Nikon光刻机对准机制和标记系统研究

第3期 微细加工技术 №. 3                     2002 年 9 月 M ICROFABRICA TION TECHNOLO GY Sep . ,2002 文章编号 :1003 - 8213 ( 2002) 03 - 0044 - 04

Nikon 光刻机对准机制和标记系统研究
严利人
( 清华大学微电子学研究所 ,北京 100084)

摘要 : 套刻精度是步进式光刻机最重要的指标之一 。从应用角度探讨了 Nikon 系列

光刻机的对准方法 ,举例说明了众多对准标记在实际掩模版上的摆放原则 。
关     :套刻精度 ; 对准标记 ; 掩模版 键 词 中图分类号 : TN305·     7 文献标识码 :A

1  引言
步进式重复曝光光刻机出现于上世纪 80 年代早期 ,从那时起直至 90 年代后期出现第 一台准分子激光光刻机商品为止 ,各种各样的 G 线、线光刻机统治了集成电路制造中的光 I 刻工艺。在此期间 ,日本 Nikon 公司成为世界 上占据第一位的步进光刻机供货商。 国内各大合资集成电路制造厂商 , 除天 津 Motorola 以 ASML 公司光刻机为主外 ,其 他都是使用 Nikon 系列光刻机 , 另外有一些 研究单位也使用 Nikon 公司的 G 线 、 线光 I 刻机 。熟悉和掌握与之相配合的掩模版设计 技术 ,是更好地使用这类设备的关键 。 本文首先介绍 Nikon 光刻机的对准方 案 ,在此基础上结合实例介绍掩模版对准标 记的位置设计原则 。

2  Nikon 系列光刻机对准机制
国内设备研究人员比较熟悉 ASML 公 司的光刻机 ,关于该类光刻机的对准机制 ,或 许可参考文献 [ 1 ] 。与 ASML 光刻机相比 , Nikon 系列光刻机在对准技术方面有较大的 差别 ,有自己的特色 。 在 Nikon 系列光刻机的对准方案中 , 用 到三类对准标记 : 对版标记 、 硅片粗对标记和 硅片精对标记 。此外 , 还有与各类标记相对 应的传感器和固定在硅片台上的基准标记集 ( 称 Fiducial Mark) 。 硅片台是 Stepper 的核心构件之一 , 在 硅片 台 上 固 定 的 激 光 干 涉 计 反 射 镜 面 和 Fiducial Mark , 构成了计量坐标系的基础要 素。 具体地说 , 两反射镜面垂直 , 指标 X 、 Y
211   用作标准的计量坐标系

大学电子工程系半导体专业 ,1992 年于清华大学微电子学研究所获硕士学位 ,现从事集成电路制造工艺 、 设 备和技术管理研究 。

   收稿日期 :2002Ο Ο ; 01 14

   作者简介 : 严利人 ( 1968 - ) ,男 ,江苏省靖江市人 , 清华大学微电子学研究所副教授 ,1990 年毕业于清华

第 3 期           严利人 :Nikon 光刻机对准机制和标记系统研究

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两个方向 ; Fiducial Mark 可用于指示坐标原 点 ; 两坐标轴上的刻度由激光干涉计的激光 波长决定 。 Fiducial Mark 包括对版用十字叉丝 、 硅 片粗对和精对用标记的刻划图案 。机器初始 化时 ,硅片台向 Home 位置移动 , 判测 Home 位置的光耦开关的一刹那 , 将干涉计读数清 零 ,我们就取此时对版用十字叉丝的中心为 坐标原点 ,此后任一时刻干涉计读数都将是 那时十字叉丝中心在计量坐标系中的坐标 值 。附带指出 , 取其它点为坐标原点并不影 响后面的讨论 ; 由于光耦响应的原因 ,某次初 始化后确立的计量坐标系 , 与前一次确立的 不一定重复 。 Nikon 系列光刻机的基本定位策略是 : 在硅片平面上 ( 如果实物不在硅片平面 ,则一 律取其透过镜头系统在硅片平面的投影) ,同 类的 Fiducial Mark 、 探测传感器 、 对版或对硅 片标 记 相 互 对 准 。举 例 来 说 , 将 Fiducial Mark 中的 X 精对标记移至与 L SA X ( L SA 指 Laser Step Alignment ) 传感器中心重合的 位置 , 记录此时干涉计读数 WX ( 系所谓的 Base line 之一) ,又将硅片上的某个 X 精对标 记也移至与 L SA X 传感器中心重合 ,记录此 时干涉计读数 WXl , 用这个读数减去基线值
WX ,就得到硅片上这一点到 Fiduxial Mark

在所记录的坐标值基础上叠加特定数 值 ,得到θ探测器的位置 ,将十字叉丝移到此 位置 。由于传感器安装精度的缘故 θ 探测 , 器未必能 “看到” 十字叉丝 , 此时调整θ 探测 器的位置使之与对版标记中心重合 , 实现θ 探测器对 Y 探测器的校准 。 调整θ探测器的位置 , 采用了偏折光路 的技术 ,并不实际移动传感器 ; 在中心重合方 面 ,采用了接收信号的双倍频判断技术 。 213   掩模版自身坐标系与
X 显微镜位置坐标 。

版台坐标系的重合 版自身坐标系取决于电子束制版设备 , 其要素是其上的 X 、 、 对准标记 。掩模版 Yθ 载版后 , X 、 、 标记 ( 与 Fiducial Mark 十字 Yθ 叉丝类似 ,由于投影倍率的关系在尺寸上大 5 倍) 即处于各自探测器下方 ,X 、 、 三轴方 Yθ 式微动掩模版 ,使得各传感器接收信号合格 , 实现版坐标系与版台坐标系重合 。 采用上述步骤后 , 通过图像分析技术进 行掩模版旋转量检查 。若掩模版旋转量过 大 ,则要重复进行版台坐标系调整和对版的 动作 ,直至旋转量达到要求 。 由于在版坐标系中 , 各对准标记到版中 心的距离已知 ( 固定值 ,参见后文中对版标记 坐标) ,在本重合步骤后 , 可求版中心在计量 坐标系中的坐标值 ,当干涉计读数为此值时 , 版中心准确投影到对版用十字叉丝中心 。 214   硅片台坐标系校准 Nikon 系列光刻机的硅片对准分为粗对 和精对两步 。粗对采用与版对准类似的技 就精 对 而 言 , 硅 片 台 坐 标 系 的 要 素 是

上标记点的 X 距离 , 依此类推 , 硅片上若干 标记点到 Fiducial Mark 的 X 距离都可以类 似地得到 ,从而硅片上各点之间的 X 位置关 系就得到确定 , Y 方向也是如此 ,通过这种方 法完成硅片上各采样点间位置关系的测量 。 212   掩模版台坐标系的校准 记录 XY 探测器位置的坐标值 。

掩模版台坐标系的要素是掩模版 XY 和 θ标记探测器 。移动硅片台至干涉计达到特 定读数 ,此时对版用十字叉丝透过曝光镜头 后的像在 XY 探测器附近 , 微动硅片台执行 搜索 ,直至 XY 探测器与十字叉丝中心重合 ,

术 ,而精对采用衍射光栅 。 就粗对而言 , 硅片台坐标系的要素是硅 片粗对 X 、 、 标记的探测显微镜 。校准动 Yθ 作为 : 以 Fiducial Mark 中的粗对标记读取 Y 显微镜位置坐标 ; 沿 X 方向移动 6315mm 至 θ显微镜下 ,偏折光路校准θ 显微镜位置 ; 读

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微 细 加 工 技 术                 2002 年

L SA X , L SA Y 传感器 ,以 Fiducial Mark 中

的 L SA 标记读取两传感器位置坐标 。 215   硅片测量 载片后要进行硅片校准和测量 , 前者是 指旋转硅片使得硅片上的θ粗对准标记与 Y 粗对标记校准 ,即 Y - θ连线与计量坐标系 X 轴平行 ,后者则要完成对于已经存留于硅片 上的曝光阵列的测量与补偿 。 对于 Nikon 系列光刻机 , 第一次曝光不 执行对准 ,但留下足够的标记供后续曝光使 用 。由于后续曝光亦可留下标记供更后的曝 光使用 ,因此以后的工序也不存在标记模糊 的问题 ,而 ASML 光刻机如果不采取特殊措 施 ,则对准标记随工艺进展而损失的问题会 较严重 。 一般第一片曝光硅片可由人工帮助找到 硅片上的粗对标记 , 光刻机记录人工施加的 移动量后 ,以后各片自动按所记录移动量移 动到粗对标记附近 ,进行标记搜索 ,进而完成 Y - θ标准和 X 标记坐标值读取 , 结合曝光 文件中关于步长 、 曝光阵列 、 各粗对标记的设 计坐标值 、 精对标记的设计坐标值等数据 ,可 以大致确定精对标记所在位置 , 进入下一步 ( 精对过程) 。 法 ,测量多个精对标记的位置值 ,多点采样统
所 有 层 次
Y 对准和 检查 R Y

计计算硅片已曝光阵列的胀缩和旋转 ( 称作 EGA ,Enhanced Global Alignment 技术 ) 。在 Fiducial Mark 标记集中对版标记和硅片精对 标记间存在固定的常数距离 , 它实际上构成 了版坐标系与硅片坐标系二者的连结 , 至此 可计算得到补偿后每个曝光 Shot 的中心坐 标 ,最终完成所有曝光前的对准工作 。 经过以上各步的对准操作 , 可得到的套 σ 刻精 度 是 ( 某 次 实 测 值 ) : X 方 向 3 值 为 μ μ 01078 m , Y 方向 01082 m 。

3  Nikon G 线与 I 线光刻机

兼容掩模版的设计原则

根据前文所述 ,在一块掩模版上 ,除了所

设计的电路层图形外 , 还应当在合适的位置 放置版对准标记 、 硅片粗对标记和硅片精对 标记 ,此外在版边缘的非关键区域 ,还可能刻 写版名 、 号码 ,以及供自动判别用的条码 。 设 电 路 部 分 的 尺 寸 ( core size ) 是 μ μ μ 11 000 m × 000 m ,划片槽宽 80 m ,硅片 11 对准标记将放置于划片槽内 。 为每一块掩模版添加各类对准标记 , 使 所制得的掩模版既可以在 I 线光刻机上 , 也 可以在 G线光 刻 机 上 使 用 。 容 掩 模 版 的 兼
Y 检查 SY

按照前面所提到的减基线值的测量方
版对准标记 ( I 线 1505I7A) 中心 θ对准和 X 对准和 检查 R 检查 R X θ

- 8 600 ,0

版对准标记 ( G 线 1505 G4D) 中心 θ对准 XY 对准 X 检查   R XY R SX   θ   8 600 ,0 0 , - 10 400 - 8 600 ,0 0 ,10 200 0 , - 10 000   硅片粗对准标记 ( I 线 1505I7A 与 G 线 1505 G4D 合用) 中心
W Y     - 4 300 , - 5 500 - 3 800 , - 5 500 例如 : - 3 300 , - 5 500 W     θ 3 800 , - 5 500 4 300 , - 5 500 例如 :4 800 , - 5 500

8 050 ,0

第一层 第二层 …

WX     5 500 , - 1 000 5 500 , - 1 500 例如 :5 500 , - 2 000

硅片精对准标记 ( I 线 1505I7A 与 G 线 1505 G4D 合用) 中心       SAX L

        SA Y L 第一层 5 500 ,300 第二层 5 500 ,150 … 例如 :5 500 ,0 电路图形 ( 不含划片槽) 中心
- 40 ,40

- 300 , - 5 500 - 150 , - 5 500 例如 :0 , - 5 500 总图形 ( 电路图形 + 划片槽) 中心 0 ,0

第 3 期           严利人 :Nikon 光刻机对准机制和标记系统研究

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标记放置位置总结如下表 , 所有数据以μm 为单位 ,且均是硅片平面上的尺寸 ,实际制版 时翻 180°尺寸放大 5 倍 。 , 上表所列每一种标记 , 都包含一定的图 案细节 ,由于篇幅所限 , 本文就不再画出了 , 仅在上表中给出标记图案几何中心的坐标 值 。关于各对准标记的图形 , 可参考 Nikon 光刻机用户说明书中的相关部分 。我们实际 所设计的掩模版是 I 线和 G 线光刻机都能使 用的兼容版 , 在标记图形上与说明书中的不 太一样 。 掩模版设计时所应遵循的原则如下 : ( 1) 当我们说图形为暗时 ,是指图形区域有铬 ,不 透光 ,反之则称图形为亮 。应准备亮 、 暗两套 对版标记 ; ( 2) 对于电路图形为亮的版 ,将它 与 “亮” 对版标记数据合成 , 制图形亮版 ; 反 之 ,与 “暗” 对版标记数据合成 , 制图形暗版 。 以对版用十字标记为例 ,任一层次的掩模版 , 不管原电路图形是暗是亮 , 都应保证最后得 到的版上 , 存在由铬区构成的十字图形 ; ( 3 ) 各层次对版图形的坐标完全相同 。在上表中 除 G 线 XY 对版标记 RXY与 I 线的 R Y 合用 一种图形外 ,总计含 6 种对版记号 ; ( 4) 一般 每一层次都应准备一套硅片对准标记供后面 的套刻采用 , 当然最后一层版除外 。不同层 次的硅片对准标记的位置要彼此错开 ; ( 5 ) 粗对标记 W Y 与 W 的放置 , 应使得其间距 θ 为 6316mm ,当一只眼晴看到 W Y 标记时 , 另 一只眼睛正好看到 ( 隔过几个 Shot 后的 ) W θ 参考文献 :

标记 ,可以验证上表中各 W Y 、 θ 标记所对 W 应的坐标满足这种关系 ; ( 6 ) L SA 标记应尽 量近轴放置 ; ( 7) 如果可能 ,每一种硅片标记 应当既有 “亮” 也有 , “暗” 这样在硅片对准 , 时 ,既有凸标记 ,也有凹标记 。经过上述工艺 步骤后 ,凸 、 凹标记可能是一个清楚 , 一个不 模糊 ,哪一个好用就用哪一个 。

4  总结
本文探讨了 Nikon 系列光刻机的对准技 术 ,由于 Nikon 系列光刻机存在许多型号 ,不 同型号和配置的机器 , 在对准方法上都略不 相同 ,所以本文中的介绍仅仅是概括性的 。 为了说明对准技术 , 本文用到了五个平 面坐标系 : 作为标准的计量坐标系 , 版台 、 硅 片台坐标系 ,版自身 、 硅片自身坐标系 。其中 前面三个属于机器对准机构 , 后两个是要进 行对准的对象 。这五个坐标系大体上也适用 于描述 ASML 系列光刻机的对准 。无论是 建立光刻机模型 ,还是说明对准原理 ,这五个 坐标系的概念都是重要的 。所谓对准 , 就是 五个坐标系间相互关系的研究 ; 在坐标系间 校准 、 重合方案上使用不同的技术导致不同 的对准方案 。 本文还给出了在兼容掩模版上放置各类 对准记号的原则 , 我们针对不同电路所制的 多套掩模版都遵循了这种原则 , 得到的所有 掩模版都已成功地应用于科研和生产之中 。

[1 ]   郭京平 1 分布重复投影光刻机同轴对准系统 [J ] . 光电工程 ,1998 , ( 3) :1 - 6.

Alignment Strategy of Nikon Steppers and Their Alignment Marks YAN Li2ren

( Instit ute of Microelect ronics of Tsinghua U niversity , Beijing 100084 , China) ( 下转第 51 页)

第 3 期          石建平等 : 原子束全息技术制作任意微细图形研究

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计算全息技术 、 激光冷却技术和微细加工技 术相结合可制作任意复杂结构 , 弥补了利用 参考文献 :

激光梯度场控制原子堆积形成纳米结构 , 只 能制作单一点 、 线等周期性结构的不足 。

making random nano - pattern by Ne atom hologram are studied. This technology can

make up t he disadvantage of only being able to make t he periodic nano - pattern such

optical hologram , we point out t hat only t he laser cooling atoms can satisfy t he coher2 periment system of making random nano - pattern by controlling Ne atom beam is presented. Key word :nano2pattern fabrication ; C GH ;atom hologram ;laser cooling Key words :overlay accuracy ; alignment mark ; mask per. The alignment strategy of Nikon steppers is discussed f rom t he point of view of are described by examples. practical application. The principles of t he different marks’ arrangement on t he mask ent and diff ract conditions required by t he hologram technology. A piece of Ne atom computer generated hologram ( C GH) wit h Lohmann Ⅲ coding is designed and a ex2
( 上接第 47 页)

as t he single line or dot etc. when using laser gradient field to control atoms’move2 ment to accumulate on t he silicon slice. Analyzing t he difference of atom hologram and Abstract : The overlay accuracy is one of t he most important specifications of t he step2

[1 ]   罗先刚 ,姚汉民 ,严佩英 ,等 . 纳米光刻技术 [J ] . 物理 ,2000 ,29 ( 6) :3582363. 643. Lett ,1995 ,74 ( 26) :520225205.

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Abstract : Based on t heory of wave2particle duality , t he principal and met hod about

SHI Jian2ping ,CHEN Xu2nan , GAO Hong2tao ,CHEN Xian2zhong ,LUO Xian2gang
( State Key Lab of Optical Technology on Microfabrication , Instit ute of Optics and elect rons ,Chinese Academy of Sciences , Chengdu 610209 , China)

Study on Making Random Micro2pattern by Atom Hologram


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