏡、激光干涉儀、支架、承片臺(tái)和硅片。模擬物鏡固定在支架上，其底端安裝1個(gè)與實(shí)際物鏡底端鏡片反射率相同的反射鏡，用于模擬實(shí)際物鏡最底端鏡片對(duì)調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)參考光的反射功能[4]。測(cè)量承片臺(tái)運(yùn)動(dòng)量的3個(gè)激光干涉儀沿軸向均布于模擬物鏡周圍。作為激光干涉儀測(cè)量面的承片臺(tái)，采用上表面鍍有高反射率介質(zhì)膜的微晶玻璃材料加工而成，通過(guò)中間的2個(gè)氣環(huán)抽取真空將測(cè)試用硅片吸附于承片臺(tái)上表面，防止測(cè)試過(guò)程中三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)的快速移動(dòng)引起硅片相對(duì)于承片臺(tái)的位移。

運(yùn)動(dòng)單元只有1個(gè)高精度三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)，用于驅(qū)動(dòng)硅片，其內(nèi)部的3個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器采用壓電陶瓷制作，并配有3個(gè)并聯(lián)的電容傳感器為執(zhí)行器提供閉環(huán)測(cè)量信號(hào)，三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)沿θx和θy方向的運(yùn)動(dòng)精度高于調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

減震單元位于最底端，包括氣浮減震臺(tái)和大理石板。采用氣浮主動(dòng)減震可以消除地基震動(dòng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，提高測(cè)試平臺(tái)的穩(wěn)定性[5]。

微環(huán)境單元由布置在測(cè)試平臺(tái)周圍的散熱片和用于將測(cè)試平臺(tái)密封的玻璃罩構(gòu)成，為測(cè)試平臺(tái)提供所需要的溫度、濕度、氣壓等條件。

5 測(cè)試平臺(tái)控制結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)主要由VME機(jī)箱、工控機(jī)和三軸運(yùn)動(dòng)控制器3部分組成，如圖4所示。VME機(jī)箱是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，其內(nèi)部的3個(gè)干涉儀數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集激光干涉儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)。調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)控制卡用于控制調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。PPC板是整個(gè)VME機(jī)箱的主CPU板，負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)箱內(nèi)各板卡進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)將它們采集到的數(shù)據(jù)向外界傳送。工控機(jī)用來(lái)監(jiān)控測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)各控制器進(jìn)行設(shè)置。激光干涉儀的測(cè)量精度受環(huán)境因素影響很大，為了補(bǔ)償由環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差，干涉儀光路附近布置了高精度的溫度和氣壓傳感器，工控機(jī)把傳感器測(cè)得的當(dāng)前環(huán)境溫度和氣壓值轉(zhuǎn)換成環(huán)境補(bǔ)償系數(shù)來(lái)修正激光干涉儀的測(cè)量值。

三軸運(yùn)動(dòng)控制器控制三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)沿z和θx、θy方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)把三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)的當(dāng)前位置信息傳送給工控機(jī)。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)以該值作為激光干涉儀測(cè)量值的參照。

6 測(cè)試平臺(tái)控制模型

驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)將硅片調(diào)整到最佳焦平面位置附近，建立如圖5所示的坐標(biāo)系，使xoy面和承片臺(tái)上表面重合，z軸通過(guò)硅片中心。把激光干涉儀計(jì)數(shù)值清零，則測(cè)試過(guò)程中干涉儀的讀數(shù)h即為測(cè)量點(diǎn)的z坐標(biāo)值。當(dāng)干涉儀在測(cè)量系統(tǒng)中安裝好后，三束測(cè)量光的位置關(guān)系便隨之固定，承片臺(tái)上下移動(dòng)或偏轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)S1、S2、S3的z、y坐標(biāo)值始終保持不變，如圖6所示。

根據(jù)干涉儀的安裝位置及光軸在干涉儀上的布置形式，可以確定三光斑的x、y坐標(biāo)值。設(shè)參考面(即承片臺(tái)上表面)所在平面的方程為：z=ax+by+c，若承片臺(tái)運(yùn)動(dòng)到任一位置時(shí)干涉儀在參考面上的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為：S1(x1，y1，z1)、S2(x2,y2，z2)和S3(x3，y3，z3),則參考面中心點(diǎn)的高度和參考面的轉(zhuǎn)角應(yīng)分別為：

由上式可以根據(jù)干涉儀的測(cè)量值計(jì)算出承片臺(tái)沿z和θy、θx方向的運(yùn)動(dòng)量。

7 測(cè)試結(jié)果分析

在任意位置對(duì)激光干涉儀的測(cè)量值和三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位移量進(jìn)行比較，以評(píng)估測(cè)試平臺(tái)性能。首先在假定的最佳焦平面處將激光干涉儀計(jì)數(shù)值清零，然后驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)沿z向運(yùn)動(dòng)50 μm、θx向偏轉(zhuǎn)100 mrad、θx向偏轉(zhuǎn)-100 mrad，激光干涉儀的測(cè)量值和運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位移量如圖7所示：

由以上圖表可知：干涉儀測(cè)得的承片臺(tái)運(yùn)動(dòng)量"Laser"曲線和三軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位移量"Stage"曲線在一定誤差范圍內(nèi)相吻合。測(cè)試平臺(tái)沿z向的測(cè)量精度小于±4 nm，沿θx和θy方向的測(cè)量精度小于±O．05 urad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，其測(cè)量結(jié)果可以作為調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)性能的評(píng)估依據(jù)。

8 結(jié)束語(yǔ)

硅片調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)是用于對(duì)光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。為了便于功能擴(kuò)展，該平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了離軸對(duì)準(zhǔn)模塊的安裝接口和水平位移平臺(tái)的安裝空間，同時(shí)，對(duì)承片臺(tái)2個(gè)相鄰側(cè)面也進(jìn)行了拋光鍍膜，可以作為激光干涉儀的測(cè)量面。對(duì)離軸對(duì)準(zhǔn)模塊進(jìn)行測(cè)試時(shí)，用激光干涉儀能夠精確測(cè)量承片臺(tái)沿x向和y向的運(yùn)動(dòng)量。測(cè)試平臺(tái)在滿足需求的同時(shí)還可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，是整個(gè)光刻機(jī)研制過(guò)程中一個(gè)重要的輔助系統(tǒng)。