龔士彬，謝冬冬，武志鵬，宗明成

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

光刻機(jī)是集成電路生產(chǎn)制造過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。提高光刻機(jī)曝光分辨率通常有兩種方式——縮短光源波長(zhǎng)λ和增大數(shù)值孔徑NA，但同時(shí)會(huì)造成鏡頭的焦深范圍變小[1]。在20/14 nm節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵光刻層的焦深已經(jīng)只有60 nm左右，曝光時(shí)的對(duì)焦精度必須控制在10 nm以下[2]。為保證不離焦，光刻機(jī)在測(cè)量位置測(cè)量晶圓表面形貌，在曝光位置調(diào)整其曝光時(shí)的姿態(tài)[3]。

光刻機(jī)利用調(diào)焦調(diào)平傳感器測(cè)量晶圓高度，主流廠商都采用了基于光學(xué)三角法的測(cè)量技術(shù)[4]。ASML公司的調(diào)焦調(diào)平傳感器采用了歸一化分時(shí)差分測(cè)量方法，將一組差分形式的測(cè)量光斑由光彈調(diào)制器分時(shí)成像在光電探測(cè)器上[5-7]。計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出晶圓高度，繪制出晶圓表面的形貌圖。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和SMEE公司的光刻機(jī)均采用VME控制系統(tǒng)控制調(diào)焦調(diào)平傳感器實(shí)現(xiàn)硅片形貌的測(cè)量和對(duì)焦控制。上述的調(diào)焦調(diào)平實(shí)現(xiàn)方法存在2個(gè)導(dǎo)致同步性差的因素：在分時(shí)差分測(cè)量方法中，前后兩次所采數(shù)據(jù)實(shí)際對(duì)應(yīng)晶圓上的不同位置，從而產(chǎn)生時(shí)延誤差；操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度存在延時(shí)，造成測(cè)量的晶圓形貌與實(shí)際的晶圓形貌存在偏移。

針對(duì)分時(shí)差分測(cè)量的缺點(diǎn)，本文提出一種基于空間分光的調(diào)焦調(diào)平傳感器同步光電探測(cè)系統(tǒng)。本探測(cè)系統(tǒng)采用多通道同步采集方法進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，解決分時(shí)采集造成的時(shí)延誤差；并針對(duì)軟件延時(shí)造成的形貌偏差問題，在探測(cè)系統(tǒng)上引入硅片臺(tái)位置同步機(jī)制，即使用硬件電路保存硅片臺(tái)位置。

1 調(diào)焦調(diào)平實(shí)現(xiàn)原理

調(diào)焦調(diào)平傳感器利用光學(xué)三角法和空間分光技術(shù)測(cè)量晶圓表面各個(gè)曝光區(qū)域內(nèi)的高度，硅片臺(tái)根據(jù)該高度數(shù)據(jù)調(diào)整晶圓的位置和姿態(tài)，以保證曝光區(qū)域位于焦深范圍內(nèi)。

光學(xué)三角法的測(cè)量原理如圖1所示，其中A、B分別為投影光柵和探測(cè)光柵，h1、h2對(duì)應(yīng)同一反射面在不同時(shí)刻的表面位置。在給定入射角α?xí)r，若反射面向下移動(dòng)距離h，反射光的位置對(duì)應(yīng)移動(dòng)Δx。根據(jù)式(1)所示的幾何關(guān)系可算得反射面的相對(duì)位置。

(1)

空間分光的過程如圖2所示，投影光柵的條紋由雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)成像在晶圓表面，晶圓表面反射后再次經(jīng)過雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)成像在探測(cè)光柵。探測(cè)光柵的前面板依次粘貼著偏振片和分光晶體，于是投影光柵像由偏振片起偏，分光晶體將起偏的投影光柵像分離為在垂直方向上相差半個(gè)條紋周期的o光和e光，如圖2(b)所示。隨后經(jīng)探測(cè)光柵調(diào)制形成圖2(d)所示條紋。根據(jù)光學(xué)三角法原理，晶圓表面高度的變化會(huì)造成投影光柵像在垂直于光柵條紋的方向上移動(dòng)，從而改變調(diào)制后o光和e光通過探測(cè)光柵的比例。光柵像進(jìn)入光電探測(cè)器前，利用渥拉斯頓棱鏡將o光與e光在空間上完全分開，探測(cè)器即可同時(shí)采集o光與e光條紋的光強(qiáng)值。

圖1 光學(xué)三角法高度測(cè)量原理圖

(a)投影光柵像 (b)半周期分光 (c)經(jīng)過探測(cè)光柵 (d)探測(cè)光柵像 (e)空間分光圖2 空間分光示意圖

空間分光后的o光、e光光強(qiáng)為

(2)

(3)

式中：P為光柵周期，μm；N為光柵條數(shù)；c為組件(偏振片+分光晶體)的透過率；Δx為晶圓表面高度的位移量，μm[8]。

根據(jù)上述公式繪制晶圓表面高度與光強(qiáng)的關(guān)系曲線(圖3)，圖(3)中Io為o光光強(qiáng)的歸一化值，Ie為e光光強(qiáng)的歸一化值。0 μm位置處o光與e光光強(qiáng)曲線相交，且為所有交點(diǎn)中的最大值，即在零位時(shí)o光、e光光強(qiáng)有最大的相等值。

圖3 光強(qiáng)與晶圓表面高度關(guān)系仿真

晶圓表面高度值的計(jì)算公式為

(4)

式中：Be與Bo為探測(cè)器的背景噪聲；G為比例系數(shù)。

G同光柵周期P、測(cè)量光入射角α的關(guān)系為

(5)

基于上述空間分光測(cè)量原理以及調(diào)焦調(diào)平傳感器的精度需求，設(shè)計(jì)了一種高精度、高實(shí)時(shí)性、多通道同步采集的光電探測(cè)系統(tǒng)。

2 光電探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光電探測(cè)系統(tǒng)由光電二極管陣列、數(shù)據(jù)采集板、PCIe板和上位機(jī)軟件組成，圖4為總體框圖。光電二極管陣列由緊湊排列的21個(gè)高靈敏度探測(cè)區(qū)域組成，可將600～1 000 nm波長(zhǎng)的光強(qiáng)值轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，包括9對(duì)o光、e光探測(cè)區(qū)和3個(gè)粗對(duì)準(zhǔn)探測(cè)區(qū)。數(shù)據(jù)采集板根據(jù)上位機(jī)和硅片臺(tái)的指令，同步采集光電二極管產(chǎn)生的模擬信號(hào)，經(jīng)16 bit ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送至位于上位機(jī)主板上的PCIe板。數(shù)據(jù)通過高速串行鏈路向PCIe板發(fā)送時(shí)，利用SERDES芯片以10 bit串并轉(zhuǎn)換的方式，將高兩位分別作為“測(cè)量數(shù)據(jù)有效”和“溫度數(shù)據(jù)有效”控制信號(hào)，每個(gè)時(shí)鐘發(fā)送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，保證每次采樣完成后，將包括溫度數(shù)據(jù)在內(nèi)的44個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)以MSB方式有序傳輸。PCIe板從高速串行鏈路上恢復(fù)來自數(shù)據(jù)采集板的數(shù)據(jù)至片上RAM，再通過PCIe協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)上的光電探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試程序可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

圖4 總體關(guān)系圖

為了克服造成探測(cè)系統(tǒng)精度下降的兩個(gè)因素：o光與e光之間存在采樣延遲、硅片臺(tái)實(shí)際位置與采樣位置偏離，文中采用了“多通道同步采集”和“硅片臺(tái)同步觸發(fā)”這兩項(xiàng)針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2.2 多通道同步采集設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的探測(cè)系統(tǒng)采集光強(qiáng)信號(hào)時(shí)采用分時(shí)采集的方式，每組o光與e光由同一個(gè)ADC在間隔1 μs的2個(gè)時(shí)刻先后采樣。例如，在1x nm光刻機(jī)內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)250/h的產(chǎn)率，要求掃描速度為800 mm/s[9]。依照該掃描速度，兩次采樣的實(shí)際位置相差800 nm。根據(jù)式(4)計(jì)算可知，對(duì)于時(shí)刻0位置的高度測(cè)量結(jié)果，由分時(shí)采集方式造成的偏差值約為時(shí)刻0與時(shí)刻1兩個(gè)位置之間高度差值Δh的一半，即時(shí)刻0位置的測(cè)量值為真實(shí)值h與偏差量Δh/2的和，這種偏差將在nm尺度下影響測(cè)量的精確性。本設(shè)計(jì)則采用同步采集方式，在收到采樣脈沖后，探測(cè)系統(tǒng)同步采集21路光強(qiáng)信號(hào)，克服了上述分時(shí)電路造成的測(cè)量結(jié)果偏差。

2.3 硅片臺(tái)同步觸發(fā)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)針對(duì)硅片臺(tái)位置與實(shí)際采樣位置存在的偏差，在探測(cè)系統(tǒng)上引入了硅片臺(tái)同步信號(hào)。相比于使用軟件讀取硅片臺(tái)位置，由探測(cè)系統(tǒng)的硬件電路接收硅片臺(tái)的位置信號(hào)可減少軟件處理信息所帶來的延時(shí)問題，且硬件電路的延時(shí)較穩(wěn)定。控制硅片臺(tái)常用的操作系統(tǒng)是VxWorks嵌入式系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)任務(wù)切換時(shí)間最高接近2 μs[10]。本設(shè)計(jì)使用觸發(fā)器電路處理硅片臺(tái)同步信號(hào)的執(zhí)行時(shí)間可縮小到百ns以內(nèi)。具體實(shí)現(xiàn)方法是為硅片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)路徑建立坐標(biāo)，并對(duì)硅片臺(tái)的控制電路進(jìn)行編程：當(dāng)運(yùn)動(dòng)至預(yù)定的測(cè)量位置時(shí)發(fā)出同步信號(hào)，光電探測(cè)系統(tǒng)處理這個(gè)同步信號(hào)時(shí)使用一個(gè)觸發(fā)器提取出其上升沿，根據(jù)該上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)采集和硅片臺(tái)位置更新，硅片臺(tái)位置更新由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。

光電探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物如圖5所示，數(shù)據(jù)采集板和PCIe板之間的互連線內(nèi)集成了高速串行傳輸鏈路、12 V/20 V供電、RS485傳輸線。數(shù)據(jù)采集板的三段式柔性連接有利于位置固定和節(jié)省空間。

圖5 光電探測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 背景噪聲測(cè)試

探測(cè)系統(tǒng)背景噪聲數(shù)據(jù)如圖6(a)所示，總計(jì)18路探測(cè)光路數(shù)據(jù)和3路捕獲光數(shù)據(jù)，圖中選取了噪聲最為明顯的o7光路。對(duì)連續(xù)的500次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到該噪聲數(shù)據(jù)的3σ值為0.25 mV，該結(jié)果很好地滿足了調(diào)焦調(diào)平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)所規(guī)定的1 mV指標(biāo)要求。

根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。Io+Bo、Ie+Be兩項(xiàng)與探測(cè)系統(tǒng)的輸出的電壓值之間為線性關(guān)系，因此直接將o7光路數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的e7光路數(shù)據(jù)帶入式(4)中得到圖6(b)的高度曲線，可知探測(cè)系統(tǒng)在最糟糕情況下的高度數(shù)據(jù)3σ為3.72 nm，探測(cè)系統(tǒng)的噪聲對(duì)精度的影響在nm量級(jí)。

(a)原始電壓值

(b)高度計(jì)算值圖6 探測(cè)系統(tǒng)背景噪聲

3.2 硅片臺(tái)同步觸發(fā)測(cè)試

利用Vivado集成邏輯分析儀(ILA)在線抓取硅片臺(tái)同步脈沖信號(hào)SYNC_SIG、硅片臺(tái)同步脈沖邊沿檢測(cè)信號(hào)SYNC_POS、硅片臺(tái)位置計(jì)數(shù)器POSITION、采集信號(hào)DATA_E0～DATA_E8和DATA_O0～DATA_O8。如圖7所示，游標(biāo)T所在時(shí)刻，光電探測(cè)系統(tǒng)接收到SYNC_SIG輸入脈沖，SYNC_POS寄存器提取出輸入脈沖的上升沿作為采集的啟動(dòng)信號(hào)和硅片臺(tái)位置更新的信號(hào)，等待ADC芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后更新測(cè)量數(shù)據(jù)。從硅片臺(tái)位置脈沖到達(dá)光電探測(cè)系統(tǒng)開始至硅片臺(tái)位置更新，這個(gè)過程的延遲為60～80 ns，延遲主要產(chǎn)生在異步信號(hào)的處理過程。圖7中采樣結(jié)果的產(chǎn)生時(shí)刻也表明o光與e光為多通道同步采樣。

圖7 硅片臺(tái)同步觸發(fā)信號(hào)時(shí)序圖

3.3 調(diào)焦調(diào)平在線測(cè)試

在調(diào)焦調(diào)平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，放置晶圓的位移臺(tái)在Z方向上從相對(duì)調(diào)焦調(diào)平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)零位的下方75 μm處向上移動(dòng)至零位的上方75 μm處，復(fù)現(xiàn)了圖3的仿真曲線。測(cè)試結(jié)果中的偏置是由于光學(xué)背景噪聲和機(jī)械裝配誤差造成的，但因?yàn)闇y(cè)量信號(hào)的形式是差分光強(qiáng)，所以共模干擾不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖8 探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于FPGA設(shè)計(jì)了一種用于光刻調(diào)焦調(diào)平傳感器的光電探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集光刻調(diào)焦調(diào)平傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)空間分光原理對(duì)21路模擬數(shù)據(jù)同步采集，解決了分時(shí)采集所產(chǎn)生的時(shí)延誤差；引入硅片臺(tái)同步信號(hào)，提高了測(cè)量值與測(cè)量位置之間對(duì)應(yīng)的精度；并針對(duì)探測(cè)系統(tǒng)背景噪聲和平臺(tái)數(shù)據(jù)采集做了測(cè)試。結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以在滿足精度要求的條件下穩(wěn)定地將調(diào)焦調(diào)平傳感器所產(chǎn)生的光強(qiáng)信號(hào)采集至上位機(jī)，測(cè)量精度高于4 nm(3σ)，滿足調(diào)焦調(diào)平傳感器光電探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。