光刻机调平调焦台精度指标分解方法研究

周清华，胡松，杜靖，王建

（中国科学院光电技术研究所，四川成都610209）

光刻机调平调焦台精度指标分解方法研究

周清华，胡松，杜靖，王建

（中国科学院光电技术研究所，四川成都610209）

为了提高光刻机调平调焦台的重复定位精度，对其调平调焦台的精度指标分解开展研究。首先，应用几何关系，建立调平调焦总指标与逻辑轴之间的关系；再应用运动学原理，建立调平调焦台通用机构的逻辑轴和物理轴之间的运动关系；接着，应用函数误差原理，建立调平调焦台的精度指标分解模型。然后，采用压电陶瓷作为驱动、柔性簧片作为导向、压电陶瓷内置电容作为传感器搭建重复定位精度要求为100 nm的实验测试平台；最后实验测试平台测试结果显示，定位精度可达到90 nm，从而验证了该光刻机调平调焦台精度指标分解模型的正确性。

光刻机；调平调焦台；精度指标分解；函数误差原理

光刻机是集成电路生产中最关键的设备之一，在整个生产过程中占据重要的地位。而高精度工件台又是光刻机的核心部件之一，它的运动性能和定位精度决定了光刻工艺所能实现的线宽和产率。

光刻机的工件台是一个六自由度运动台，根据功能的不同可以分为x向运动台，y向运动台，θz运动台和调平调焦台［1-4］，其中调平调焦台实现z、θx和θy三个方向的运动，实现硅片的调平调焦功能［2］。传统的调平调焦台设计成两层台子，分别为调平台和调焦台［6］。其优点是调平调焦的三个自由度运动为串联关系，结构设计和控制器设计相对简单，但是其缺点是结构尺寸大，占用空间多，且质心高度高，在高端光刻机中不宜使用。因此需要设计出既能实现调平调焦功能，又要保证结构尺寸小，特别是高度尺寸小，质心高度低的运动台。而基于三点调平原理的运动台既能满足高度尺寸小的要求，又能实现三自由度的并联运动，因此是光刻机调平调焦台设计的首选。该运动台通常采用三个音圈电机或压电陶瓷或直线电机在三点直接驱动，中间布置柔性簧片作为导向［3］，从而实现调平调焦的功能。这种结构虽然满足了高端光刻机的使用要求，但是由于三个自由度是相互耦合的，也就给结构设计和运动控制设计带来新的挑战，因此需要对这种结构的调平调焦台的精度指标分解方法进行研究，分解每个自由度的设计精度，从而保证整体结构的重复定位精度。本文针对基于三点调平原理的调平调焦台，推导其精度指标分解模型，并通过实验对其进行验证。

1　调平调焦台结构原理及几何关系

图1为调平调焦台的机构原理图，基于三点调平原理，在一个等边三角板的三个角上，配置三套驱动机构，分别为z1轴、z2轴和z3轴，这三个实际的驱动机构为该调平调焦台的物理轴，通常可以用音圈电机，压电陶瓷等进行驱动，也可以配置其它机械式传动机构实现三个物理轴的运动。依据光刻机中实际的调平调焦台布局，建立如图1所示的坐标系，坐标系中心设置在三角形中心，x轴沿横向布置，y轴沿纵向布置，调平调焦台就在这个坐标系下完成z，θx和θy三自由度调节，其中z、θx和θy为该调平调焦台的逻辑轴。工作时，如果三套驱动机构执行的是相同的位移增量，则实现调焦功能，即z向调节；如果三套驱动机构执行的是不同的位移增量，则实现调平功能，即θx和θy向调节。三套驱动机构配合运动，实现调平调焦功能。

图1　调焦调平台结构原理图

依据图1所示的坐标位置关系，其几何参数为：

（1）驱动点布置在等边三角形的角点上，等边三角形边长分别为l1=l2=l3=l；

（2）该机构的坐标中心和几何中心重合，坐标系为ozxy；

（3）各驱动机构构成的运动轴为物理轴，其输出位移为：z1、z2和z3，精度指标分别为：σz1、σz2和σz3；

（4）三角板在坐标系ozxy下实现的z、θx和θy向运动为逻辑轴，其输出位移为：z、θx和θy，精度指标分别为σz、σθx和σθy。

2　调平调焦台精度指标分解

调平调焦台的指标分解，其任务就是要把调平调焦台的总精度指标分解为三个逻辑轴的精度指标，再通过逻辑轴精度指标到物理轴精度指标的传递模型，最终将调平调焦台的总精度指标分解为三个物理轴的精度指标，从而作为后续开发的输入条件，指导和约束后续的结构设计和电控系统设计。

2.1建立总指标到逻辑轴的分解模型

调平调焦台的总精度指标的含义是硅片面内任意点的实际位置都要落在总精度指标要求的范围以内，由于有角度误差σθx和σθy的存在，硅片边沿上是误差最大的区域，只要保证这个区域的重复定位精度，硅片面内任意点也就满足指标要求。

如图2所示，硅片半径为r，在边沿线上有点P（x，y），满足：

图2　硅片面坐标模型

由误差σθx引起的硅片边沿线上在z向上的偏差为zθx，则有：

由误差σθy引起的硅片边沿线上在z向上的偏差为zθy，则有：

由误差σz引起的硅片在z向上的偏差仍为σz，

则硅片边沿线上在z向上的总指标σz-total为：

即：

其中：σz-total即为调平调焦台总误差。

2.2建立逻辑轴精度指标到物理轴精度指标的传递模型

根据第2节揭示的几何关系，推导调平调焦台机构的物理轴到逻辑轴的运动转换方程为：

依据函数误差理论以及各测量相互独立［5］，各逻辑轴误差计算为：

其中：σz为z向误差，σθx为θx向误差，σθy为θy向误差。

通常三个物理轴的结构是一样的，具有相同的定位能力，即：

把式（7）带入到式（6），得逻辑轴与物理轴误差传递公式：

2.3总指标到物理轴的误差传递

将式（1）、（4）和式（6）联解得由总指标到物理轴的指标计算：

其中：r为硅片半径；l为驱动机构构成的等边三角形边长。

3　实验测试

图3实物模型

图3为依据三点调平原理开发的调平调焦台实物模型，三套压电陶瓷布置在三角板的三个顶点上作为其驱动机构，该三角板为正三角形；水平方向通过三角簧片耦合，约束水平方向运动；压电陶瓷内置电容传感器测量位移，实现系统闭环。其中三套压电陶瓷构成的三角形的边长为173 mm，即l=173 mm。

其中：r=152.4 mm为300 mm（12英寸）硅片的半径值。

由此压电陶瓷和电容传感器的关键指标约束为：压电陶瓷分辨力为62.6/10=6.3 nm，电容传感器分辨力为62.6/5=12.5 nm，电控系统调试时保证各轴重复定位精度为62.6 nm。

表1　三点测试结果

图4性能测试实验台

电感仪测试各点的重复定位精度。测试结果如表1所示，三个测量点重复定位精度分别为90 nm、90 nm和90 nm，满足100 nm的指标要求。

4　结论

通过研究调平调焦台的总精度指标与其物理轴和逻辑轴之间的运动学关系，建立起调平调焦台的精度指标分解模型；依据精度指标分解模型，开发完成了一个重复定位精度要求为100 nm的调平调焦台；实验结果显示该调平调焦台的实际精度满足指标要求，验证了该调平调焦台精度指标分解模型的正确性，从而为今后的光刻机调平调焦台的机械结构设计和控制算法设计提供有力的依据。

［1］董吉洪，田兴志，李志来，等.步进扫描投影光刻机工件台、掩模台的发展［J］.光机电信息，2004（5）：20-24.

［2］姚汉明，胡松，邢廷文.光学投影报告微纳加工技术［M］.北京：北京工业大学出版社，2006.61-70.

［3］李鸿，周云飞.100 nm步进扫描光刻机硅片台掩模台运动结构设计［J］.微电子技术，2003，31（4）：1-5.

［4］刘丹，程兆谷，高海军，等.步进扫描投影光刻机工件台和掩模台的进展［J］.激光与光电子学进展，2003，40（5）：14-20.

［5］费业泰.误差理论与数据处理（第四版）［M］.北京：机械工业出版社，2005.62-63.

［6］胡淞，苏伟军.六自由度硅片台定位系统设计与计算［J］.光学工程，1998，25（3）：7-11.

周清华（1978―），男，四川人，中国科学院光电技术研究所职工，中级职称，工学硕士，研究方向是微电子专用设备。

Research on the Accuracy Assigning Method of the Leveling and Focusing Stage of Lithography

ZHOU Qinghua，HU Song，DU Jing，WANG Jian
（The Institute of Optics and Electronics the Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610209，China）

In order to improve the accuracy of the leveling and focusing stage of lithography，an accuracy assigning method is proposed in this paper.Firstly，the relationship between the total accuracy index and the logic axis is established by using the geometric relation.Then，based on the kinematic principles，the relationship between the logic axis and the physical axis of the leveling and focusing stage's general mechanism is established.And the accuracy assigning model of the leveling and focusing stage is also established by using the function error principle.Moreover，an experimental platform which provides an accuracy of 100 nm re-orientation is built.This platform uses the piezoelectric ceramics as driving，the flexible reed as guide，and the capacitance as sensor.Finally，the result of the experimental platform reveals the re-orientation accuracy of this leveling and focusing stage can reach to 90 nm，which demonstrates that the accuracy assigning model of the lithography leveling and focusing stage is correct.

Lithography tool；Leveling and focusing stage；Accuracy assigning；Function error principle

TN305.7

A

1004-4507（2016）01-0015-05