硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)測試平臺

1 引言

硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)在光刻機(jī)中用來測量硅片表面相對于投影物鏡的高度和轉(zhuǎn)角（z和θx、θy)，與工件臺垂向3個執(zhí)行器構(gòu)成反饋系統(tǒng)，實時控制硅片的垂向位置，保證硅片當(dāng)前場在曝光過程中始終處于投影物鏡的焦深范圍內(nèi)[1]，因此，調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的性能直接影響了光刻機(jī)的曝光質(zhì)量。為了驗證調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的性能，在它集成到光刻機(jī)之前，必須模擬其工作環(huán)境對其關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行檢測。工作環(huán)境的模擬包括硅片在曝光過程中的三自由度的運動和溫度、濕度、氣壓等條件。由于調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的精度、重復(fù)性要求非常高，因此，測試平臺沿z和θx、θy方向需要具有更高的運動精度和高于調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測量精度，并且整個平臺必須具有很好的穩(wěn)定性。

2 硅片調(diào)焦調(diào)平測量原理

硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)采用光學(xué)成像的傳感原理，測量硅片相對于投影物鏡的高度和轉(zhuǎn)角。如圖1所示，光源發(fā)出的光分為測量光束和參考光束，經(jīng)光闌后分別形成多束光。測量光束聚焦成像后斜入射到硅片表面，經(jīng)硅片反射后，由光學(xué)放大系統(tǒng)成像在光電探測器上[2]；參考光束聚焦成像后斜入射到投影物鏡，反射后同樣成像在光電探測器上。光電探測器實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)換，并最終獲得硅片相對于投影物鏡的高度變化量。利用多點高度值可以計算出硅片的轉(zhuǎn)角。參考光束通過補(bǔ)償調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)自身位置的漂移，提高系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性?，F(xiàn)有步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的精度優(yōu)于20 nm，測量范圍大于500 μm。

3 測試平臺原理

測試平臺在模擬光刻機(jī)的工作環(huán)境下，采用激光干涉儀作為主要測量儀器。高精度三軸（z和θx、θy)運動臺模擬光刻機(jī)工件臺的垂向運動，由激光干涉儀和硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)同時對硅片的運動量進(jìn)行測量，通過比較測量結(jié)果來評價調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的性能。

由于硅片表面反射率較小，對垂直入射的激光束不能完全反射，因而不能作為激光干涉儀的測量面[3]，故以承片臺上表面代替，記為參考面。調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測量面是硅片上表面，如圖2所示。測量面和參考面之間存在著高度差，但由于硅片和承片臺靠真空吸附在一起，它們之間沒有相對位移，把承片臺和硅片的位移量作為測量基準(zhǔn)，則測量面和參考面之間的高度差不影響系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。

在調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測試范圍內(nèi)，驅(qū)動三軸運動臺上下移動，在任意位置等臺子穩(wěn)定后同時讀取調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)和激光干涉儀的讀數(shù)，通過比較測量結(jié)果評價調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)沿z向的測量精度。測量系統(tǒng)中三束激光的位置關(guān)系固定不變，根據(jù)干涉儀測得的三點相對高度能夠計算出承片臺的轉(zhuǎn)角θx、θy。同時，三軸運動臺具有很高的運動精度，其偏轉(zhuǎn)量可以作為激光干涉儀測量值的參照。對轉(zhuǎn)角θx和θy進(jìn)行測量時，驅(qū)動三軸運動臺使硅片偏轉(zhuǎn)，通過比較調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)所測得硅片的轉(zhuǎn)角和激光干涉儀測得的承片臺的轉(zhuǎn)角，可以檢測調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)沿θx和θy方向的測試范圍和測量精度。

4 測試平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試平臺由測量單元、運動單元、減震單元和微環(huán)境單元四部分組成，如圖3所示。

測量單元包括模擬物鏡、激光干涉儀、支架、承片臺和硅片。模擬物鏡固定在支架上，其底端安裝1個與實際物鏡底端鏡片反射率相同的反射鏡，用于模擬實際物鏡最底端鏡片對調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)參考光的反射功能[4]。測量承片臺運動量的3個激光干涉儀沿軸向均布于模擬物鏡周圍。作為激光干涉儀測量面的承片臺，采用上表面鍍有高反射率介質(zhì)膜的微晶玻璃材料加工而成，通過中間的2個氣環(huán)抽取真空將測試用硅片吸附于承片臺上表面，防止測試過程中三軸運動臺的快速移動引起硅片相對于承片臺的位移。

運動單元只有1個高精度三軸運動臺，用于驅(qū)動硅片，其內(nèi)部的3個運動執(zhí)行器采用壓電陶瓷制作，并配有3個并聯(lián)的電容傳感器為執(zhí)行器提供閉環(huán)測量信號，三軸運動臺沿θx和θy方向的運動精度高于調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測量精度。

減震單元位于最底端，包括氣浮減震臺和大理石板。采用氣浮主動減震可以消除地基震動對測量系統(tǒng)的影響，提高測試平臺的穩(wěn)定性[5]。

微環(huán)境單元由布置在測試平臺周圍的散熱片和用于將測試平臺密封的玻璃罩構(gòu)成，為測試平臺提供所需要的溫度、濕度、氣壓等條件。

5 測試平臺控制結(jié)構(gòu)

測試平臺控制系統(tǒng)主要由VME機(jī)箱、工控機(jī)和三軸運動控制器3部分組成，如圖4所示。VME機(jī)箱是整個系統(tǒng)的核心控制部件，其內(nèi)部的3個干涉儀數(shù)據(jù)采集卡實時采集激光干涉儀所測得的數(shù)據(jù)。調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)控制卡用于控制調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的數(shù)據(jù)采集和計算。PPC板是整個VME機(jī)箱的主CPU板，負(fù)責(zé)對機(jī)箱內(nèi)各板卡進(jìn)行設(shè)置，同時將它們采集到的數(shù)據(jù)向外界傳送。工控機(jī)用來監(jiān)控測試平臺的數(shù)據(jù)，并對各控制器進(jìn)行設(shè)置。激光干涉儀的測量精度受環(huán)境因素影響很大，為了補(bǔ)償由環(huán)境變化引起的測量誤差，干涉儀光路附近布置了高精度的溫度和氣壓傳感器，工控機(jī)把傳感器測得的當(dāng)前環(huán)境溫度和氣壓值轉(zhuǎn)換成環(huán)境補(bǔ)償系數(shù)來修正激光干涉儀的測量值。

三軸運動控制器控制三軸運動臺沿z和θx、θy方向運動，同時把三軸運動臺的當(dāng)前位置信息傳送給工控機(jī)。在實際測試過程中，系統(tǒng)以該值作為激光干涉儀測量值的參照。

6 測試平臺控制模型

驅(qū)動三軸運動臺將硅片調(diào)整到最佳焦平面位置附近，建立如圖5所示的坐標(biāo)系，使xoy面和承片臺上表面重合，z軸通過硅片中心。把激光干涉儀計數(shù)值清零，則測試過程中干涉儀的讀數(shù)h即為測量點的z坐標(biāo)值。當(dāng)干涉儀在測量系統(tǒng)中安裝好后，三束測量光的位置關(guān)系便隨之固定，承片臺上下移動或偏轉(zhuǎn)時，測量點S1、S2、S3的z、y坐標(biāo)值始終保持不變，如圖6所示。

根據(jù)干涉儀的安裝位置及光軸在干涉儀上的布置形式，可以確定三光斑的x、y坐標(biāo)值。設(shè)參考面(即承片臺上表面)所在平面的方程為：z=ax+by+c，若承片臺運動到任一位置時干涉儀在參考面上的3個測量點的坐標(biāo)值分別為：S1(x1，y1，z1)、S2(x2,y2，z2)和S3(x3，y3，z3),則參考面中心點的高度和參考面的轉(zhuǎn)角應(yīng)分別為：

由上式可以根據(jù)干涉儀的測量值計算出承片臺沿z和θy、θx方向的運動量。

7 測試結(jié)果分析

在任意位置對激光干涉儀的測量值和三軸運動臺的位移量進(jìn)行比較，以評估測試平臺性能。首先在假定的最佳焦平面處將激光干涉儀計數(shù)值清零，然后驅(qū)動三軸運動臺沿z向運動50 μm、θx向偏轉(zhuǎn)100 mrad、θx向偏轉(zhuǎn)-100 mrad，激光干涉儀的測量值和運動臺的位移量如圖7所示：

由以上圖表可知：干涉儀測得的承片臺運動量"Laser"曲線和三軸運動臺的位移量"Stage"曲線在一定誤差范圍內(nèi)相吻合。測試平臺沿z向的測量精度小于±4 nm，沿θx和θy方向的測量精度小于±O．05 urad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測量精度，其測量結(jié)果可以作為調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)性能的評估依據(jù)。

8 結(jié)束語

硅片調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)測試平臺是用于對光刻機(jī)調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試。為了便于功能擴(kuò)展，該平臺在設(shè)計時預(yù)留了離軸對準(zhǔn)模塊的安裝接口和水平位移平臺的安裝空間，同時，對承片臺2個相鄰側(cè)面也進(jìn)行了拋光鍍膜，可以作為激光干涉儀的測量面。對離軸對準(zhǔn)模塊進(jìn)行測試時，用激光干涉儀能夠精確測量承片臺沿x向和y向的運動量。測試平臺在滿足需求的同時還可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，是整個光刻機(jī)研制過程中一個重要的輔助系統(tǒng)。