基于扫描反射镜调制的调焦调平系统测试方法研究

庄亚政， 齐景超， 陈小娟

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200030；2.上海微电子装备有限公司，上海 201203)

基于扫描反射镜调制的调焦调平系统测试方法研究

庄亚政1,2， 齐景超2， 陈小娟2

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200030；2.上海微电子装备有限公司，上海201203)

针对投影光刻的特点，研究了一种基于扫描反射镜调制和三角测量原理的调焦调平系统。该系统遵循向甫鲁(SC)成像条件，并通过检测投影光斑相对于探测狭缝的位移量衡量硅片面的离焦量。同时，利用扫描反射镜的光学载波调制，提高系统的抗干扰能力。实验结果表明:系统拥有纳米(nm)级的测量精度，且具有采样频率高、非接触、多光斑布局方便等特点。

调焦调平； 扫描反射镜调制； 纳米级测量； 三角测量原理

0 引 言

投影光刻机是一种将掩模上的图案通过物镜影印到硅片面上的装置，其最基本的两个参数为分辨率和焦深。高端的投影式光刻机分辨率通常在几纳米至几十纳米之间，堪称世界上最精密的仪器[1～3]。由瑞利判据可知，投影光刻机可通过减小曝光波长和增大投影物镜的数值孔径提高光刻分辨率，但会导致可用焦深明显下降，造成硅片表面所要曝光区域相对于投影物镜焦平面更容易发生离焦[4,5]。因此，在高精度的投影光刻机中，需要使用调焦调平系统将硅片表面所要曝光区域精确带入到指定的曝光位置。目前，在投影光刻机中，调焦调平系统的主流技术均为基于三角测量原理的光电式测量技术，如Nikon公司的扫描反射镜调制测量技术，ASML公司的光弹调制测量技术，Canon公司的LCCD测量技术[6～8]。

本文对Nikon公司的调焦调平系统进行了较为深入的研究，从整体模型出发，依次分析其光学几何子模型、信号调制子模型及信号解调子模型，并通过实验的方式，最终确定其所能达到的精度级别。

1 整体模型

基于扫描反射镜调制的光电测量技术以三角测量原理为基础，探测狭缝标记为基准的垂向测量方法[9]。为了提高测量的灵敏度以及减轻工艺膜层对测量结果的影响，通常采用遵循向甫鲁(SCheimpflug，SC)条件的双远心成像系统，并以较大的入射角在硅片表面成像。

整个光学系统如图1所示，主要由照明组件1，2，投影狭缝组件3，投影成像组件4，5，6，7，探测成像组件9，10，探测狭缝组件11，中继成像组件12，13，光电探测组件14等组成。由照明组件1，2输出的光均匀照明在投影狭缝3上，透过投影狭缝标记的光，经过由透镜4、反射镜5、扫描反射镜6、透镜7组成的投影成像组件后，在硅片8表面形成投影光斑。被硅片面8反射后的投影光斑，再经过由透镜9和透镜10构成的探测成像组件，成像在探测狭缝组件11上。透过探测狭缝标记的光，经过由透镜12和透镜13构成的中继成像组件，被光电探测组件14接收。由于扫描反射镜6以周期性简谐振动的形式对光信号进行调制，导致被光电探测组件14所接收的光功率信号呈周期性变化，进而导致光电探测器组件14输出的电压信号也呈周期性变化。 解调电路根据扫描反射镜6的振动频率对周期性电压信号进行解调处理，求出硅片8表面的离焦量ΔZ。

图1 基于扫描反射镜调制的光学系统示意

2 子模型分析

整套测量系统为基于三角测量原理，遵循SC条件的双远心光学系统，并利用扫描反射镜调制解调来提高系统稳定性。

2.1 光学几何模型

如图1所示，硅片8，探测成像组件9，10以及探测狭缝组件11组成了三角检测原理的最小系统，根据SC条件下的物像关系有

(1)

(2)

式中 ΔZ为硅片表面离焦量;ΔL1为由ΔZ导致的投影光斑在探测狭缝组件11上的位移量;θ为硅片8表面的入射角;β为探测成像组件9，10的垂轴放大倍率;d为硅片面的投影光斑宽度;D为探测面的投影光斑宽度。令

(3)

则式(1)、式(2)变为

D=Md

(4)

ΔL1=2Mtanθ×ΔZ

(5)

2.2 信号调制模型

为了提高测量系统的抗干扰能力，在投影成像组件4，5，7中加入扫描反射镜6对光信号进行调制，根据几何光学，并结合式(1)，可得在t时刻，由扫描反射镜振动导致投影光斑在探测狭缝组件11上的位移ΔL2为

(6)

式中f7为镜片7的焦距;φmax为扫描反射镜相对其初始位置的最大角位移;fsr为扫描反射镜的振动频率。

又由于扫描反射镜6为小角度摆动，式(6)又可简化为

(7)

令

(8)

则式(7)变为

ΔL2=Asrsin2πfsrt

(9)

至此，结合式(5)、式(9)可得，在t时刻，硅片8表面离焦量为ΔZ，在扫描反射镜调制作用下，投影光斑相对于探测狭缝组件11的位置ΔL有

ΔL=ΔL1+ΔL2=2Mtanθ×ΔZ+Asrsin2πfsrt

(10)

2.3 信号解调模型

定义扫描反射镜6在0°，且探测狭缝组11处的投影光斑与对应探测狭缝完全对齐(即投影光斑在扫描方向与探测狭缝大小相等，且均D)时，为单光斑的测量零位，则当离焦量为ΔZ，并在扫描反射镜调制作用下，探测狭缝处的投影光斑相对于探测狭缝在时间轴上的位置关系，如图2所示。光斑位置在时间轴上随着扫描反射镜6摆动角度变化而变化，虚线框内为落在探测狭缝内的光斑部分，ΔL1为扫描反射镜在0°时，由于硅片8离焦ΔZ，而导致投影光斑相对于探测狭缝的偏移量。令式(10)中的Asr=D/2(工程上可通过标定得到)，则扫描反射镜6的相位分别为90°，270°(即扫描反射镜在正、负最大摆角)时，透过探测狭缝，并被光电探测组件14所接收到的光功率A，B分别有

(11)

(12)

式中ρ为单光斑内的光功率密度。

根据式(11)、式(12)可得

(13)

结合式(4)、式(5)、式(13)可得

(14)

图2 光斑相对探测狭缝随时间变化的位置关系

综上，在解调电路中，可以根据扫描反射镜6在90°，270°的时刻，对光电探测器组件所输出的电压信号进行采样，分别得到A，B值。理论上可以通过式(11)来求得离焦量ΔZ，但由于光学系统中像差的影响、以及工程实现的限制，一般均通过标定的方式来建立ΔZ与(A-B)/(A+B)之间的关系。

3 实验结果与讨论

基于扫描反射镜调制的调焦调平系统,实验方案共由9个测量光斑构成，入射角为86°，光斑宽度为0.57mm。根据2.3节分析可以得出,单光斑的理论量程为±9.96μm。然而由于光学系统中像差的影响，以及加工、装配的工程实现限制，导致单光斑在量程两端存在较严重的非线性区域以及各个光斑之间存在零位偏差(即不共面现象)。在消除部分非线性区域以及光斑之间的零位偏差后，9个光斑的共有量程能够达到±5μm。调焦调平系统通过测试各个光斑的12s内重复精度(3σ)以及准确度，来评价其性能，其光学系统实物如图3所示。

图3 光学系统实物

调焦调平系统的测试平台如图4所示，该测试平台上安装有精度(mean+3σ)为2nm的垂向激光干涉仪系统，伺服精度为20nm的垂向纳米台。干涉仪系统为调焦调平系统的标定基准以及测试基准，同时，为了避免纳米台的伺服精度不足，以及外界振动干扰，调焦调平系统与干涉仪系统安装在同一块主基板上，且2套系统之间具有同步采样功能。为了减少温度波动对调焦调平以及干涉仪的影响，测试平台放置在具有温控系统的小房间内，房间内温控精度5min内为0.01℃。调焦调平的性能测试方法为:将纳米台在调焦调平的±5μm范围内，以1μm步距垂向移动，在每个垂向位置，以12ms采样间隔同步记录1000个单光斑测量值与干涉仪测量值，同一时刻，求出单光斑测量值与干涉仪测量值之差，每一垂向位置差值的3σ即为该位置的重复精度，每一垂向位置，单光斑均值与干涉仪均值之差即为该位置的准确度。

图4 测试平台

图5(a)为调焦调平系统±5μm范围内的实测重复精度，从图中可以看出,最大重复精度为9nm。图5(b)为调焦调平系统±5μm范围内的实测准确度，从图中可以看出,最大准确度为4nm。

图5 调焦调平系统的性能测试

4 结 论

研究了基于扫描反射镜调制的调焦调平系统，分别从光学几何模型、信号调制模型、信号解调模型3个方面进行了理论分析，并针对该系统进行了实验验证，实验结果表明：方法在±5μm量程范围，能够达到9nm的重复精度，4nm的准确度。

[1] Levenson M D，Ebihara T，Yamachika M.SCAA mask exposures and phase phirst designs for100nm and below[C]∥Proc of SPIE，2001:817-826.

[2] Vandenberghe G，Kim Y C，Delvaux C，et al.ArF lithography options for100nm technologies[C]∥Proc of SPIE，2001:179-190.

[3] 王国彪，邵金友，宋建丽，等.“纳米制造的基础研究”重大研究计划研究进展[J].机械工程学报，2016，52(5):68-79.

[4] 彭祎帆，袁 波，曹向群.光刻机技术现状及发展趋势[J].光学仪器，2010(2):80-85.

[5] 曾爱军，王向朝，徐德衍.投影光刻机调焦调平传感技术的研究进展[J].激光与光电子学进展，2004(7):24-30.

[6] Wittekoek S，van den Brink M A，Linders H F，et al.Deep-UV wafer stepper with through-the-lens wafer to reticle alignment[C]∥Proc of SPIE，1990:534-547.

[7] 冯金花，胡 松，李艳丽，等.基于叠栅条纹相位解析的纳米检焦方法[J].光学学报，2015(2):194-199.

[8] 尹作海，刘世元，史铁林.基于线阵 CCD 的光刻机调焦调平系统的研究[J].半导体技术，2007，32(1):74-76.

[9] 李冬冬，王永强，许增朴，等.激光三角法在物面倾斜时的测量误差研究[J].传感器与微系统，2015,34(2):28-30.

Researchontestmethodoffocusingandlevelingsystembasedonscanningmirrormodulation

ZHUANG Ya-zheng1,2, QI Jing-chao2, CHEN Xiao-juan2

(1.SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China;2.ShanghaiMicroElectronicsEquipmentCoLtd,Shanghai201203,China)

The focusing and leveling system which is based on scanning mirror modulation and triangulation principle is introduced.This system follows the SCheimpflug(SC) imaging condition and measures the focal plane displacement of silicon by detecting the displacement of the projection slit spot relative to the detect slit.In order to improve the anti-jamming ability,the system uses a scanning mirror to modulate the optical signal.It is found that the system has precision of nanometer,and it has the characteristics of high sampling frequency,non-contact,and easy multiple-beam layout.

focusing and leveling; scanning mirror modulation; nano-measurement; triangulation principle

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0045—03

2016—09—25

O 435

A

1000—9787(2017)10—0045—03

庄亚政(1984-)，男，主要从事前道光刻机中调焦调平系统的研发。