黃靜莉

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簡述光刻機(jī)投影物鏡的幾種減振方案

黃靜莉

(上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093)

振動(dòng)是影響光刻機(jī)投影物鏡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，決定了投影光刻機(jī)的主要性能。簡述了消除或抑制投影物鏡振動(dòng)的兩種方案，即一體式主動(dòng)減振方案和采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性支撐兩級(jí)主動(dòng)減振方案。通過在實(shí)際中應(yīng)用表明，后一種減振方案可以實(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米級(jí)的定位精度及穩(wěn)定性。

光刻機(jī)投影物鏡壓電陶瓷主動(dòng)減振

在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展中，高精度的設(shè)備越來越多地決定著各行各業(yè)的發(fā)展前景，特別是在半導(dǎo)體行業(yè)。隨著大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展的需求，提高集成電路的集成度成為發(fā)展的關(guān)鍵。提高集成電路集成度的途徑之一是減小集成電路的體積，把每個(gè)晶體管元件做小。而微納米光刻加工設(shè)備則是晶體管元件做小的關(guān)鍵，光刻的目的是把要制作的電路結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體器件、隔離槽、接觸孔、金屬互連線等圖形以物鏡的比例復(fù)制到硅片表面的光敏光刻膠上，形成三維圖像。

光刻投影曝光微納米加工設(shè)備(即光刻機(jī))是硅片制造的關(guān)鍵設(shè)備。其功能是將一整套集成電路永久的刻蝕在涂膠的硅片上，利用光學(xué)投影成像原理，通過投影物鏡將掩膜版上的集成電路圖形正確地光刻復(fù)制在硅片上，以做成半導(dǎo)體芯片。為此，光刻機(jī)被認(rèn)為是大規(guī)模集成電路制造的核心設(shè)備，光刻技術(shù)則是集成電路制造工藝發(fā)展的動(dòng)力。

目前，典型的光刻技術(shù)包括接觸式光刻、接近式光刻、光學(xué)投影光刻和激光干涉光刻。其中，光學(xué)投影光刻技術(shù)是目前IC行業(yè)生產(chǎn)中主要采用的光刻工藝。

光刻機(jī)是大規(guī)模制造集成電路的光學(xué)投影光刻工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能直接影響著集成電路的特征尺寸。同時(shí)，在一套集成電路工藝中，常需要多次光刻，而且每次光刻得到的圖形不是相互獨(dú)立的，而是有著密切的空間關(guān)系，這種關(guān)系需要用光刻機(jī)來保證。投影光刻物鏡是投影光刻機(jī)的核心部件，決定了投影光刻機(jī)的主要性能。投影光刻加工制造必須通過物鏡應(yīng)用光學(xué)投影曝光技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)在硅片上加工電路圖像的目的，精度達(dá)到微米或納米量級(jí)，最終滿足大規(guī)模集成電路芯片的高性能需求。為此，物鏡的定位精度、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能就成為影響光學(xué)微納米加工精度的關(guān)鍵因素，而影響物鏡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是振動(dòng)。因此，如何消除或抑制物鏡振動(dòng)是至關(guān)重要的。

1 投影物鏡系統(tǒng)的現(xiàn)有減振方案

光刻機(jī)投影物鏡安裝在內(nèi)部框架之上，根據(jù)物鏡曝光的特征線寬指標(biāo)采取不同的減振方案。比如，當(dāng)特征線寬在0.5～2 μm，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度在0.1～0.2 μm，內(nèi)部框架的殘余振動(dòng)PSD水平限制在10-6(m/s2)2Hz@2～100 H，穩(wěn)定時(shí)間為200～500ms，位置穩(wěn)定性為1～5 mm時(shí)[1]，大多采用一體式被動(dòng)減振方案對(duì)支撐物鏡的內(nèi)部框架進(jìn)行減振，從而達(dá)到對(duì)物鏡系統(tǒng)的振動(dòng)隔離與抑制，如圖 1所示。其缺點(diǎn)是無法對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行有效地隔離與抑制。采用一體式主動(dòng)減振方案，即在被動(dòng)方案的基礎(chǔ)上利用速度和加速度傳感器進(jìn)行反饋，作動(dòng)器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的減振方案對(duì)支撐物鏡的內(nèi)部框架進(jìn)行減振，穩(wěn)定時(shí)間提高到100～200 ms，位置穩(wěn)定性提高到20～100 μm。雖然對(duì)低頻減振有較好的效果，但對(duì)于特征線寬在亞微米、納米級(jí)精度，位置穩(wěn)定性是在幾個(gè)微米的需求上，僅對(duì)支撐物鏡的內(nèi)部框架進(jìn)行減振已無法滿足需求。在微電子技術(shù)向大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路方向發(fā)展中，隨著集成度的不斷提高，線條越來越細(xì)化，線寬已縮小到90～100 nm左右，對(duì)與之相應(yīng)的工藝設(shè)備提出了更高的要求。要求這些設(shè)備的定位精度為線寬的1/3～1/5，即亞微米甚至是納米級(jí)精度，通過減振器對(duì)內(nèi)部框架的單級(jí)減振已不能滿足其性能需求，特別是針對(duì)高端光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)及微納米加工設(shè)備的性能要求越來越多的取決于系統(tǒng)定位精度及穩(wěn)定性。

圖1 物鏡主動(dòng)阻尼減振

2 投影物鏡系統(tǒng)的主動(dòng)減振方案

針對(duì)上述問題提出了采用兩級(jí)隔振系統(tǒng)方案。第一級(jí)采用減振器減振，用于抑制內(nèi)、外部框架的低頻振動(dòng)；第二級(jí)采用柔性支撐—壓電驅(qū)動(dòng)阻尼裝置，用于隔離主基板上的殘余振動(dòng)加速度，即在物鏡與內(nèi)部框架之間引入阻尼減振模塊，直接對(duì)物鏡系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行隔離與抑制。

阻尼減振采用柔性支撐—壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)及主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙、具有高的位移分辨率、控制簡單(只需外加電壓)，而且容易實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度，同時(shí)不產(chǎn)生噪音及發(fā)熱，適用于各種工作環(huán)境。通過主動(dòng)控制技術(shù)可消除或抑制水平和垂向振動(dòng)并實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償振動(dòng)的功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物鏡系統(tǒng)的主動(dòng)減振。柔性支撐—壓電驅(qū)動(dòng)的阻尼主動(dòng)減振采用彈簧與柔性鉸鏈結(jié)合的整體式結(jié)構(gòu)，利用疊層式壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)元件。壓電陶瓷材料是一種同時(shí)兼具正、逆機(jī)電耦合特性的智能材料，對(duì)壓電陶瓷兩端面施加外力而變形產(chǎn)生電位差(稱為正壓電效應(yīng))。相反，對(duì)兩端面施加電場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形(稱為逆壓電效應(yīng))。壓電陶瓷分為兩部分，一部分利用壓電正效應(yīng)的壓電塊作為壓電傳感器，用于測(cè)量物鏡因振動(dòng)而作用在柔性塊上力的變化；一部分利用壓電逆效應(yīng)作為壓電作動(dòng)器，用于主動(dòng)施加控制力，補(bǔ)償因振動(dòng)而產(chǎn)生的唯一。兩部分封裝在一起作為一個(gè)整體裝入兩個(gè)斜置正交的方孔中，如圖2所示。

圖2 主動(dòng)阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí)為了減小壓電塊應(yīng)力，上、下兩面采用粘合劑將壓電陶瓷固定在方孔中，預(yù)緊彈簧處于垂向拉伸狀態(tài)，因此，對(duì)壓電陶瓷施加了一定的預(yù)緊力，以防止其受到拉伸力的作用而造成損壞。壓電陶瓷的周圍設(shè)計(jì)了細(xì)長槽及半圓槽結(jié)構(gòu)作為柔性鉸鏈，以消除由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生剪切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力對(duì)壓電塊造成的影響。通過斜置正交放置壓電陶瓷的方式達(dá)到抑制垂向、水平向兩個(gè)自由度的振動(dòng)，投影物鏡可通過3個(gè)阻尼器支撐，因此每個(gè)阻尼器上承受的重力為：

通過主動(dòng)控制作動(dòng)器，采取重力預(yù)緊、彈簧增加預(yù)緊的方法達(dá)到衰減系統(tǒng)低頻振動(dòng)和抵消擾動(dòng)力的作用，從而實(shí)現(xiàn)物鏡系統(tǒng)的制振和隔振功能，使物鏡系統(tǒng)在高、低頻域范圍均能實(shí)現(xiàn)較好的減振效果和穩(wěn)定性。

3 主動(dòng)阻尼減振方案的控制及效果

物鏡安裝于整機(jī)框架上，框架振動(dòng)(包含地基振動(dòng)、工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)反力引起的振動(dòng)等)會(huì)傳遞給物鏡，導(dǎo)致物鏡系統(tǒng)振動(dòng)，引起成像的誤差，破壞曝光進(jìn)度。為消除或抑制框架振動(dòng)對(duì)物鏡的影響，通過在物鏡與框架之間加入柔性支撐—壓電驅(qū)動(dòng)的阻尼器實(shí)現(xiàn)對(duì)物鏡系統(tǒng)的主動(dòng)減振。對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)施加阻尼力從而抑制投影物鏡的振動(dòng)，并能控制補(bǔ)償垂向振動(dòng)位移及水平向振動(dòng)位移。壓電陶瓷塊中的壓電傳感器檢測(cè)到由振動(dòng)產(chǎn)生的力后，將測(cè)量信號(hào)傳給控制器，控制器經(jīng)過一系列控制算法后將控制信號(hào)輸出給壓電作動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)其進(jìn)行主動(dòng)抑制振動(dòng)?？刂扑惴ㄊ峭ㄟ^測(cè)量振動(dòng)時(shí)力的變化直接對(duì)主動(dòng)阻尼器施加力補(bǔ)償，這種控制算法實(shí)際是一種反饋控制方法，如圖3所示。

圖3 主動(dòng)阻尼器控制圖

當(dāng)外界擾動(dòng)作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用力，這個(gè)力(sen)可以通過傳感器測(cè)量獲得，把這個(gè)力與參考力(ref)相減就會(huì)得到一個(gè)誤差(err)，誤差(err)通過反饋控制器和擾動(dòng)信號(hào)共同作用在結(jié)構(gòu)體上。如果力傳感器測(cè)量的值比擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)小，就表明反饋控制起到了抑制振動(dòng)的作用。

當(dāng)作用力為一定值時(shí)，由剛度模型可知：

act()=perr() (2)

式(2)中，p為剛度的倒數(shù)，力err與位移act成正比。當(dāng)作用力隨時(shí)間變化時(shí)，其關(guān)系式為：

act()=il∫err() (3)

將式(2)、(3)相加得到：

act()=perr()+il∫err() (4)

對(duì)式(4)進(jìn)行求導(dǎo)，得出

將式(5)的兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

式(6)就是反饋控制器中經(jīng)過一系列控制算法要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。通過仿真計(jì)算，這種積分力反饋控制算法可以降低物鏡共振峰值約20 db，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 積分力反饋控制算法效果圖（X向）

圖5 積分力反饋控制算法效果圖（Y向）

圖6 積分力反饋控制算法效果圖（向）

3 結(jié)語

隨著光刻機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，投影物鏡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也成為了熱門的話題。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，主動(dòng)阻尼減震方案在定位精度及穩(wěn)定性上都有較好的實(shí)現(xiàn)效果，也更適合實(shí)際的應(yīng)用開發(fā)。

[1] 袁志揚(yáng). 主動(dòng)減震系統(tǒng)技術(shù)在納米加工設(shè)備上的應(yīng)用及發(fā)展[J].精密制造與自動(dòng)化,2012(3): 9-12.