激光刻印机

激光外差干涉技术在光刻机中的应用 张志平*，杨晓峰 复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 201203摘要 超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。关键词 光刻机；外差干涉；双频激光干涉仪；平面光栅1 引言集成电路产业是国家经济发展的战略性、基础性产业之一，而光刻机则被誉为集成电路产业皇冠上的明珠［1］。作为光刻机三大指标之一的套刻精度，是指芯片当中上下相邻两层电路图形的位置偏差。套刻精度必须小于特征图形的1/3，比如14 nm节点光刻机的套刻精度要求小于5.7 nm。影响套刻精度的重要因素是工件台的定位精度，而工件台定位精度确定的前提则是超精密位移测量反馈，因此超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一［2-4］。随着集成电路特征尺寸的不断减小，对位置测量精度的需求也不断提高；同时，为了满足光刻机产率不断提升的需要，掩模台扫描速度也在不断提高，甚至达到 3 m/s 以上；此外，为了满足大尺寸平板显示领域的需求，光刻机工件台的尺寸和行程越 来越大，最大已达到 1. 8 m×1. 5 m；最后，为了获得工件台和掩模台良好的同步性能，光刻机还要求位置测量系统具备多轴同步测量的功能，采样同步不确定性优于纳秒级别［5-8］。 综上，光刻机要求位置测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程、数米每秒测量速度、闭环反馈以及多轴同步等特性。目前，在精密测量领域能同时满足上述测量要求的，只有外差干涉测量技术。 本文分别介绍外差干涉测量技术原理及其两 种具体结构——双频激光干涉仪和平面光栅测量系统，以及外差干涉技术在光刻机中的典型应用。 2 外差干涉原理 2. 1 拍频现象 外差干涉又称为双频干涉或者交流干涉，是利用“拍频”现象，在单频干涉的基础上发展而来的一 种干涉测量技术。 假设两列波的方程为 x1 = A cos ω1 t ， （1） x2 = A cos ω2 t 。 （2） 叠加后可表示为（3）拍频定义为单位时间内合振动振幅强弱变化 的次数，即 v =| (ω2 - ω1)/2π |=| v 2 - v 1 | 。 （4） 波 x1、x2 以及合成后的波 x 如图 1 所示，其中包 络线的频率即为拍频，也称为外差频率。如果其中一个正弦波的相位发生变化，拍频信号的相位会发生完全相同的变化，即外差拍频信号将完整保留原始信号的相位信息。 图 1. 拍频示意图Fig. 1. Beat frequency diagram对于激光而言，因为频率很高（通常为 1014 Hz 量级），目前的光电探测器无法响应，但可以探测到两束频率相近的激光产生的拍频（几兆到几十兆赫兹）。因此拍频被应用到激光领域，发展成激光外差干涉技术。2. 2 外差干涉技术 由拍频原理可知 ，所谓外差就是将要接收的信号调制在一个已知频率信号上，在接收端再将该调制信号进行解调。由于高频率的激光信号相位变化难以精确测量，但利用外差干涉技术可以用低频拍频信号把高频信号的 相位变化解调出来，将大大降低后续精确鉴相的难度。因此，外差技术最显著的特点就是信号以交流的方式进行传输和处理。 与单频干涉技术相比，外差干涉技术的突出优点是：1）由于被测对象的相位信息是加载在稳定的差频（通常几兆到几十兆赫兹）上，因此光电探测时避过了低频噪声区，提高了光电信号的信噪比。例如在外界干扰下，测量光束光强衰减 50% 时，单频干涉仪很难正常工作，而外差干涉仪在光强衰减 90% 时仍能正常工作 ，因此更适用于工业现场 。 2）外差干涉可以根据差频信号的增减直接判别运动方向，而单频干涉技术则需要复杂的鉴相系统来 判别运动方向。单频干涉技术与外差干涉技术对比如表 1 所示。表 1. 单频干涉技术与外差干涉技术对比Table 1. Comparison between homodyne interferometry and heterodyne interferometry3双频激光干涉仪 3. 1 双频激光干涉仪原理 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上结合外差干涉技术发展起来的，其原理如图 2 所 示。双频激光器发出两列偏振态正交的具有不同频率的线偏振光，经过偏振分光器后光束被分离。 图 2. 双频激光干涉仪原理图Fig. 2. Schematic diagram of dual frequency laser interferometer设两束激光的波动方程为 E1 = E R1 cos ( 2πf1 t ) E2 = E R2 cos ( 2πf2 t ) ， （5） 式中：ER1和 ER2为振幅；f1和 f2为频率。 偏振态平行于纸面的频率为 f1 的光束透过干涉仪后，被目标镜反射回干涉仪。当被测目标镜移动时，产生多普勒效应，返回光束的频率变为 f1 ± Δf， Δf 为多普勒偏移量，它包含被测目标镜的位移信息。经过干涉镜后，与频率为 f2 的参考光束会合，会合后光束发生拍频，其光强 IM函数为 （6） 式（6）包含一个直流量和一个交流量，经光电探测器转换为电信号，再进行放大整形后，去除直流量，将交 流量转换为一组频率为 f1 ± Δf- f2的脉冲信号。从双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的脉冲信 号，作为后续电路处理的基准信号。测试板卡采用减法器通过对两列信号的相减，得到由于被测目标 镜的位移引起的多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为 （7） 式中：λ 为激光的波长；N 为干涉的条纹数。因此， 只要测得条纹数，就可以计算出被测物体的位移。 3. 2 系统误差分析 双频激光干涉仪的系统误差大致由三部分组成：仪器误差、几何误差以及环境误差，如表 2 所示。 三种误差中，仪器误差可控制在 2 nm 以内；几何误 差可以通过测校进行动态补偿，残差可控制在几纳米以内；环境误差的影响最大，通常可达几十纳米到几微米量级，与测量区域的环境参数（温度、压 力、湿度等）有关，与量程几乎成正比，因此大量程测量时，需要对环境参数进行控制。 表 2. 双频激光干涉仪系统误差分解Table 2. System error of dual frequency laser interferometer4 平面光栅测量系统 双频激光干涉仪在大量程测量时，精度容易受 温度、压力、湿度等环境因素影响，研究者们同样基于外差干涉原理研发了平面光栅测量系统，可克服双频激光干涉仪的这一缺点。 4. 1 基于外差干涉的光栅测量原理 众所周知 ，常规的光栅测量是基于叠栅条纹的，具有信号对比度差、精度不高的缺点。基于外差干涉的光栅测量原理如图 3 所示，双频激光器发出频率 f1 和 f2 的线偏振光，垂直入射到被测光栅表面，分别进行+1 级和−1 级衍射，衍射光经过角锥反射镜后再次入射至被测光栅表面进行二次衍射， 然后会合并沿垂直于光栅表面的方向返回。由于被测光栅与光栅干涉仪发生了相对运动，因此，返回的激光频率变成了 f1 ± Δf和 f2 ∓ Δf，其中 Δf为多 普勒频移量，它包含被测目标镜的位移信息。 图 3. 基于外差干涉的光栅测量原理Fig. 3. Principle of grating measurement based on heterodyne interference会合后的光束 f1 ± Δf 和 f2 ∓ Δf 发生拍频，其频率为 ( f1 ± Δf ) - ( f2 ∓ Δf ) = ( f1 - f2 ) ± 2Δf。（8） 式（8）的信号与双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的 参考信号相减，得到多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为（9） 式中 ：p 为光栅的栅距 ；N 为干涉的条纹数 。 因此，只要测得条纹数 ，就可以计算出被测物体的位移。 上述原理推导是基于一维光栅刻线的，只能测量一维运动。为了获得二维测量，只需将光栅的刻线由一维变成二维（即平面）即可。 4. 2 两种测量系统优缺点对比 由此可知，基于外差干涉的光栅测量原理与双频激光干涉仪几乎完全相同，主要的差别是被测对象由反射镜换成了衍射光栅。两种测量系统的优缺点如表 3 所示。表 3. 双频激光干涉仪与光栅测量系统对比Table 3. Dual frequency laser interferometer versus gratingmeasurement system5外差干涉测量在光刻机中的应用 发展至今，面向 28 nm 及以下技术节点的步进扫描投影式光刻机已成为集成电路制造的主流光刻机。作为光刻机的核心子系统之一的超精密工件台和掩模台，直接影响着光刻机的关键尺寸、套刻精度、产率等指标。而工件台和掩模台要求具有高速、高加速度、大行程、超精密、六自由度（x、y 大 行程平动，z 微小平动，θx、θy、θz微小转动）等运动特点，而实现这些运动特点的前提是超精密位移测量反馈。因此，基于外差干涉技术的超精密位移测量子系统已经成为光刻机不可或缺的组成部分。 4. 光刻机中的多轴双频激光干涉仪［10］Fig. 4. Multi-axis dual frequency laser interferometer in lithography machine[10]图 4 为典型的基于多轴双频激光干涉仪的光刻机工件台系统测量方案［10］，在掩模台和硅片台的侧面布置多个多轴激光干涉仪，对应地在掩模台和硅 片台上安装长反射镜；通过多个激光干涉仪的读数解算出掩模台和硅片台的六自由度位移。 然而，随着测量精度、测量行程、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪由于测量精度易受环境影响、长反射镜增加运动台质量致使动态性能差等问题难以满足日益提升的测量需求。因 此，同样基于外差干涉技术的平面光栅测量系统成为了另一种选择［8］。 光刻机工件台平面光栅测量技术首先由世界光刻机制造巨头 ASML 公司取得突破。该公司于 2008 年 推 出 的 Twinscan NXT：1950i 浸 没 式 光 刻机，采用了平面光栅测量技术对 2 个工件台的六自 由度位置进行精密测量。如图 5 所示，该方案在主基板的下方布置 8 块大面积高精度平面光 栅（约 400 mm×400 mm），在两个工件台上分别布置 4 个 平面光栅读数头（光栅干涉仪），当工件台相对于平 面光栅运动时，平面光栅读数头即可测出工件台的 运动位移［2，5，9］。图 5. ASML 光刻机的平面光栅测量方案［2，5，9］Fig. 5. Plane grating measurement scheme of ASML lithography machine[2,5,9]相比多轴双频激光干涉仪测量方案，平面光栅测量方案具有以下优点：1）测量光路短（通常小于 20 mm），因此测量重复精度和稳定性对环境变化不 敏感；2）工件台上无需长反射镜，因此质量更轻、动态性能更好。 然而，平面光栅测量方案也有其缺点：1）大面积高精度光栅制造难度太大；2）由式（9）可知，位移 测量结果以栅距 p 为基准，然而受栅距均匀性限制， 测量绝对精度不高。为了获得较好的精度和线性度，往往需要利用双频激光干涉仪进行标定。 面临极端测量需求的挑战 ，Nikon 公 司 在 NSR620D 光刻机中采用了平面光栅和双频激光干涉仪混合测量的技术方案［9］，如图 6 所示。该方案 将平面光栅安装在工件台上表面，而将光栅读数头安装在主基板下表面，同时增加了双频激光干涉仪，结合了平面光栅测量系统和双频激光干涉仪的 优点。在读头与读头切换时采用双频激光干涉仪进行在线校准。 图 6. Nikon光刻机混合测量方案［9］Fig. 6. Hybrid measurement scheme of Nikon lithography machine [9]6激光外差干涉系统的发展趋势 无论是双频激光干涉仪还是平面光栅测量系统，要想获得纳米级测量精度，既需要提高测量系统本身的精度，更需要从使用的角度努力，即“三分 靠做，七分靠用”。 就激光外差干涉测量系统本身而言，误差源主要来自于光学非线性误差。在外差干涉测量系统 中，由于光源及光路传输过程各光学器件性能不理想或装调有偏差，会带来两个频率的光混叠现象， 即原本作为测量信号频率 f1（或 f2）的光中混杂了频 率 f2（或 f1）的光，或原本作为参考信号频率 f2（或 f1） 的光中混杂了频率 f1（或 f2）的光。在信号处理中该混叠的频率信号会产生周期性的光学非线性误差。尽管目前主流的双频激光干涉仪厂家已经将非线性误差控制在 2 nm 以内［10- 12］，但应用于 28 nm 以下光刻机时仍然需要进一步控制该误差。国内外众多学者从非线性误差来源、检测和补偿等角度出发，进行了大量研究并取得了丰硕成果［13- 17］。这些成果有望对非线性误差的动态补偿提供理论支持。 从应用角度，研究热点主要集中在应用拓展、 安装误差及其测校算法、环境参数控制及其补偿方法研究等方面。在应用拓展方面，激光外差干涉技术除了应用于测长之外，还在小角度测量、直线度、平面度、反馈测量等方面取得了应用［18- 20］。在安装误差和环境误差补偿算法方面，主要聚焦于多自由度解耦算法、大气扰动补偿等研究方向［4，21- 27］。 7 总结 阐述了光刻机对位移测量系统大量程、亚纳米 分辨率、纳米精度、高测速及多轴同步的苛刻要求。 概述了激光外差干涉技术原理，指出目前为止，激光外差干涉技术是唯一能满足光刻机上述要求的超精密位移测量技术。并综述了两种基于激光外差干涉技术的测量系统：双频激光干涉仪和平面光栅测量系统。总结了这两种位移测量系统在光刻机中的典型应用，以及激光外差干涉技术的当前研究热点和发展趋势。全文详见：激光外差干涉技术在光刻机中的应用.pdf

通过激光刻蚀去除所需位点外围的大部分材料，再通过FIB切割和抛光得到横截面，两种技术相结合最终实现了超大尺寸样品处理所需的速度和精度。而这种组合方式的最新阶段是采用激光刻蚀和PFIB刻蚀实现协同处理，进一步提高分析通量、效率和灵活性。激光集成到FIB室中 VS 独立的激光刻蚀和PFIB协同处理 效率提高至少2,000倍 激光刻蚀提供的最大铣削速率比镓源FIB快约100,000倍，比PFIB快约2,000倍，同时仍保持针对特定位点的足够铣削精度。将激光刻蚀（初始切削材料）与PFIB（最终切割和抛光）相结合可以将制备大尺寸横截面所需的总时间减少95%，在某些情况下甚至更多。如图1显示了镓源FIB、PFIB和激光刻蚀的光斑大小与材料去除率之间的关系。相邻表格提供了这3种技术在最大铣削和最终抛光束流条件下材料去除率的数值比较。如图1：（左）所示，镓源FIB、PFIB和激光刻蚀占据不同的区域，其特点是光斑尺寸（光束直径）和材料去除率之间的制衡。一般来说，较高的束流或束流强度会更快地去除材料，但精度较低。表格(右)比较了材料在三种技术下最大束流和典型抛光条件下的束流(或激光的离子束等效电流)和材料去除率关系。此外，还显示了镓源FIB与激光刻蚀、PFIB与激光刻蚀的去除率之比。将激光集成到FIB室中后，系统一次只能使用一个功能，而其他功能处于空闲状态。TESCANT提供一种最新方式来实施集成显微镜技术，通过独立的激光刻蚀（microPrep PRO、3D-Micromac AG）和PFIB(TESCAN Solaris X)系统提供并行处理。两个系统都不会因为另一个系统的运行而空闲。激光刻蚀系统可以为多个联用工具准备样品，无论联用是多个FIB 还是各种其他故障分析仪器，最终结果都是增加了分析通量和产率，并降低了每次分析的成本。激光刻蚀系统提供约10微米的铣削精度(束斑尺寸)和约3微米的光束定位精度（以厘米为移动范围），使其快速准确地去除立方毫米的材料。基于电路设计的CAD数据或各种FA工具的2D图像叠加的相关对准技术有助于在两个系统中以高精度找到感兴趣区。● 独立系统中的协同处理优点 ●1, 超短激光脉冲最大限度地减少了激光引起热影响区，从而减少了必须通过PFIB中的最终抛光去除的材料量。2. 单独在激光刻蚀系统中切削材料可避免PFIB仓内污染的风险，其中污染物会干扰仪器本身和分析结果。3. 样品同时可以在各种气体环境中通过激光进行处理，并且可以使用解决方案来允许系统之间的转移，而不会暴露在周围环境中。4. 激光刻蚀工具上的平台提供具有六个自由度的精确自动化运动，使其能够在需要时铣削复杂的图案。5. 在激光刻蚀过程中倾斜样品的能力对于补偿由光束能量的高斯强度分布引起的锥度特别有益。尽管它可以使用FIB抛光消除，但在激光刻蚀操作期间避免它可以大大减少FIB抛光所需的时间。6. 消除锥度对于半导体样品中准确对齐堆叠重复结构的横截面（例如TSV、锡焊球等）工艺至关重要。PFIB系统针对高深度大尺寸铣削进行了优化，它提供高达3µA的束流，每秒可去除多达1,400µm3的材料。用于最终抛光的较低离子束电流(300nA)仍可去除高达141µm3/s，即使在具有挑战性的样品上也能提供原始横截面。最具挑战性的样品是那些需要不同切削速率的硬质和软质复合材料的样品。容易产生独特的垂直形貌，描述性地称为“窗帘”。从而引起的窗帘伪影可能会掩盖后续成像中的关键细节。在切削操作过程中，我们可以通过小角度反复摇摆样品减少窗帘伪影。角度的轻微变化使离子束能够更好地进入材料下方较硬的屏蔽区域，并平滑铣削过程。对于束流/铣削速率较高的FIB，窗帘效应可能是一个挑战，就像大通量工作流程中高速铣削所需的那些一样。对于该问题，PFIB系统配置的摆动台提供了一种自动摆动模式，可以予以解决在某些材料中，包括碳化硅、聚酰亚胺、玻璃等，产生的另一种伪影-呈阶梯式。阶梯一旦出现，就会自我强化，很难移除。我们用一种创新的解决方案(True x-section，用户指导程序)来消除了阶梯效应，比大面积FIB沉积速度快得多：允许操作人员在要切片的区域放置一个小的保护硬面罩。案例图2至图6显示了使用激光刻蚀和PFIB来曝光电路元件以进行成像和分析的示例。每个示例都包括每次操作所花费的时间以及相对于单独使用PFIB制备样品所节省的总时间。图2：先进芯片集成中间的图像显示了一个超大的横截面，宽几百微米，深几百微米，穿过集成电路和连接到插入器的焊锡球和触点。左边和右边的图像显示了该截面的细节，左边是IC的放大倍数更高的图像，右边是锡球和接触垫之间的空隙。横切过程在激光刻蚀仪器中耗时10分钟，在PFIB中耗时90分钟，与单独使用PFIB相比节省了70%的时间。图3：锥度校正（右）显示了在高带宽存储器(HBM)器件中硅穿孔(TSV)堆栈的数百微米深和宽的横截面，它说明了系统切割贯通每个TSV中心的精确垂直横截面的能力。在激光刻蚀过程中倾斜样品以补偿锥角对于减少最终PFIB铣削操作要去除的材料量至关重要，从而减少横截面所需的总时间。横截面在激光刻蚀仪器中耗时10分钟，在PFIB中耗时120分钟，与单独的PFIB相比，节省了80%的时间。图4：FIB层析成像的激光刻蚀准备FIB的层析成像通过FIB逐层切片的方式，从捕获的一系列图像中重建了样本体积的3D模型。准备工作首先使用激光刻蚀从一个立方体/矩形体的三面去除材料，如“俯视图”(左)所示。在此视图中，最终将与FIB连续剖切的面位于立方体形状的底部。在“正视图”（中间）中，样品已旋转90°以显示横截面。插图（右）放大了横截面的一个区域以显示其切削质量。使用激光烧蚀制备样品需要10分钟，与PFIB 相比节省了70%的时间。图5: 有机发光二极管面板手机和其他移动设备的显示器含有关键的微结构，在样品制备过程中容易被机械应力损坏。这种精致的样品需要一种特殊的处理方法:在PFIB进行最后切削和抛光之前，在边缘的一个几毫米长的区域被有意地用激光削尖。左上方的第3张图像显示了激光刻蚀切口。下图显示了经过PFIB切削和抛光后长约0.5mm截面(PFIB可以切割和抛光长达1mm的截面)。最右边的顶部图像显示了最终横截面的更高倍放大图。横切面在激光刻蚀中花费了74分钟，在PFIB中花费了165分钟，与单独PFIB相比节省了95%的时间。图6： 微机电系统MEMS设备对样品制备过程中的机械损伤特别敏感。在这个例子中，激光刻蚀被用来打开一个窗口，进入封装的 MEMS 设备进行检查和分析。 节省的时间从70%到95%以上 激光刻蚀功能嵌入FIB系统的系统本质上是低效的，因为一次只能使用一种功能。该技术的最新迭代在独立的激光刻蚀和PFIB中实现并行处理，通过允许同时在两种工具中进行处理来提高通量和产率。这些工具通过相关的图像对齐程序和CAD叠加导航进行集成。在并行配置中，单个激光刻蚀系统可以供给多个FIB和其它FA工具。这种方法具有消除污染FIB系统的风险的优势，其中污染物会干扰成像和分析或损坏系统。我们展示了几个大的、高质量的横截面示例，并计算出与单独使用PFIB制备相比节省的时间，所示示例中节省的时间从70%到95%以上。

孚光精仪在上海，天津同时发布一款新型激光直写式雾无掩模光刻系统。这款无掩模光刻机是一款高精度的激光直写光刻机。这套无掩模光刻机具有无掩模技术的便利，大大提高影印和新产品研发的效率，节省时间，是全球领先的无掩模光刻系统。这款激光直写无掩模光刻机直接用375nm或405nm紫外激光把图形写到光胶衬底上。 激光直写无掩模光刻系统特色尺寸：925x925x1600mm内置计算机控制接口激光光源：375nm或405nm视频辅助定位系统自动聚焦设置 详情浏览：http://www.f-opt.cn/guangkeji.html 激光直写无掩模光刻机参数线性写取速度：500mm/s位移台分辨率：100nm重复精度： 100nm晶圆写取面积：1—6英寸衬底厚度：250微米-10毫米激光点大小：1-100微米准直精度：500nm Email: info@felles.cn 或 felleschina@outlook.com Web: www.felles.cn （激光光学精密仪器官网） www.felles.cc （综合性尖端测试仪器官网） www.f-lab.cn （综合性实验室仪器官网） Tel: 021-51300728, 4006-118-227