投影光刻中相位光柵對準標記變形解決方案

殷履文，蓋玉喜

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京210016)

相位光柵對準比較明場或暗場對準的方法，由于受不同工藝層的影響小，信噪比高，對準精度好等優點，廣泛地被用于分步重復投影半導體光刻機中。世界上最大的投影光刻機制造商ASML在他們生產的投影光刻機中都運用了相位光柵對準的方法，但是傳統的TTL（THROUGH THE LENS）同軸對準方式在對準標記發生變形時往往會產生對準偏差從而影響套刻（overlay）精度，而結合OA(OFF AXIS)離軸對準方式則可以有效解決這一缺陷。

1 對準標記變形原因分析

（1）隨著半導體工藝技術的進步，圓片上的線條越來越細，已進入納米級。所以在曝光工藝前涂在片子上的光刻膠的平整度應盡可能的好，這樣在曝光時機器上的找平傳感器（level sensor）才能正常工作。因此在涂膠之前圓片都要經過拋光處理。但是在拋光過程中往往會損壞圓片上的對準標記。

（2）有些半導體器件在生產過程中光刻工藝多達幾十步，所以在刻蝕工藝中圓片上的對準標記也有可能被損壞。見圖1。

圖1 變形的對準標記

2 與TTL對準模式比較

光學對準系統的主要功能是在套刻曝光前捕捉并對準掩模板-圓片的過零點，即測出圓片在機器坐標系中的坐標（X，Y，θ）和掩模板在機器坐標系中的坐標（X，Y，θ），并計算得到掩模板相對于圓片的位置，從而滿足套刻的精度要求。在TTL對準模式中，在尋找對準位置的過程中掃描激光通過透鏡折射回來的衍射光只有第一級次的信息被利用。當掃描激光入射到圓片上的對準標記時，由于光的衍射，折射效應，回到對準傳感器的光分成很多級次。反映對準標記特征的衍射光只有第一級次回到掩模板的對準標記上，通過圖2所描述的TTL掃描系統，我們能清楚地了解這種掃描方式的工作原理與過程。當機器作掃描對準時，圓片上的對準標記也隨著曝光平臺在移動，通過掃描監視器我們能看到明暗交替的光柵條紋。在機器的對準模塊中專門有傳感器（Quadcell）檢測這一變化。其原理來自±1級衍射Fourier變換后的光強公式：

式中：I0為入射光強度，R為反射率，r為相位光柵上部線寬與下部線寬的比例，d為光柵深度，λ為對準激光波長。

由于片子上的對準標記在四個象限內都是8.0μm和8.8μm交替的光柵，所以在最終對準位置的±44μm范圍內機器都能掃描到。掃描對準的精度因機器型號而一旦采用這種掃描方式一般都能控制在數十納米以內。

圖2 TTL掃描系統示意圖

如前文所述，當對準標記產生變形時變形的標記就會使TTL這種掃描方式錯誤計算對準位置，掃描激光入射到損壞的標記上通過光學透鏡回到掃描傳感器上的衍射光產生了偏移。而TTL掃描方式只利用了第一級次光的信息計算對準位置，所以最終的對準位置就會產生誤差。這樣就會使套刻精度產生更大的誤差。

OA對準方式由于測量了更多級次的衍射光所以可以盡可能地修正這種誤差。這種測量系統也叫ATHENA(advanced technology using high order enhancement of alignment)由于OA對準系統測量衍射光不經過成像透鏡，所以它只能用來掃描圓片的位置，要掃描掩模板的位置還須利用其他的對準方式例如：TTL。

3 OA掃描系統分析

3.1 OA系統主要組成部分

◆光學部分

◆激光部分

◆控制部分

3.2 OA系統基本原理

OA系統利用兩路不同波長的激光測量，激光的強度和片子上標記的深度和激光的波長有關，為了降低圓片上標記深度對掃描精度的影響，測量系統采用了兩路激光，紅光和綠光。相比于TTL掃描系統，OA掃描系統由于測量了更多級次的衍射光，從而得到了更多表現圓片標記特征的信息。當激光束入射到一個光柵上就馬上會分成很多級次。根據光柵的刻線寬度和光柵間距（占空比），有一些級次的衍射光會消失。如果刻線寬度與光柵間距相等，那么就只有奇數級衍射光束存在。這跟Fourier發現的電場信號的情況相類似:它表現為一個電場信號可以按照諧波展開來進行分析。所有的諧波又可以重新合成出初始信號。類似的現象對光也適用。所有的＋級和-級的的衍射光可以合成出原來的圖像，圓片上的掃描標記可以看成是我們原來的圖像。圓片掃描標記的光柵條具有50%的占空比，所以只有級數級次的衍射光是可見的（1，3，5……）

圖3 OA掃描系統示意圖

圖4描述了掃描紅、綠激光照射到對準標記后各級次衍射光到達參考光柵和探測器的簡要光路。OA系統由于測量了更高級次的衍射光，可以修正機器掃描對準位置時產生的誤差。在TTL對準系統中最終的對準位置是圓片上的標記與掩模板上的標記完全重合，在OA系統中，由于測量激光不經過成像透鏡，所以它的最終對準位置是圓片上的標記與位于光學部件中的參考標記（如圖5所示）完全重合。而采用兩組光柵（8μm和8.8μm）可以擴大機器的掃描捕獲范圍。

圖5 參考對準標記

3.3 OA系統全掃描過程

很明顯OA對準系統不能掃描掩模板的位置，所以當機器進行全掃描時用TTL系統掃描掩模板的位置，用OA系統掃描圓片的位置，由于這兩種掃描系統都是獨立工作的，所以在他們之間就要創建一種關聯，如圖6所示。

通過圖6可以看到：機器做全掃描時，第一步是利用TTL系統掃描掩模板上的對準標記M1，M2和曝光平臺上的對準標記F2得到掩模板的最終對準位置。第二步是通過F2在TTL系統和OA系統之間建立關聯，F2的對準位置取決于OA系統光學部件中的參考對準標記。最后機器利用OA系統通過掃描圓片上的標記W1，W2得到圓片的最終對準位置。

圖6 OA系統全掃描方案

4 結 論

采用雙波長激光光束照明對準標記，可以顯著減小由于對準標記缺陷或多層掩模干涉對光學對準精度的影響。每一衍射級次的光信號采用單獨的光電探測器進行探測，結合高功率激光器不僅可以保證對淺層掩模有足夠的光強信號，而且可以更好地適應各種工藝條件對光學對準精度的影響。

[1]樓祺洪.激光在電子器件工業中的應用[J].電子器件，1999(1)：1-4.

[2]梁友生，曹益平，邢廷文，光刻對準技術研究進展[J].電子工業專用設備，2004(10)：30-34.

[3]陳偉明，胡松，劉業異等，光柵衍射式同軸對準系統中影響對準精度的因素分析[J].微細加工技術，2000(1)：1-6