光刻技術(shù)中的聚焦控制

一、引言

光刻技術(shù)在集成電路量產(chǎn)制造中有著重要作用，隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對光刻機性能的要求也越來越高。

為了保證曝光質(zhì)量，在光刻機曝光過程中必須使硅片表面位于焦深范圍內(nèi)，否則會嚴重影響集成電路的生產(chǎn)良率。因此，需采用聚焦測量系統(tǒng)來測量硅片表面高度，在曝光時通過軸向調(diào)節(jié)承載硅片的工件臺的高度，使其處于投影物鏡的焦面處。

二、測量原理和系統(tǒng)組成

基于光學(xué)三角法的聚焦測量技術(shù)是輪廓測量法的一種，這種技術(shù)在光刻工藝中應(yīng)用廣泛，其利用激光束、被測表面和探測器之間的光學(xué)關(guān)系來測量表面的形狀和位置變化。基于光學(xué)三角法的聚焦測量原理如圖1所示。測量光束以較大的角度θ入射到硅片表面，經(jīng)硅片表面反射后被探測器接收。

圖1光學(xué)三角法的測量原理

探測器上的圖像位置隨硅片表面高度偏移而變化，根據(jù)幾何關(guān)系可知，當(dāng)硅片表面高度變化h時，探測器上的圖像位移?x可表示為

?x = 2h sin θ

通過測量光束在探測器上的圖像位移變化量可計算硅片表面的高度信息。光刻機曝光時，根據(jù)獲得的硅片形貌實時調(diào)整工件臺的高度，保證硅片曝光位置始終處在投影物鏡的焦面處。

三、聚焦測量的方法

01 輪廓測量法

通過測量光刻膠膜的表面輪廓來間接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。輪廓測量法使用非接觸式測量，不會破壞光刻膠膜，但這種方法的精度會受到光刻膠膜的表面形貌和質(zhì)量的影響。

02干涉測量法

利用光的干涉現(xiàn)象來測量聚焦?fàn)顟B(tài)。干涉測量法能夠非常精確地測量聚焦?fàn)顟B(tài)，但需要使用高質(zhì)量的光源和干涉儀，因此成本較高。

03像差測量法

通過測量光刻膠膜上的圖像形狀來直接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。像差測量法可以直接獲取聚焦信息，但是需要實現(xiàn)在光刻膠膜上形成可測量的圖像，因此在實際操作中會有一定難度。

04 數(shù)值孔徑測量法

通過測量物鏡的數(shù)值孔徑來間接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。數(shù)值孔徑測量法的精度較高，但需要使用掃描儀等設(shè)備來輔助測量。

05光學(xué)傳感器測量法

通過在光刻機上安裝光學(xué)傳感器來實時監(jiān)測聚焦?fàn)顟B(tài)。光學(xué)傳感器能夠快速、準(zhǔn)確地測量聚焦?fàn)顟B(tài)，但需要在光刻機上留出位置安裝光學(xué)傳感器，因此會對光刻機的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。

四、       數(shù)字無掩膜光刻機的聚焦控制

數(shù)字無掩膜光刻機是一種用于信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域的工藝試驗儀器。它采用數(shù)字光刻技術(shù)，利用光學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等原理，將數(shù)字圖像直接轉(zhuǎn)移到光刻膠上，用于制造集成電路、微電子器件等。

數(shù)字無掩膜光刻機使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)進行曝光投影，與傳統(tǒng)掩膜曝光機不同，這種技術(shù)不需要提前制作掩膜版。數(shù)字光處理使用數(shù)字微鏡器件（DMD）作為核心元件，DMD通常由數(shù)百萬個微鏡組成陣列，每個微鏡的尺寸僅為數(shù)十微米，每個微鏡可以在不同的角度上反射入射光。通過控制微鏡陣列的角度，可以實現(xiàn)入射光的開和關(guān)狀態(tài)，從而達到控制光信號的目的。在光刻技術(shù)中，通過將待加工的掩膜版圖形以數(shù)字圖形編程的方式寫入到微鏡陣列中，從而形成一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)掩膜版的數(shù)字掩膜圖形來進行投影曝光?；贒MD的光刻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2  DMD光刻系統(tǒng)

數(shù)字光刻系統(tǒng)中鏡頭與工件臺的相對關(guān)系僅依靠聚焦傳感器的測量結(jié)果，因此鏡頭上下調(diào)節(jié)過程中，聚焦傳感器零位必須與鏡頭的曝光面同時運動且嚴格保持一致。

五、托托科技數(shù)字無掩膜光刻機

托托科技（蘇州）有限公司是一家專注于顯微光學(xué)加工和顯微光學(xué)檢測領(lǐng)域的公司，在基于數(shù)字微鏡器件的無掩膜光刻技術(shù)領(lǐng)域中進行了數(shù)年的深入研究和技術(shù)積累。

圖3 托托科技數(shù)字無掩膜光刻機

托托科技數(shù)字無掩膜光刻機配備自主研發(fā)的高速主動對焦模塊，搭配高精度運動電機，最小能夠識別幾十納米級的高度變化，同時配合PID控制算法，可以實現(xiàn)光刻過程中的實時跟蹤聚焦，保證光刻的精度和良率。

另外由于垂軸運動電機本身的大行程，該主動對焦系統(tǒng)能夠適配幾十納米到幾毫米以內(nèi)任意厚度的光刻襯底，具有廣泛適應(yīng)性。圖4展示了托托科技數(shù)字無掩膜光刻機制備8英寸高精度圖形的能力。

圖4托托科技展示8英寸光刻晶圓

參考文獻：

[圖1]王向朝,戴鳳釗.集成電路與光刻機[M].北京:科學(xué)出版社,2020

[圖2]李世光，郭磊，曾海峰，戢逸云，王寅，肖燕青. 光刻技術(shù)中的聚焦控制. 激光與光電子學(xué)進展. 2022(09): 280-296