NSR2205I14型光刻机对准方式分析

2018-06-09宛文峰

设备管理与维修 2018年6期

宛文峰

（新型功率半导体器件国家重点实验室，湖南株洲 412001）

0 引言

对准系统是光刻机的核心部件之一，拥有更精密的对准，才能保证更精准的套刻精度。NSR2205I14设备在对准时主要分2步，首先光刻板对准，即光刻板上的对准记号通过CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）图像传感器与曝光台上的基准记号对准，然后是晶圆对准，即对准系统与曝光台上的基准记号对准后，通过晶圆上的对准记号与晶圆对准。而晶圆对准时可以使用2套不同的对准系统做对准，这2套对准系统结构不同，原理不同，优缺点各异。

1 Nikon NSR2205I14对准机制

1.1 LSA对准方式

1.1.1 LSA对准原理LSA

（Laser Step Alignment，激光步进对准方式）的光源是He-Ne激光器，激光波长为632.8 nm。LSA对准系统（图1）通过激光光斑扫描对准记号，最后由接收器接收衍射光，因此它属于暗场对准。

图1 LSA对准系统结构

He-Ne激光器发出激光光斑，最终激光光斑通过对准显微镜的透镜照射到晶圆上。当光斑照射到图1所示的光栅形状的LSA记号上时，在记号侧壁处，将发生衍射，衍射光将延原入射光的光路返回。LSA衍射如图2所示，当记号间距为d，衍射光角度为θ，He-Ne激光器发出的光波波长为λ时，根据光栅公式dsinθ=nλ（n=0，±1，±2…），最后传感器只接受1阶衍射光，其中0阶衍射光被空间过滤器过滤。传感器接受光信号后，迅速将这些光信号转换成模拟信号— 电信号，模拟信号被传送到信号处理单元后，将转换成数字信号。这些数字信号最终将用于晶圆对准过程。

1.1.2 LSA的信号处理过程LSA信号如图3所示，对准记号引起的衍射与反射信号通过光电效应转换成DC信号。产生电信号的位置被定为曝光台的激光干涉仪记录下来，计算出对准记号的精确坐标位置。

图2 LSA衍射

图3 LSA信号

首先曝光台移动到对准记号区域的起始位置X0，此时信号采集系统开始采集信号，接着曝光台开始移动，使得激光光斑在记号区域扫描。当激光光斑扫描到对准记号上时，此时接收器接收到衍射信号，信号不断增强，并且在Xa位置处达到最强，当激光光斑逐渐离开对准记号时，信号开始逐渐减弱，在这个过程中，曝光台的位置一直被激光干涉仪记录着，最终由信号处理系统分析处理这些信号。

1.1.3 LSA性能特点

LSA的对准记号可以采用凸出的对准记号，也可以采用凹进去的对准记号，对于凸出来的对准记号，如果记号出现形变时识别信号容易产生非对称变化，进而发生对准位置偏移，而凹进去的对准记号产生非对准变化的概率更小。

此外LSA对于金属层及对准记号较浅时容易发生对准报警。因为金属层由于表面凹凸不平，容易产生干扰信号，且对准记号也容易发生非对称变化，而在对准记号比较浅时，激光光斑照射到对准记号上产生的衍射光较弱，接收器接收到的信息量少，当遇到干扰信号时容易发生对准报警。

1.2 FIA对准方式

1.2.1 FIA对准原理

FIA（Field Image Alignment）即场像对准方式。当光照射到对准记号表面时，CCD图形传感器获取对准记号图像，利用图像的明暗差计算出对准位置。FIA的光源为卤素灯，其产生的光为宽带光，相干性差，其波长范围为（530～800）nm。在NSR2205I14型设备的FIA光学系统上，首次安装了相位板，同时在FIA侦测记号时增加了相差信息功能，类似于相差显微镜，这种功能主要应用在侦测高度差较小的记号上。

FIA系统是由光源，一套光学系统和一套信号处理单元组成（图4）。光源是卤素灯发出的白光，过滤出所需波长的光通过光纤传送到光学系统，最终照射到晶圆上。晶圆放射的光沿着原来的路径传送到电视摄像机上。晶圆上的记号信号通过电视摄像机转换成模拟视屏信号后，又传送至FIA单元。通过FIA单元信号处理后，计算出对准所需的参数，这些参数通过工作站处理来控制晶圆曝光的位置。

图4 FIA系统结构

当FIA光源入射到已经匀胶的记号上，会发生折射与反射，折射光与反射光将有可能发生干涉，也就是光线1与光线2或光线1与光线3，如图5所示。光线1，2与光线1，3的光程差分别为d1-2=2nhr和d1-3=2nhm。其中，n为光刻胶折射率，hr和hm分别为图形顶部和底部光刻胶厚度。光学中，相干长度为d=λ2/Δλ，其中λ为光源中心波长，Δλ为光源的谱宽，因d1-3＞d1-2，因此只需要满足当d＜d1-2时，就能避免干涉现象发生，即hr＞λ2/（2nΔλ）。

对于FIA光源，取其中心波长λ为660nm，Δλ为270 nm，对于折射率为1.6的光刻胶，当hr约＞0.5 μm时避免发生干涉现场，从而防止对准记号的识别不正确或者识别位置发生偏移。

1.2.2 FIA信号处理过程

如图6所示，在FIA显微镜内部有一个指标记号板，它和晶圆上的对准记号有相同的聚焦。红外线直射到指标记号上，指标记号用CCD读出指标记号信号，与此同时，晶圆上的对准记号也被对准记号用CCD检测处理，最终，FIA单元计算出指标记号与晶圆对准记号的中心坐标偏差。因为FIA的光不是直接经过投影镜头而是通过对准显微镜照射到晶圆上，因此它是属于离轴对准系统。

1.2.3 FIA性能特点

图5 FIA入射记号

图6 FIA结构

FIA的对准记号可以采用X，Y方向分别独立的对准记号，也可以采用X，Y方向合成在一起的对准记号，但是采用X，Y方向独立的对准记号时，X方向对准记号识别完成后，曝光台还需要将Y方向对准记号移动到对准显微镜下，这将会造成设备产能下降，因此一般都采用X，Y方向合成对准记号。FIA对准能较好的适应大部分情况的对准，但是对于明暗度差别低，对比度较差的对准记号，会发生对准报警。

1.3 LSA对准与FIA对准对比

（1）对准光源。LSA采用623.8 nm的He-Ne laser作为光源，其更换成本相对较高，且其收集的是衍射光，故属于暗场对准。FIA采用卤素灯作为光源，其更换成本较低，且是通过CCD图像传感器来识别记号，故属于明场对准。

（2）对准记号及产能。LSA采用栅格状图形（图7）作为对准记号。因LSA需要单独对准LSAx与LSAy两个记号，故所用对准时间相对长，对应产能相对低。FIA采用图8所示的形状作为对准记号。因FIA可以一次对准出FIAxy记号，故所用时间短，对应的产能高（注：FIA也可以采用相互独立的FIAx与FIAy记号，这种情况下对应的产能低，故一般不采用）。

（3）工艺适用情况。LSA对准精度相对低，且对于非对称对准记号，金属层及较浅的记号难以识别。FIA对准精度相对高，能适用于绝大多数工艺层，但是对于对比度较低，台阶较浅的对准记号难以识别。