投影光刻机的坐标系与套刻步进模型

1、1998年微细加工技术.3第3期M icrofab ricati on T echno logy1998投影光刻机的坐标系与套刻步进模型胡淞姚汉民(中国科学院光电技术研究所,成都610209【摘要】本文介绍0135m(亚半微米投影光刻机的机器、硅片、掩模、硅片对准、掩模对准等的坐标系,并根据各坐标系讨论套刻时硅片工件台的步进模型。关键词:投影光刻机;坐标系;步进模型1引言随着大规模集成电路工业的发展,对分步重复投影光刻机的分辨力要求越来越高。国际上进入九十年代以后,以64M bDRAM集成电路生产为标志,投影光刻机已从过去的亚微米级发展到半微米级,近年来随着逐场调平、相移掩模、离轴照明等新技术

2、的使用又很快突破了0135m(亚半微米级,目前已进入到0125m级。我国与国际水平相比虽然还有较大的差距,但进步也是相当快的,在“八五”期间研制成功0181m的实用投影光刻机,并攻克了亚微米的i线曝光装置,目前开始研究015m和0135m投影光刻机。随着最小特征线宽要求的提高,相应地要求有更高的套刻精度(套刻精度应小于最小特征线宽尺寸的1 31 51,这自然要求提高硅片工件台的重复定位精度、同轴对准系统的对准精度,也要求温度、气压等环境因素的影响要更小;与此同时,正确建立光刻机的各坐标系和根据这些坐标系构造套刻时工件台的步进模型(套刻公式也是同等重要的。本文介绍采用三轴测量硅片的工件台,双光路

3、同轴对准系统,逐场调平调焦的亚半微米投影光刻机的各坐标系及坐标系间的变换并重点讨论套刻时工件台的步进模型。2坐标系建立211机器坐标系(M CS以光刻机机座边缘为基准安装工件台的Y1向导轨,将Y2导轨调成与Y1向平行,并以Y1向导轨为基准垂直安装X向导轨,再以X、Y1向导轨为基准安装工件台干涉仪测量基准收稿日期:199803021方镜。最后以方镜为基准安装干涉仪的零位传感器(电感仪或零位光栅等,并以零位传感器为基准安装X、Y1、Y2向干涉仪,这样就建立起了机器坐标系(M CS。坐标系的原点由零位传感器确定,而坐标轴的方向和坐标值由激光干涉仪确定(如图1所示。 图1投影光刻机的机器坐标系212掩

4、模坐标系(RCS对于应用双光路同轴对准的光刻机来说,其掩模上应有两个对准标记建立起掩模坐标系(RCS,其坐标原点为两对准标记连线的中点,标记连线为RCS的X轴,过原点的连线垂线为RCS的Y轴。以光刻机机座边缘为基准初步安装掩模对准的位置传感器,作掩模对准之后,移动硅片工件台通过双光路对准系统将掩模标记与工件台方镜上的基准标记相对,根据测量值精确安装掩模对准的两位置传感器,掩模对准就是要使RCS与两位置传感器确定的坐标系掩模对准坐标系(RA CS相一致。213硅片坐标系(W CS在首次套刻时硅片上没有对准标记,硅片的切边为硅片预对准(仅作机械预对准的依据,根据机器坐标系和机械手的转位角度安装硅片

5、切边的定位机构,通过机械预对准之后硅片切边就初步与机器坐标系一致了。作首次套刻时将掩模上的对准标记在硅片上曝光,掩模上的对准标记(坐标系就传递到硅片上,硅片上的标记形成自己的坐标系(W CS,标记连线的中点为其坐标原点,标记连线为X轴,过原点的连线垂线为Y轴。根据机器坐标系和机械手的转位角度安装硅片标记对准的位置传感器,硅片对准就是要使W CS与两位置传感器确定的坐标系硅片对准坐标系(W A CS相一致。2从理论上说通过硅片对准和掩模对准之后,硅片坐标系和掩模坐标系就该一致,并都与机器坐标系一致,于是通过机器坐标系可分步套刻硅片的各个CH IP。但是硅片和掩模不是直接对准,就要求W A CS、

6、RA CS与M CS要完全一致,且硅片对准和掩模对准的精度要非常高;同时为了提高生产率,硅片对准应在工件台之外进行,这就不但要求硅片对准要有更高的精度,而且要求机械手的转位精度也要很高。另一方面,即使硅片对准和掩模对准的精度满足要求,但实际套刻硅片时常用一块掩模版对多片硅片进行曝光,这样就要求掩模对准的精度要有很好的时间稳定性。所以仅用硅片对准和掩模对准来保证高的套刻精度是不现实的。还必须进行“掩模硅片”直接对准(以下简称“对准”。通过对准,硅片坐标系和掩模坐标系之间的位置关系就已知了,但对于硅片上各个CH IP的套刻只能通过机器坐标系分步步进工件台来进行,所以还必须将硅片上各个CH IP的坐

7、标值由硅片坐标系转化到机器坐标系,即建立套刻时工件台的步进模型(套刻公式;由于安装时不可能保证干涉仪测量轴线与物镜焦面绝对共面,也不能保证X、Y干涉仪轴线与物镜光轴垂直相交,进行坐标变换时必然产生误差,这样,必须对其进行修正。3套刻时工件台的步进模型(套刻公式311不考虑安装误差的步进模型通过对准系统瞄准,激光干涉仪读数可以测出硅片坐标系原点在机器坐标系中的坐标值(x0,y0,并可测出硅片坐标轴与机器坐标轴之间的夹角W。而通过将掩模对准标记与方镜基准标记对准又可测出掩模坐标轴与机器坐标轴之间的夹角M(单光路对准则无法直接测出M,通常采用曝“拼接”来确定,硅片坐标轴和掩模坐标轴的夹角就是已知的了

8、(如图2所示,这样套刻硅片上任意CH IP设CH IP中心在硅片坐标系中的坐标值为(x,y工件台运动的目标值从理论上讲就应为2:=W-MX=x0+xco sW-ysinWY=y0+xsinW+yco sW(1式中:、X、Y为CH IP在机器坐标系中的目标值。x0=X XW1M1+X XW2M12(用一个掩模标记扫描两个硅片标记y0=Y Y1W1M1+Y Y1W2M1+Y Y2W1M1+Y Y2W2M14(用一个掩模标记扫描两个硅片标记W=a rctg 12(Y Y1W2M1+Y Y2W2M1-12(Y Y1W1M1+Y Y2W1M1X XW2M1-X XW1M1(用一个掩模标记扫描两个硅片标记

9、M=a rctg 12(Y Y1W1M2+Y Y2W1M2-12(Y Y1W1M1-Y Y2W1M1X XW1M2-X XW1M1(用两个掩模标记扫描一个硅片标记3其中:x0,y0为硅片坐标系原点在机器坐标系中的值;W为硅片坐标系坐标轴相对于机器坐标轴的夹角(逆时针为正;M为掩模坐标系坐标轴相对于机器坐标轴的夹角(逆时针为正;X XW1M1,X XW2M1,Y Y1W1M1,Y Y2W1M1,Y Y1W2M1,Y y2W2M1,Y Y1W1M2,Y Y2W1M2为掩模硅片对准时激光干涉仪的读数,第1个下标(X、Y1、Y2表示干涉仪的测量轴,第2个下标(W1、W2表示硅片标记,第3个下标(M1、

10、M2表示掩模标记。 图2机器、硅片、掩模坐标系之间的关系312考虑安装误差的步进模型套刻公式(1要能实用还必须满足下列两个条件:(a工件台运动偏摆(含调平量 x, Y必须足够小,干涉仪测量轴X、Y1、Y2必须共面,并且与物镜焦平面共面。(b干涉仪X、Y轴线必须在空间上与光刻物镜的光轴垂直相交,或者硅片、掩模、机器三个坐标系之间的夹角非常小。实际上两个条件都很难满足,因此实用公式中还必须包括下面的修正量:i由于存在 X, Y,而干涉仪测量轴与物镜焦平面又不共面而产生的正弦和余弦误差3:X1=b X Y+x(1-co s YY1=b y x+y(1-co s X(2b X,b Y为干涉仪测量轴线到

11、物镜焦平面的距离(包括原始安装误差和由环境因素引起的焦面的变化,焦面的微小变化对套刻的影响很小,可认为b X,b Y为常量,其值可通过套刻实验测出。而 X, Y可通过逐场检平系统测出。ii干涉仪X、Y轴线在空间上与光刻物镜的轴线不相交而产生的误差:公式(1的含义是将硅片上CH IP中心平移到曝光中心,再通过微动台旋转CH IP而实现套刻。旋转CH IP的旋转中心只能是X、Y干涉仪轴线的交点,而不是CH IP中心(如图3所示。这样旋转时CH IP中心将平移:=.c X2+c Y24带来的套刻误差为:X 2=.sin =.c X 2+c Y 2.c X c X 2+c Y 2=.c X Y 2=.

12、co s =.c X 2+c Y 2.c Yc X 2+c Y 2=.c Y (3图3CH IP 中心与CH IP 的旋转中心不同心引起套刻误差c x ,c Y 为曝光中心到干涉仪轴线的距离(投影在焦平面内的距离,均为正值,机器安装好后为常量,可通过套刻实验测出。为硅片坐标系与掩模坐标系之间的夹角( ,当硅片坐标系顺时针旋转与掩模坐标系重合,则为正;逆时针旋转为负。由(1、(2、(3式即得出实用的套刻公式:X=x 0+x co s w -y sin w -X1-X2Y=y 0+x sin w +y co s w -Y1-Y2=w -M(44结束语本文重点根据各坐标系建立了套刻时工件台的步进模型

13、,分析了机器的安装误差对套刻的影响并给出了修正这些误差的实用公式,此外还可利用这些坐标系测出物镜的放大倍率变化和硅片的线膨胀。如用一个硅片标记或一个方镜标记去扫描两个掩模标记,在机器坐标系中读数,即可测出掩模标记之间的距离通过物镜成像后的值,由于掩模的线膨胀系数很低,据此可计算物镜的放大倍率变化。同理用两个硅片标记去扫描一个掩模标记在机器坐标系中取值即可测出硅片的膨胀量。总之,坐标系理论在高分辨力的投影光刻机的研究中占有非常重要的地位。5参考文献 1 H a rry Sew ell, Sco t t Sm ith, D an Ga lbu rt. S P IE Op tica l L aser

14、 M icrolithog rap hy 1990; 1264252 2樊映川 1 高等数学讲义 1 北京高等教育出版社, 1964 3 V an den M A , Ka tz B A , W it tekoek S. S P IE Op tica l L aser M icrolithog rap hy 1991; 1463709 , , COO RD INATE SY STEM S AND STEPP ING MOD EL O F PRO JECT I N STEPPER O H u song Y ao H anm in ( In st itu te of O p t ics and E

15、 lect ron ics, Ch inese A cadem y of Science, Chengdu 610209 ABSTRACT T h is p ap e r p re sen t s coo rd ina te sy stem s of m ach ine, w afe r, m a sk, w afe r and m a sk a lignm en t w h ich a re u sed fo r 0135 ( sub ha lf m icron p ro ject ion m stepp e r. A cco rd ing to the se coo rd ina te sy stem s stepp ing m ode l of w afe r stage fo r ove rlay is a lso d iscu ssed. Key words: P ro ject ion stepp e r; Coo rd ina te sy stem s, Stepp ing m od