基于DSP 增益可控的光刻機(jī)測高電路的設(shè)計(jì)研究*

趙英偉，郝曉亮，張文雅，馬培圣，文黎波

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

光刻工藝是大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝。為了在晶圓上獲得高分辨率的光刻圖形，光刻設(shè)備必須盡可能精確地將晶圓平行放置到鏡頭的焦平面上。

如果晶圓在工件臺上的高度出現(xiàn)變化，會導(dǎo)致聚焦偏差，引起束斑或光斑增大、加工的線條模糊，曝光圖形出現(xiàn)拼接缺陷等問題[1]。

所以高度測量系統(tǒng)要能夠精確測量，能夠?qū)Σ煌木A厚度、膠層厚度或者溫度和氣壓所引起的聚焦位置變化等因素的影響進(jìn)行補(bǔ)償[2]。

1 激光三角法高度測量

晶圓高度變化值范圍通常在幾微米以內(nèi)，投影光刻機(jī)鏡頭的可用焦深范圍一般為幾微米。由于精度高，普遍采用激光三角法進(jìn)行高度測量校準(zhǔn)[3]。

激光三角法測量按入射光線與被測工件表面法線的關(guān)系可分為直射式和斜射式。考慮到中心位置安裝有光刻鏡頭，光刻機(jī)高度測量系統(tǒng)一般采用斜射式測量方法，位于光刻機(jī)的末級透鏡和基片之間，如圖1所示。

圖1 高度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過光學(xué)組件后，以一定入射角度照射在被測物體表面上，發(fā)生漫反射、鏡面反射，甚至是折射。線陣CCD（Linear Array Charge Coupled Device）以同樣的角度，最大程度接受被測表面的反射光照，降低空氣折射率變化的影響。反射光經(jīng)過聚焦，入射到CCD。CCD 輸出反映物體位移信息的信號，輸入到數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）進(jìn)行采集。晶圓高度變化和線陣CCD 像素偏移數(shù)量存在數(shù)學(xué)關(guān)系，通過像素的偏移數(shù)量，就可以計(jì)算出高度的變化值[4]。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 數(shù)字信號處理器DSP的選型

DSP 選用ADI 公司的16 位定點(diǎn)高速數(shù)字信號處理器ADSP-2199x。它可提供160MIPS的指令速度，包括一個(gè)快速、高精度、多輸入通道的A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具有3個(gè)完全相同的獨(dú)立的32 位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)專用的雙向TMRx 引腳[5-6]。

2.2 激光器及驅(qū)動芯片選型

考慮到CCD的峰值響應(yīng)波長等因素，設(shè)計(jì)選用SONY公司SLD231VL 型激光器，波長790 nm。它在恒功率工作模式下最大輸出功率是35 mW。

激光器的驅(qū)動選用了SHARP 公司的IR3C01，它的最大輸出電流是150 mA，由5 V 和-12 V 雙電源供電。

如圖2 所示，激光器內(nèi)部有一個(gè)監(jiān)控二極管測量光強(qiáng)的波動，其輸出電流作為內(nèi)部反饋，輸入到IR3C01的2 腳，用來穩(wěn)定激光二極管的光功率穩(wěn)值輸出。R1 是限流電阻，可以抑制浪涌電流，保護(hù)激光二極管，同時(shí)也有電流反饋的作用。

圖2 IR3C01 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和應(yīng)用電路圖

實(shí)際應(yīng)用中也有通過3 腳和6 腳連接一個(gè)外部的可調(diào)電位器來調(diào)節(jié)激光二極管的功率。

2.3 線陣CCD選型

基于分辨率和有效測量范圍、光譜響應(yīng)范圍和飽和輸出特性等因素，線陣CCD 器件選用日本東芝公司的TCD132D，1 024像元，感光單元尺寸為14 μm×14 μm。CCD 光積分時(shí)間典型值為740 μs。它由三相脈沖ΦM、ΦCCD、ΦSH驅(qū)動。需要更高分辨率時(shí)，也可以考慮選用2 160個(gè)像素的TCD1028AP[7]。

3 激光二極管功率控制原理及電路設(shè)計(jì)

由于在光刻中被加工晶圓的材料不同，表面特性不同，對光的反射系數(shù)不同，為了得到穩(wěn)定的測量信號，系統(tǒng)需要嚴(yán)格控制激光器的輸出功率。本設(shè)計(jì)通過一個(gè)可調(diào)的壓控電流源實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整激光的輸出功率和光強(qiáng)。

DSP 輸出激光器功率設(shè)定數(shù)據(jù)，由數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC 轉(zhuǎn)換為模擬電壓，經(jīng)過射極跟隨器后，送到電壓電流轉(zhuǎn)換（U/I）電路，轉(zhuǎn)換為控制電流，通過IR3C01的調(diào)節(jié)端，來控制激光二極管輸出功率。

3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DAC

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖見圖3，采用8 位精度的AD7224。前級SN74F543 包含了兩個(gè)8 位的D 型鎖存器，具有各自的輸入輸出控制。芯片的引腳17 是復(fù)位輸入，相當(dāng)于一個(gè)很有用的過零功能，在測量系統(tǒng)初始化進(jìn)行基準(zhǔn)校正的時(shí)候很有用。設(shè)計(jì)中采用LM317 調(diào)壓電路提供2 V的參考電壓。DAC的電源電壓是＋12 V。由此得到DAC 輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍：

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖

這里D 代表一個(gè)8 位轉(zhuǎn)換因子，從0 到255之間變化。也可以采用12 位以上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

3.2 電壓電流轉(zhuǎn)換（U/I）電路

在比例恒流源和基本鏡像恒流源電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)U/I 電路，見圖4，將Vin（即OP07 輸出的電壓VOUT）轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流，來控制IR3C01 模塊的輸出。

圖4 電壓電流轉(zhuǎn)換電路圖

通過有源負(fù)載和使用恒流源有效地降低了干擾，提高了恒流源電流的穩(wěn)定性。

Q1 和Q2的基極電壓相等，所以有：

晶體管發(fā)射結(jié)電壓與發(fā)射極的近似關(guān)系見式（3）：

將式（3）代入式（2）得：

由于Q1 和Q2的特性完全相同，所以式（4）可寫成：

在一定范圍內(nèi)，上式中的對數(shù)項(xiàng)可忽略，第一項(xiàng)用實(shí)際電阻值計(jì)算后結(jié)果幾乎為零，也可忽略，所以式（6）簡化為：

因此改變DAC 輸出電壓就可以控制電流IC1。由CA3046 組成基本鏡像電流源，因此有IC1≈Iout，從而激光二極管功率控制電流Iout與調(diào)節(jié)電壓Vin有了對應(yīng)關(guān)系。

4 CCD 信號控制原理及驅(qū)動電路

4.1 CCD 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

CCD 驅(qū)動脈沖發(fā)生電路見圖5。利用DSP的定時(shí)器0的輸出引腳TMR0，輸出4 MHz的方波，通過一級D 觸發(fā)器SN74HC74D的二分頻得到2 MHz的ΦM驅(qū)動脈沖。再經(jīng)過兩級D 觸發(fā)器的分頻得到0.5 MHz的ΦCCD脈沖[8-9]。

圖5 CCD 驅(qū)動脈沖發(fā)生電路

參考TCD132 器件手冊中的工作波形圖可知，ΦSH至少應(yīng)包含2 182 個(gè)ΦM周期，設(shè)計(jì)時(shí)取TSH=2 182 TM，由DSP的定時(shí)器1的輸出引腳TMR1 產(chǎn)生。

CCD的輸出信號經(jīng)過DSP 內(nèi)部的ADC 進(jìn)行讀取，評估信號質(zhì)量后，通過重心法求出光斑中心[10-11]。

4.2 CCD自動增益控制

測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與CCD 輸出的模擬信號的峰值電壓范圍相關(guān)，其范圍與入射光光強(qiáng)、幀轉(zhuǎn)移頻率有關(guān)，當(dāng)入射光越強(qiáng)，或幀轉(zhuǎn)移脈沖頻率越小，即積分時(shí)間越長，則對應(yīng)的光敏單元捕捉到的光量越多。到一定限度時(shí)，連續(xù)的光敏單元產(chǎn)生的光電電荷到達(dá)飽和，從而使輸出的模擬信號不真實(shí)反映被測物體的位移信息[12-13]。

所以有兩種方法使得CCD 信號保持在線性范圍內(nèi)，一種是通過控制激光光照強(qiáng)度，本文前面已經(jīng)論述。另一種是通過調(diào)整CCD 感光積分時(shí)間。DSP 定時(shí)器周期調(diào)整時(shí)采用逐次逼近的方法，采用適當(dāng)?shù)牟介L，就可以達(dá)到較好的收斂速度；由于系統(tǒng)采用的檢測調(diào)整模塊是以DSP 為核心，使整個(gè)系統(tǒng)清晰、運(yùn)行速度快。

5 高度測量系統(tǒng)在光刻中的應(yīng)用

高度傳感器可以運(yùn)行于實(shí)時(shí)方式或者高度映射方式，實(shí)時(shí)方式下是在每個(gè)子場曝光之前，先檢測該子場的高度；高度映射方式是在曝光之前，通過測量基片上一個(gè)點(diǎn)陣的高度值和XY 坐標(biāo)值，進(jìn)行曲面擬合來模擬基片的實(shí)際的翹變。

采用快速搜索的方法調(diào)整激光功率和探測器增益，以給出正確的信號電平。按照基片襯底材料反射性，讀數(shù)時(shí)打開自動增益調(diào)整（激光常開），信號電平以小步進(jìn)調(diào)整，一段時(shí)間后取出高度讀數(shù)，讀數(shù)所需時(shí)間依賴于獲取正確信號電平所需的積分?jǐn)?shù)。對于亮襯底約為30 ms，依次逐漸增加。

膠層厚度會引起高度測量值的偏移，如：在鉻上涂敷PMMA 后，由于在PMMA 中的折射，鉻表面看起來位置會更高一些，高度測量計(jì)讀出的高度約為鉻表面之上PMMA 厚度的0.69 倍，因此需要根據(jù)抗蝕劑厚度增加一個(gè)偏移量，以便有效讀出襯底表面的真實(shí)高度。

6 結(jié)論

在光刻設(shè)備中也有采用二象限、四象限光電管作為探測器，采用汞燈、鹵素?zé)糇鳛闇y量光源的，利用光闌、光柵圖形，應(yīng)用雙折射調(diào)制技術(shù)和激光管功率脈寬控制等技術(shù)進(jìn)行測量的方法。本設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了CCD的光積分時(shí)間的調(diào)整和激光器的功率的調(diào)整，利用這兩種方法來獲得高質(zhì)量的測量信號，提高測量的準(zhǔn)確性和對不同材料的適應(yīng)性，可以滿足電子束曝光使用要求和投影光刻的高度粗調(diào)的技術(shù)要求。