步進投影光刻機及其常見故障分析

雷宇

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

投影光刻工藝是半導體器件制造工藝中最重要的工藝之一，步進投影光刻機是完成投影光刻工藝技術的關鍵設備。自1978年美國研制出世界首臺商業化的分步重復（g線）投影光刻機以來，投影光刻機以其性價比高、兼容性強的特點備受推崇[1]。經過各大設備制造廠商幾十年的發展，投影光刻機已經由g線、i線，發展為紫外光刻、深紫外光刻以及浸沒式光刻機。投影光刻機是半導體工藝設備中最為復雜而且精密的設備之一，其維修涉及光學、電子、精密機械以及自動控制等多學科知識。

1　投影光刻的原理

投影光刻技術是利用i線或紫外光、深紫外光等既定光源，通過縮小投影鏡頭，以4∶1或5∶1的縮小倍率，經過多層的曝光，將掩模工藝板上預制的圖形轉換到由硅、二氧化硅或其他化合物制成并經過清洗、涂膠等先期處理的圓片的光刻膠上，再進行后續工藝處理。

2　投影光刻機的結構

以ASML光刻機為例，投影光刻機主要包括圓片傳輸系統、曝光系統、環境控制系統和操控臺4部分，如圖1所示。

圖1　ASML某型號光刻機結構示意圖

2.1　圓片傳輸系統

圓片傳輸系統包括圓片傳輸單元和圓片預對準單元。圓片傳輸單元主要由片盒升降機構、片盒內圓片水平檢測、取片機械手、異型機械手、下片機構等組成。圓片預對準單元主要由標記傳感器、圓片旋轉機構、圓片定中機構、平邊探測器等組成。它的功能是把要曝光的圓片經過預對準系統找標記、定中心、找平邊以后，把預對準后的圓片放到工作臺的曝光位置，曝光完畢將圓片放回片盒相應的片槽內。

2.2　曝光系統

曝光系統是投影光刻機的核心結構，它又可以細分為照明系統、掩模板傳輸系統、掩模臺、投影鏡頭、對準系統、調焦調平系統、圖像傳感系統、圓片工作臺等。

照明系統主要由氣缸、燈室、汞燈及支架、燈冷卻系統、汞燈電源及控制模塊、橢球鏡、冷光鏡、濾波片、快門、變焦鏡、干涉濾光片、復眼透鏡、相干玻片、物鏡、鋁膜鏡、能量探測器、梯度濾光片、聚光鏡等組成。照明系統的功能是為曝光提供特定波長、一定強度、能量均勻的光源。

掩模板傳輸系統包括板盒升降機構、板盒檢測及板盒類型傳感器、掩模板檢測傳感器、掩模板條形碼讀取單元、掩模板標記讀取單元、掩模板粗預對準、掩模板精預對準以及上下掩模板取放機構等組成。它的功能是曝光前把板盒內相應的掩模板取出，經粗預對準和精預對準后將掩模板置于掩模工作臺上，曝光完畢將其從掩模工作臺放到取板時的板槽內。

掩模工作臺它主要包括x、y和z向的調整結構及真空結構。掩模板傳送系統到掩模臺后，掩模板工作臺的真空將掩模板固定在工作臺上。

投影鏡頭是光刻機最為重要的部件。它是由經過非常嚴格的加工、鍍膜等處理的一組光學器件精心裝配在一起。投影鏡頭在曝光光源通過投影鏡頭以后，將掩模板上的圖像曝光在圓片上。它的精細程度也決定了曝光的精細程度。投影鏡頭固定在平臺上，該平臺由3個氣缸支撐，氣缸內的氣體適時調節，使平臺在一個水平面上。投影鏡頭裝有水冷，為投影鏡頭散熱。

對準系統是光刻機的一個重要系統。常用的對準方式是同軸TTL(Through The Lens，簡稱TTL)對準，它由以下結構組成：激光器、上下照明模塊、左右對稱的對準模塊、由工作臺的基準標記F1和F2、掩模板上的標記K1和K2和圓片的標記W1和W2組成的對準標記以及對準模塊。其光路如圖2所示。激光器發出的光經照明模塊進入投影鏡頭，其內部的棱鏡和反射鏡又將其照射到圓片的標記W1和W2上。經圓片反射，包含對準標記圖形的衍射光通過投影鏡頭、掩模板照射到對準模塊。對準模塊根據工作臺的移動，分別接收兩束光，然后經光束分離器，第一級衍射光被對準模塊的四象限光電池接收，其它高級的衍射光被濾掉，0級則反射回激光器。當x和y方向均對準后，該次對準結束。

調焦調平系統由兩組發射和接收處理單元組成，這兩組發射和接收單元呈90°分布。它主要由紅光激光器、白光鹵素燈、光纖、折射鏡、調節板、投影光柵、探測光柵、二象限光電池、四象限光電池、處理模塊。紅光激光器發出的紅光捕捉范圍大，作粗調節，僅存在于P支路。白光捕捉范圍窄，作精細調節，在P支路和Q支路都有用到。調平調焦光路如圖3所示。P支路的兩束紅光激光和四束白光以及Q支路的四束白光經過投影光柵照射到工作臺上圓片的上表面以及投影鏡頭的下表面，形成一個可測量區域，紅光位于區域中心，其余部分由照射到圓片上的各束白光組成。參考光束經投影鏡頭、測量光束經圓片反射經檢測光柵到檢測光電池上，紅光激光器被二象限光電池檢測，鹵素燈的白光被四象限光電池檢測，檢測器檢測到的信號經處理后，確定圓片到鏡頭的距離，由圓片工作臺上的3個執行機構根據檢測到的紅外激光信號對圓片進行整體調焦調平，使圓片進入到投影鏡頭的焦平面內。在曝光過程中，執行機構根據紅光信號對曝光單元進行粗調，使曝光單元在投影鏡頭焦深內，然后根據檢測到白光信號對曝光單元進行精細調整，使曝光單元在最佳焦平面上，并且和焦平面平行。

圖2　TTL對準光路示意圖

圖3　調平調焦光路示意圖

圖像傳感系統主要由專用掩模板、12個探測器、RIS 標記（Reflection Image Sensor，反射圖像傳感器，簡稱RIS）、信號處理模塊組成，如圖 4所示。12個探測器3個一組，共四組，固定在傳感器平臺下面，探測3個標記。RIS標記在工作臺上。照明光源將掩模板上的圖像投射到RIS標記的光柵上，衍射后，被探測器捕獲，經信號處理模塊，得到圖像的放大、旋轉、平移以及傾斜情況的數據，根據軟件設定，可以讓設備自己比較并校準，也可以由操作人員手動將參數寫入機器。

工作臺主要由曝光盤、真空通道及吸片柱、定位鏡、基準標記、圖像傳感器標記、H型布局的3個直線電機（X、Y1、Y2）、氣浮機構、位置傳感器、大理石臺面、調平調焦執行機構等組成。它的功能是承放圓片，調整圓片的高度以及傾斜度。工作臺的位置由雙頻干涉激光器通過定位鏡定位，保證其運行精度。

2.3　環境控制系統

環境控制系統包括純水循環單元、空氣凈化單元、壓縮氣體分配單元、排風單元等組成。它們為設備提供清潔、恒定溫度的空氣和水，并把設備內部產生的熱量、光刻膠氣化產物及時排出，保證設備環境的穩定。

圖4　圖像傳感系統示意圖

2.4　操控臺

操控臺是光刻機的指揮系統、處理系統，通過操作系統的應用軟件，操控各個單元、協調各子單元工作，發出一系列的檢測、校準、補償、曝光以及報警等指令。

3　影響光刻工藝的因素分析[2，3]

評價光刻機性能的主要標準有線寬、套刻精度以及生產率等。因此，影響光刻工藝的因素也從這幾方面分別分析。

影響線寬的主要因素有照明光源的均勻性、曝光劑量、調平調焦系統的穩定性、圓片的平整度、圓片玷污情況、工藝過程中隨著溫度、氣壓和濕度的變化引起投影鏡頭聚焦的緩慢變化等諸多因素。因此，要經常關注照明光源的均勻性，曝光劑量的大小、調平調焦系統的穩定性，圓片平整度及玷污情況。

影響套刻質量的因素有很多，大致可分為工藝方面的影響和非工藝方面的影響。

工藝方面的影響就是光刻工藝各流程對套刻的影響，如：對準標記形狀會受到刻蝕、氧化工藝的影響；對準標記的尺寸會受到離子注入工藝過程的影響。

非工藝方面的影響一般分為網格誤差和物鏡誤差。

網格誤差是各曝光場中心點的套刻誤差，與工作臺的運動精度、圓片對準、形變等有密切關系。

投影鏡頭誤差是像場內各點的位置偏差，它可以分為投影鏡頭畸變誤差、放大倍率誤差、掩模旋轉誤差、梯形畸變誤差。

投影鏡頭畸變誤差是由于鏡頭畸變引起的像點與非畸變時像點的偏移。

放大倍率誤差受掩模板與投影鏡頭的距離變化以及離焦量的影響。

掩模旋轉誤差與掩模傳輸以及掩模對準有關。

梯形畸變誤差是由于掩模板有一定的傾斜，掩模板與光軸不垂直有關。

由于在套刻時會受到多種因素的影響，進而影響產品質量。因此，在各工藝流程中，盡量減少工藝處理過程中引起的形狀、尺寸的變化。在曝光前，要對設備各系統進行校準，如校準掩模板的傳輸預對準、圓片傳輸預對準、掩模板與圓片的對準、調平調焦系統等各個環節，使參與套刻的機臺性能盡可能的達到最佳。

影響光刻機生產率的因素主要有設備的利用率、穩定性以及故障修復效率。因此，要盡量提高設備的利用率，增加設備的穩定性，縮短設備故障的修復時間。

4　常見故障現象與解決方法

投影光刻機結構復雜，故障現象以及原因多種多樣。在這里，僅舉部分常見的故障現象以做分析。

4.1　圓片傳輸故障

（1）無法執行圓片傳輸：該種情況先檢查圓片在片盒中是否放平，若傾斜則將其方平；其次檢查圓片探測器發射端和接收端。另外還有一種情況一般和電路處理有關，首先檢查一下電路板散熱風扇組是否轉動，若不轉或轉速慢，及時更換；其次檢查控制圓片傳輸的各個控制板。

（2）無法找平邊（凹槽）：用光強計檢測平片（凹槽）傳感器紅外光二極管能量，若無能量，檢查紅外光二極管兩端是否有電源，有則更換該二極管。無，則檢查電纜有無虛接或斷開，最后檢查供給電路。

4.2　曝光光源故障

（1）無曝光光源：①查看曝光光源是否壞掉，若壞掉更換曝光燈；②檢查燈室蓋板互鎖開關，若其保護，將蓋板蓋好；③檢查快門是否打開，若打不開，需要檢查快門電機；④曝光燈電源控制器是否報警，若報警，則維修曝光燈電源控制器。⑤查看電源是否有輸出，無，則電源有故障，維修電源。

（2）曝光光源能量不足：①曝光燈用時太長，能效已經下降，此種情況需更換新燈；②橢球鏡涂層有脫落或污損，需換新或清洗橢球鏡。③其它鏡片比如選擇透過鏡污損，清洗或者更換。

4.3　掩模板傳輸故障

（1）探測不到掩模板：①觀察升降機構是否動作，若不動作，檢查升降電機及其控制電路。②觀察探測器是否有輸入和輸出信號，若沒有加電，檢查線路或電源；若有輸入沒有輸出信號，說明探測器壞掉，需更換探測器。

（2）無法上（下）板：①檢查各位置傳感器信號是否正常，如果某一信號異常，排查該信號；②檢測取板臂是否水平，若傾斜，需用測微儀來進行調平；③排查電機電纜是否有虛接或者折斷，若有，重新固定或者換掉折斷的電纜；④檢查x、y、z方向電機是否有故障，若有故障，換掉相應的電機。

（3）無法掩模預對準：這種情況碰到最多的是四象限光二極管松動或壞掉，檢查四象限二極管，若松動將其緊固，若壞掉，將其更換。

4.4　調平對準故障

（1）調平調焦系統常見故障：調平調焦系統中，鹵素燈點亮一定時間后，其光強能量會降低到無法進行調平調焦的程度，因此，要定期更換鹵素燈，以免影響產品質量和產量。除了鹵素燈需要經常更換外，另一個無法調平調焦故障一般與紅光有關，可按下述方法檢查：檢查電路板散熱風扇、檢查P、Q束電路板等控制板、檢查圓片工作臺標記是否有玷污、測量紅光激光器能量、檢查紅光激光器電源。

（2）對準系統常見故障：①無法對準。一般情況下屬于對準激光器能量問題。用光強計測量激光光強能量，若偏小，則更換激光器，若無激光，需要檢查激光器電源。②光路漂移。調整粗調節以及精細調節旋鈕，并用軟件搜索標記，光路正常時，標記清晰顯示在屏幕中心。

4.5　圓片工作臺故障

（1）無法吸片：此種現象一般是圓片背面粘有顆粒或者工作臺污損，導致真空吸不緊圓片，更換圓片并清潔工作臺。

（2）工作臺無法復位：①檢查雙頻激光器及激光器電源，若能量過低，更換激光器。若電源無輸出，修激光器電源；②放大器故障：檢查6個信號放大器輸出信號，若有信號較弱，將信號調整到正常值范圍內，若無法調整到正常值，更換信號放大器。③檢查激光器控制板及其連接線。

4.6　環境控制系統故障

①壓縮空氣氣壓不足。檢查氣源壓力，檢查管道是否漏氣，檢查過濾器是否堵塞，檢查壓縮空氣分配箱氣閥。②真空故障。檢查相應部件管道老化情況，檢查是否有顆粒污染導致漏真空。③送風故障：所遇故障一般是風機軸承異響，更換軸承。④排風故障：一般是由于設備內部熱量導致排風管老化碎裂，碎片脫落，這種情況一定要用真空吸塵器將碎片碎渣清理干凈，更換新的排風管，否則會引起其它嚴重故障。

5　結束語

投影光刻機是半導體制造工藝的核心設備之一，隨著半導體工藝技術向超大規模以及超細線條方向的發展，其設備的復雜程度也越來越高，甚至會有全新設計理念的設備出現。在用光刻設備隨著使用年限的增加，故障現象也會多樣化。這些情況對維修人員提出了更高的要求。只要我們維修人員了解設備的工作原理、熟悉設備組成結構，在故障排查過程中思路清晰，查出故障原因的時間就會大大縮短。修復故障的效率也會得到很大的提升。

參考文獻：

[1]馬建軍.光學光刻技術的歷史演變[J].電子工業專用設備，2008，37(4)：28-32.

[2]周虎明.步進光刻機中的成像線寬控制[J].電子工業專用設備，2001，30(1)：27-33.

[3]陳世杰.分步重復投影光刻機套刻誤差模型的研究[J].微細加工技術，1995，(3)：8-13.