非接触间隙检测

贾亚飞，蒲继祖，张云鹏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

半导体行业中曝光技术主要分为接触式曝光、接近式曝光和投影成像曝光技术。近年来，亚微米、纳米级光刻成为光刻技术发展的趋势，但由于接触式和接近式曝光技术有着技术条件简单、曝光面积大、生产效率高、运行成本低的特点，在发展投影缩小光刻的同时, 微细加工行业也仍在利用这种光刻技术进行微细图形的加工。

在接触、接近式曝光工艺中掩模板与基片间的间隙大小及均匀性直接决定了被曝光基片表面线条的精度和整个基片表面线条宽度的均匀性，所以，基片与掩模版之间的间隙均匀性是掩模光刻机的一个关键性指标。掩模光刻机有专门的找平机构和找平步骤，找平的目的是要实现掩模版平面和基片平面的平行，实现基片与掩模版在移动到设定的一个微小间隙后，基片上各点到掩模版的距离相同，从而保证曝光后基片上图形的一致性，并提高设备的分辨率。但是在找平机构完成规定的动作后，基片是否找平，即基片与掩模板之间的间隙是否均匀，并没有专门的、结构简单、方便直观的检测装置，其结果是无法对曝光设备的找平机构进行校验，使设备存在有不合格项的风险，降低了出厂设备的稳定性，一旦在生产中出现基片图形不均匀的现象，不能快速地确诊是否是找平机构的原因，增加了维修成本。所以设计一套简单实用的间隙均匀性检测装置是非常有必要的。

1 光的干涉原理

原子从较高的能量状态变化（跃迁）到较低的能量状态时，会有多余的能量，可以以各种形式释放出来。如果两能量之差合适，则以发光的形式释放能量。所以，发光是原子在不同的能量状态之间跃迁的结果。

光源中总是包含大量的原子，总是有大量的原子同时发光，不同原子所发的光波，都有随意的传播方向、振动方向、位相和频率。所以，不同原子在同一时刻所发出的光波是不相干的；同一原子在不同时刻所发出的光波也是不相干的。即普通光源所发的光都是不相干的。所以，在通常情况下看不到光的干涉。即普通光源所发的光在相遇时总是强度相加，不会产生干涉，出现光强的重新分布。

对于普通的光源，要想得到相干光，一般是设法将同一个原子在同一时刻所发出的一列光波分为几部分，这几部分光波由于来自同一列光波，所以具有相同的频率、固定的位相差，而且存在相互平行的振动分量，就是相干的。这就是干涉的物理本质。所以，也可以说，干涉是一列光波自己和自己的干涉，也只有自己和自己之间才有可能发生干涉。

光源所发出的大量光波，其中的每一列都与自己干涉，形成一个干涉花样，有一个光强分布；不同的光波之间，则是干涉花样的强度叠加。可以表述为：

在时刻t，光源中第i 个原子跃迁发出的波记为Ui，该列波经分光装置后分为两部分，这两部分是相干的。这两部分到达场点P 时振幅为Ai1，Ai2，位相差为Δφi，该原子发出的波在P 点的干涉强度为：

对于点光源和相同的干涉装置，所有原子的Δφi是相同的。所有原子在t 时刻发出的波在P 点形成的总干涉强度为：

可以通过分波前或分振幅的方法得到相干光：

（1）分波前干涉的典型事例主要有：杨氏干涉、费涅耳双镜、罗埃镜、菲涅耳双棱镜等；

（2）分振幅干涉主要有：迈克尔逊干涉仪、薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉等。

2 间隙均匀性检测装置设计原理

检测基片与掩模版之间的间隙均匀性运用了类似于薄膜干涉光的分振幅干涉原理。

如图1 所示，从激光器发出的平行度很高的光束经聚光镜聚焦后，焦点落在掩模板反射面（下表面）和基片反射面（上表面）附近，光束在掩模板反射面处分为反射和折射两部分光束，折射光束再经基片反射从上界面射出。由于这些光是从同一列光分得，所以是相干的。在相对于掩模板的适当高度和角度的位置放置接收屏，打开激光器，接收屏上会出现明显的等间距干涉条纹。水平移动此装置，如果掩模板与基片间的间隙不均匀，干涉条纹的间距会发生变化，下面定量介绍干涉条纹间距与掩模板、基片间的间隙间关系。

如图1 建立坐标系，计算光程差：

光程差：

在观察屏上以P 为中心的一个小邻域内，L1+L2近似为2D，光程差：

两边同时对Δ 求导得：

令dΔ=λ 时，dPx为一个条纹间距B，

图1 间隙检测示意图

当λ=0.63 μm，D=227 mm，θ=75°时，

条纹的宽度B 与间隙h 成反比。条纹宽度越大，即条纹越稀疏，说明间隙h 越小。在实际检测中，测出B 的值，由式(9)得到间隙h 的值。

3 间隙均匀性检测装置的应用

根据间隙均匀性检测装置的设计原理，自行设计和装校了间隙均匀性检测装置，如图2 所示，图中可以明显看到干涉条纹，条纹越宽表明间隙越小，条纹越密，间隙越大。

通过装置前后左右扫描，观察条纹的疏密变化情况，如果条纹的疏密度没有明显变化，可以得出掩模板与基片之间的间隙均匀。如果条纹的疏密度变化较大，则间隙不均匀，设备找平分离步骤不合格。

目前，此装置应用于中国电子科技集团公司第四十五研究所自行设计生产的某型曝光机分离间隙检测工艺中，能定性和相对测量间隙的均匀性，基本满足设计要求。

图2 间隙均匀性检测装置

4 结 论

在光刻工艺领域，接触接近式曝光是一种重要的光刻工艺。工作台接触、找平、锁紧、分离是接触接近式曝光的必要步骤，这一系列步骤是曝光机的核心技术，分离步骤后掩模板与基片之间的间隙均匀性是曝光机的核心技术指标。所以，简单直观的非接触分离间隙均匀性检测手段显得尤为重要。

本文中论述的检测装置不足之处在于还不能定量检测间隙的值，在定标工作完成后，将实现这一重要的功能。

[1] 母国光. 光学[M]. 北京：人民教育出版社，1978.

[2] M.玻恩，E.沃耳夫. 光学原理（上册）[M]. 北京：科学出版社，1978.

[3] 浙江大学. 物理光学[M]. 北京：科学出版社，1980.

[4] 孙大明，陈应山. 一种简易透射式双光束等厚干涉测定薄膜厚度的装置[J].真空科学与技术，1983(3)：72-74.