光刻机双面对准精度测量系统

李 霖，贾亚飞，张云鹏，杨建章

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

光刻机双面对准精度测量系统

李 霖，贾亚飞，张云鹏，杨建章

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

双面对准精度是接触接近式光刻机的关键性能指标，介绍了一种检测此项指标的测量原理及应用该原理研制的双面对准精度测量系统，并对设备的部件构成及控制流程作了叙述。设备实际验证了检测原理，对50、75、100及150 mm圆形基片均可适用。

测试测量技术；光刻机；双面对准精度；双面对准精度测量系统

接触接近式光刻机主要用于功率电子器件、传感器、光电子器件、微波电路、MEMS（微电子机械系统）及其它新型电子元器件的单、双面对准及曝光工艺，有着较大的市场影响力。双面对准精度是接触接近式光刻机的一项关键技术指标，该指标为光刻机整机性能确定、满足用户对光刻机的技术要求都提供了量化的依据。直接测量光刻机的双面对准精度有一定难度，可以通过检测由该光刻机曝光的双面基片的对准标记偏差来间接测量光刻机的双面对准精度。

检测双面基片的对准标记偏差通常有两类方法，一类为破环性测量，另一类为非破坏性测量。破坏性测量（例如将基片从标记处剖切开的测量方法）在检测过程中对基片造成了损伤，使基片部分或全部报废，给厂商造成一定的经济损失。非破坏性测量在检测过程中不会对基片造成损伤，检测完毕基片可继续进入下一生产环节。目前生产线上使用的均为非破坏性类测量设备，此类设备被国外厂商垄断。该类设备的测量原理较为简单，应用该原理研制的检测设备可适用多种规格尺寸的基片。

1 测量原理

双面对准精度测量系统的检测原理如图1所示，将待检测基片吸附固定于工作台上，移动工作台使基片双面标记进入顶部及底部视场范围，通过CCD成像系统在显示器中同时显示基片两面的标记图像，经过数据处理在系统中记忆标记位置并固化在显示器中，然后将工作台旋转180°，移动工作台使双面标记重新进入显微镜视场并在显示器中显示标记图像，此时再调节工作台使顶部或底部标记中的一个与之前已经记忆固化的标记重合，则另一标记与之前记忆固化的标记之间在x及y方向存在偏差2x和2y，通过数据处理系统计算出双面基片的上、下标记偏差，即该光刻机的双面对准精度x和y。

图1 双面对准精度测量系统原理图

2 相关设备

上述的双面基片标记偏差测量方法原理比较简单，易于实现。目前国外厂商如SUSS、EVG等已有应用该方法的较为成熟的双面对准精度测量设备（SUSS公司的DSM 8 Double Side Measurement、EVG公司的 EVG 40 Measurement System等），这些设备价格比较昂贵，国内厂商还未生产专门用于双面对准精度检测的相关设备。

双面对准精度测量设备作为接触接近式光刻机的配套设备，具有较好的市场前景。中国电子科技集团公司第四十五研究所生产的接触接近式双面光刻机在国内市场占有较大份额，为用户提供光刻机双面对准精度检测设备即为光刻机继续扩大市场份额提供了有利条件，也可打破该类进口设备对国内市场的垄断，创造一定的社会效益。

3 系统构成

应用该测量原理，研制了一种双面对准精度测量系统，如图2所示。该系统主要由工作台、顶部及底部显微镜、调焦机构、桌架、电气控制和软件处理单元等组成。

图2 双面对准精度测量系统示意图

工作台由x、y及θ三层组成。底层为x台，中间一层为y台，上层为θ台，主要包括双轴平移台、交叉滚柱轴承和承片台等零件，工作台为手动操作。双轴平移台实现基片x和y方向的移动，交叉滚柱轴承实现基片θ向180°旋转。承片台用于吸附固定待测基片，不同的承片台分别对应50、75、100、150 mm不同尺寸的基片，测试尺寸大小不同的基片只需更换相应的承片台即可。

显微镜包括顶部显微镜和底部显微镜，分别用于观察基片上表面和下表面的标记图形，主要包括物镜、辅助物镜和照明系统三部分。照明系统采用同轴照明的方法，且光源位置可调，通过调节光源的位置以得到最佳的照明效果。顶部及底部显微镜图像显示效果分别如图3、图4所示。

图3 顶部显微镜显示图像

图4 底部显微镜显示图像

调焦机构，可分别实现底部及顶部显微镜的Z向移动，既实现显微镜调焦功能。调焦机构为手动，驱动零件为折返式测微头，导轨导向，该结构在光刻机中应用较广，技术较为成熟。底部及顶部调焦机构均有较大行程，可适应不同片厚度基片的测量。

双面对准精度测量系统的电控系统主要由工控机、显示器、CCD相机、开关电源、电位器等组成，可实现基片吸附控制、显微镜照明亮度调节、图像采集及数据处理等功能，控制流程图如图5所示。

图5 控制流程图

双面对准精度测量系统软件具有的功能：

①绘制十字：绘制可以旋转的十字线，使十字线与标记某一边平行，考虑到标记的多样性，十字线的宽度可以调节，方便作为准确、有效的参考。

②图像采集：实时、连续进行图像采集，能够顶部、底部同时或单独显示采集数据；无需使用图像识别、定位功能。

③图片保存：可以根据文件名，将顶部、底部CCD视场里实时采集的图片保存到指定路径下。

④测量结果：计算两条十字线的中心坐标，计算坐标差值得出测量结果；显示测量结果，预留根据文件名，将结果保存文件的功能。

图6为该设备的实物照片

图6 双面对准精度测量系统

4 结束语

介绍了一种接触接近式光刻机双面对准精度测量方法以及应用该方法的双面对准精度测量系统，图6为其实物照片。作为光刻机的配套检测设备该系统为打破进口设备在国内市场对该类设备的垄断奠定了一定的技术基础，有着较为广阔的市场前景。

[1] [美]Michael Quick，Julian Serda著，韩郑生，欧文，杜寰，等译，半导体制造技术[M].北京：电子工业出版社，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，河南洛阳人，高级工程师，一直从事半导体设备开发与研究，目前主要从事接触接近式光刻机相关设备的研发。

2015-01-29