步進(jìn)投影光刻機(jī)及其常見(jiàn)故障分析

雷宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

投影光刻工藝是半導(dǎo)體器件制造工藝中最重要的工藝之一，步進(jìn)投影光刻機(jī)是完成投影光刻工藝技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。自1978年美國(guó)研制出世界首臺(tái)商業(yè)化的分步重復(fù)（g線）投影光刻機(jī)以來(lái)，投影光刻機(jī)以其性價(jià)比高、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)備受推崇[1]。經(jīng)過(guò)各大設(shè)備制造廠商幾十年的發(fā)展，投影光刻機(jī)已經(jīng)由g線、i線，發(fā)展為紫外光刻、深紫外光刻以及浸沒(méi)式光刻機(jī)。投影光刻機(jī)是半導(dǎo)體工藝設(shè)備中最為復(fù)雜而且精密的設(shè)備之一，其維修涉及光學(xué)、電子、精密機(jī)械以及自動(dòng)控制等多學(xué)科知識(shí)。

1　投影光刻的原理

投影光刻技術(shù)是利用i線或紫外光、深紫外光等既定光源，通過(guò)縮小投影鏡頭，以4∶1或5∶1的縮小倍率，經(jīng)過(guò)多層的曝光，將掩模工藝板上預(yù)制的圖形轉(zhuǎn)換到由硅、二氧化硅或其他化合物制成并經(jīng)過(guò)清洗、涂膠等先期處理的圓片的光刻膠上，再進(jìn)行后續(xù)工藝處理。

2　投影光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)

以ASML光刻機(jī)為例，投影光刻機(jī)主要包括圓片傳輸系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)和操控臺(tái)4部分，如圖1所示。

圖1　ASML某型號(hào)光刻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1　圓片傳輸系統(tǒng)

圓片傳輸系統(tǒng)包括圓片傳輸單元和圓片預(yù)對(duì)準(zhǔn)單元。圓片傳輸單元主要由片盒升降機(jī)構(gòu)、片盒內(nèi)圓片水平檢測(cè)、取片機(jī)械手、異型機(jī)械手、下片機(jī)構(gòu)等組成。圓片預(yù)對(duì)準(zhǔn)單元主要由標(biāo)記傳感器、圓片旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、圓片定中機(jī)構(gòu)、平邊探測(cè)器等組成。它的功能是把要曝光的圓片經(jīng)過(guò)預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)找標(biāo)記、定中心、找平邊以后，把預(yù)對(duì)準(zhǔn)后的圓片放到工作臺(tái)的曝光位置，曝光完畢將圓片放回片盒相應(yīng)的片槽內(nèi)。

2.2　曝光系統(tǒng)

曝光系統(tǒng)是投影光刻機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，它又可以細(xì)分為照明系統(tǒng)、掩模板傳輸系統(tǒng)、掩模臺(tái)、投影鏡頭、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)、圖像傳感系統(tǒng)、圓片工作臺(tái)等。

照明系統(tǒng)主要由氣缸、燈室、汞燈及支架、燈冷卻系統(tǒng)、汞燈電源及控制模塊、橢球鏡、冷光鏡、濾波片、快門(mén)、變焦鏡、干涉濾光片、復(fù)眼透鏡、相干玻片、物鏡、鋁膜鏡、能量探測(cè)器、梯度濾光片、聚光鏡等組成。照明系統(tǒng)的功能是為曝光提供特定波長(zhǎng)、一定強(qiáng)度、能量均勻的光源。

掩模板傳輸系統(tǒng)包括板盒升降機(jī)構(gòu)、板盒檢測(cè)及板盒類型傳感器、掩模板檢測(cè)傳感器、掩模板條形碼讀取單元、掩模板標(biāo)記讀取單元、掩模板粗預(yù)對(duì)準(zhǔn)、掩模板精預(yù)對(duì)準(zhǔn)以及上下掩模板取放機(jī)構(gòu)等組成。它的功能是曝光前把板盒內(nèi)相應(yīng)的掩模板取出，經(jīng)粗預(yù)對(duì)準(zhǔn)和精預(yù)對(duì)準(zhǔn)后將掩模板置于掩模工作臺(tái)上，曝光完畢將其從掩模工作臺(tái)放到取板時(shí)的板槽內(nèi)。

掩模工作臺(tái)它主要包括x、y和z向的調(diào)整結(jié)構(gòu)及真空結(jié)構(gòu)。掩模板傳送系統(tǒng)到掩模臺(tái)后，掩模板工作臺(tái)的真空將掩模板固定在工作臺(tái)上。

投影鏡頭是光刻機(jī)最為重要的部件。它是由經(jīng)過(guò)非常嚴(yán)格的加工、鍍膜等處理的一組光學(xué)器件精心裝配在一起。投影鏡頭在曝光光源通過(guò)投影鏡頭以后，將掩模板上的圖像曝光在圓片上。它的精細(xì)程度也決定了曝光的精細(xì)程度。投影鏡頭固定在平臺(tái)上，該平臺(tái)由3個(gè)氣缸支撐，氣缸內(nèi)的氣體適時(shí)調(diào)節(jié)，使平臺(tái)在一個(gè)水平面上。投影鏡頭裝有水冷，為投影鏡頭散熱。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是光刻機(jī)的一個(gè)重要系統(tǒng)。常用的對(duì)準(zhǔn)方式是同軸TTL(Through The Lens，簡(jiǎn)稱TTL)對(duì)準(zhǔn)，它由以下結(jié)構(gòu)組成：激光器、上下照明模塊、左右對(duì)稱的對(duì)準(zhǔn)模塊、由工作臺(tái)的基準(zhǔn)標(biāo)記F1和F2、掩模板上的標(biāo)記K1和K2和圓片的標(biāo)記W1和W2組成的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記以及對(duì)準(zhǔn)模塊。其光路如圖2所示。激光器發(fā)出的光經(jīng)照明模塊進(jìn)入投影鏡頭，其內(nèi)部的棱鏡和反射鏡又將其照射到圓片的標(biāo)記W1和W2上。經(jīng)圓片反射，包含對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記圖形的衍射光通過(guò)投影鏡頭、掩模板照射到對(duì)準(zhǔn)模塊。對(duì)準(zhǔn)模塊根據(jù)工作臺(tái)的移動(dòng)，分別接收兩束光，然后經(jīng)光束分離器，第一級(jí)衍射光被對(duì)準(zhǔn)模塊的四象限光電池接收，其它高級(jí)的衍射光被濾掉，0級(jí)則反射回激光器。當(dāng)x和y方向均對(duì)準(zhǔn)后，該次對(duì)準(zhǔn)結(jié)束。

調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)由兩組發(fā)射和接收處理單元組成，這兩組發(fā)射和接收單元呈90°分布。它主要由紅光激光器、白光鹵素?zé)?、光纖、折射鏡、調(diào)節(jié)板、投影光柵、探測(cè)光柵、二象限光電池、四象限光電池、處理模塊。紅光激光器發(fā)出的紅光捕捉范圍大，作粗調(diào)節(jié)，僅存在于P支路。白光捕捉范圍窄，作精細(xì)調(diào)節(jié)，在P支路和Q支路都有用到。調(diào)平調(diào)焦光路如圖3所示。P支路的兩束紅光激光和四束白光以及Q支路的四束白光經(jīng)過(guò)投影光柵照射到工作臺(tái)上圓片的上表面以及投影鏡頭的下表面，形成一個(gè)可測(cè)量區(qū)域，紅光位于區(qū)域中心，其余部分由照射到圓片上的各束白光組成。參考光束經(jīng)投影鏡頭、測(cè)量光束經(jīng)圓片反射經(jīng)檢測(cè)光柵到檢測(cè)光電池上，紅光激光器被二象限光電池檢測(cè)，鹵素?zé)舻陌坠獗凰南笙薰怆姵貦z測(cè)，檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)處理后，確定圓片到鏡頭的距離，由圓片工作臺(tái)上的3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)檢測(cè)到的紅外激光信號(hào)對(duì)圓片進(jìn)行整體調(diào)焦調(diào)平，使圓片進(jìn)入到投影鏡頭的焦平面內(nèi)。在曝光過(guò)程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)紅光信號(hào)對(duì)曝光單元進(jìn)行粗調(diào)，使曝光單元在投影鏡頭焦深內(nèi)，然后根據(jù)檢測(cè)到白光信號(hào)對(duì)曝光單元進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，使曝光單元在最佳焦平面上，并且和焦平面平行。

圖2　TTL對(duì)準(zhǔn)光路示意圖

圖3　調(diào)平調(diào)焦光路示意圖

圖像傳感系統(tǒng)主要由專用掩模板、12個(gè)探測(cè)器、RIS 標(biāo)記（Reflection Image Sensor，反射圖像傳感器，簡(jiǎn)稱RIS）、信號(hào)處理模塊組成，如圖 4所示。12個(gè)探測(cè)器3個(gè)一組，共四組，固定在傳感器平臺(tái)下面，探測(cè)3個(gè)標(biāo)記。RIS標(biāo)記在工作臺(tái)上。照明光源將掩模板上的圖像投射到RIS標(biāo)記的光柵上，衍射后，被探測(cè)器捕獲，經(jīng)信號(hào)處理模塊，得到圖像的放大、旋轉(zhuǎn)、平移以及傾斜情況的數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件設(shè)定，可以讓設(shè)備自己比較并校準(zhǔn)，也可以由操作人員手動(dòng)將參數(shù)寫(xiě)入機(jī)器。

工作臺(tái)主要由曝光盤(pán)、真空通道及吸片柱、定位鏡、基準(zhǔn)標(biāo)記、圖像傳感器標(biāo)記、H型布局的3個(gè)直線電機(jī)（X、Y1、Y2）、氣浮機(jī)構(gòu)、位置傳感器、大理石臺(tái)面、調(diào)平調(diào)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。它的功能是承放圓片，調(diào)整圓片的高度以及傾斜度。工作臺(tái)的位置由雙頻干涉激光器通過(guò)定位鏡定位，保證其運(yùn)行精度。

2.3　環(huán)境控制系統(tǒng)

環(huán)境控制系統(tǒng)包括純水循環(huán)單元、空氣凈化單元、壓縮氣體分配單元、排風(fēng)單元等組成。它們?yōu)樵O(shè)備提供清潔、恒定溫度的空氣和水，并把設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量、光刻膠氣化產(chǎn)物及時(shí)排出，保證設(shè)備環(huán)境的穩(wěn)定。

圖4　圖像傳感系統(tǒng)示意圖

2.4　操控臺(tái)

操控臺(tái)是光刻機(jī)的指揮系統(tǒng)、處理系統(tǒng)，通過(guò)操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，操控各個(gè)單元、協(xié)調(diào)各子單元工作，發(fā)出一系列的檢測(cè)、校準(zhǔn)、補(bǔ)償、曝光以及報(bào)警等指令。

3　影響光刻工藝的因素分析[2，3]

評(píng)價(jià)光刻機(jī)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)有線寬、套刻精度以及生產(chǎn)率等。因此，影響光刻工藝的因素也從這幾方面分別分析。

影響線寬的主要因素有照明光源的均勻性、曝光劑量、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)的穩(wěn)定性、圓片的平整度、圓片玷污情況、工藝過(guò)程中隨著溫度、氣壓和濕度的變化引起投影鏡頭聚焦的緩慢變化等諸多因素。因此，要經(jīng)常關(guān)注照明光源的均勻性，曝光劑量的大小、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)的穩(wěn)定性，圓片平整度及玷污情況。

影響套刻質(zhì)量的因素有很多，大致可分為工藝方面的影響和非工藝方面的影響。

工藝方面的影響就是光刻工藝各流程對(duì)套刻的影響，如：對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記形狀會(huì)受到刻蝕、氧化工藝的影響；對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的尺寸會(huì)受到離子注入工藝過(guò)程的影響。

非工藝方面的影響一般分為網(wǎng)格誤差和物鏡誤差。

網(wǎng)格誤差是各曝光場(chǎng)中心點(diǎn)的套刻誤差，與工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度、圓片對(duì)準(zhǔn)、形變等有密切關(guān)系。

投影鏡頭誤差是像場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的位置偏差，它可以分為投影鏡頭畸變誤差、放大倍率誤差、掩模旋轉(zhuǎn)誤差、梯形畸變誤差。

投影鏡頭畸變誤差是由于鏡頭畸變引起的像點(diǎn)與非畸變時(shí)像點(diǎn)的偏移。

放大倍率誤差受掩模板與投影鏡頭的距離變化以及離焦量的影響。

掩模旋轉(zhuǎn)誤差與掩模傳輸以及掩模對(duì)準(zhǔn)有關(guān)。

梯形畸變誤差是由于掩模板有一定的傾斜，掩模板與光軸不垂直有關(guān)。

由于在套刻時(shí)會(huì)受到多種因素的影響，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在各工藝流程中，盡量減少工藝處理過(guò)程中引起的形狀、尺寸的變化。在曝光前，要對(duì)設(shè)備各系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，如校準(zhǔn)掩模板的傳輸預(yù)對(duì)準(zhǔn)、圓片傳輸預(yù)對(duì)準(zhǔn)、掩模板與圓片的對(duì)準(zhǔn)、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)等各個(gè)環(huán)節(jié)，使參與套刻的機(jī)臺(tái)性能盡可能的達(dá)到最佳。

影響光刻機(jī)生產(chǎn)率的因素主要有設(shè)備的利用率、穩(wěn)定性以及故障修復(fù)效率。因此，要盡量提高設(shè)備的利用率，增加設(shè)備的穩(wěn)定性，縮短設(shè)備故障的修復(fù)時(shí)間。

4　常見(jiàn)故障現(xiàn)象與解決方法

投影光刻機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障現(xiàn)象以及原因多種多樣。在這里，僅舉部分常見(jiàn)的故障現(xiàn)象以做分析。

4.1　圓片傳輸故障

（1）無(wú)法執(zhí)行圓片傳輸：該種情況先檢查圓片在片盒中是否放平，若傾斜則將其方平；其次檢查圓片探測(cè)器發(fā)射端和接收端。另外還有一種情況一般和電路處理有關(guān)，首先檢查一下電路板散熱風(fēng)扇組是否轉(zhuǎn)動(dòng)，若不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速慢，及時(shí)更換；其次檢查控制圓片傳輸?shù)母鱾€(gè)控制板。

（2）無(wú)法找平邊（凹槽）：用光強(qiáng)計(jì)檢測(cè)平片（凹槽）傳感器紅外光二極管能量，若無(wú)能量，檢查紅外光二極管兩端是否有電源，有則更換該二極管。無(wú)，則檢查電纜有無(wú)虛接或斷開(kāi)，最后檢查供給電路。

4.2　曝光光源故障

（1）無(wú)曝光光源：①查看曝光光源是否壞掉，若壞掉更換曝光燈；②檢查燈室蓋板互鎖開(kāi)關(guān)，若其保護(hù)，將蓋板蓋好；③檢查快門(mén)是否打開(kāi)，若打不開(kāi)，需要檢查快門(mén)電機(jī)；④曝光燈電源控制器是否報(bào)警，若報(bào)警，則維修曝光燈電源控制器。⑤查看電源是否有輸出，無(wú)，則電源有故障，維修電源。

（2）曝光光源能量不足：①曝光燈用時(shí)太長(zhǎng)，能效已經(jīng)下降，此種情況需更換新燈；②橢球鏡涂層有脫落或污損，需換新或清洗橢球鏡。③其它鏡片比如選擇透過(guò)鏡污損，清洗或者更換。

4.3　掩模板傳輸故障

（1）探測(cè)不到掩模板：①觀察升降機(jī)構(gòu)是否動(dòng)作，若不動(dòng)作，檢查升降電機(jī)及其控制電路。②觀察探測(cè)器是否有輸入和輸出信號(hào)，若沒(méi)有加電，檢查線路或電源；若有輸入沒(méi)有輸出信號(hào)，說(shuō)明探測(cè)器壞掉，需更換探測(cè)器。

（2）無(wú)法上（下）板：①檢查各位置傳感器信號(hào)是否正常，如果某一信號(hào)異常，排查該信號(hào)；②檢測(cè)取板臂是否水平，若傾斜，需用測(cè)微儀來(lái)進(jìn)行調(diào)平；③排查電機(jī)電纜是否有虛接或者折斷，若有，重新固定或者換掉折斷的電纜；④檢查x、y、z方向電機(jī)是否有故障，若有故障，換掉相應(yīng)的電機(jī)。

（3）無(wú)法掩模預(yù)對(duì)準(zhǔn)：這種情況碰到最多的是四象限光二極管松動(dòng)或壞掉，檢查四象限二極管，若松動(dòng)將其緊固，若壞掉，將其更換。

4.4　調(diào)平對(duì)準(zhǔn)故障

（1）調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)常見(jiàn)故障：調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)中，鹵素?zé)酎c(diǎn)亮一定時(shí)間后，其光強(qiáng)能量會(huì)降低到無(wú)法進(jìn)行調(diào)平調(diào)焦的程度，因此，要定期更換鹵素?zé)簦悦庥绊懏a(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。除了鹵素?zé)粜枰?jīng)常更換外，另一個(gè)無(wú)法調(diào)平調(diào)焦故障一般與紅光有關(guān)，可按下述方法檢查：檢查電路板散熱風(fēng)扇、檢查P、Q束電路板等控制板、檢查圓片工作臺(tái)標(biāo)記是否有玷污、測(cè)量紅光激光器能量、檢查紅光激光器電源。

（2）對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)常見(jiàn)故障：①無(wú)法對(duì)準(zhǔn)。一般情況下屬于對(duì)準(zhǔn)激光器能量問(wèn)題。用光強(qiáng)計(jì)測(cè)量激光光強(qiáng)能量，若偏小，則更換激光器，若無(wú)激光，需要檢查激光器電源。②光路漂移。調(diào)整粗調(diào)節(jié)以及精細(xì)調(diào)節(jié)旋鈕，并用軟件搜索標(biāo)記，光路正常時(shí)，標(biāo)記清晰顯示在屏幕中心。

4.5　圓片工作臺(tái)故障

（1）無(wú)法吸片：此種現(xiàn)象一般是圓片背面粘有顆?；蛘吖ぷ髋_(tái)污損，導(dǎo)致真空吸不緊圓片，更換圓片并清潔工作臺(tái)。

（2）工作臺(tái)無(wú)法復(fù)位：①檢查雙頻激光器及激光器電源，若能量過(guò)低，更換激光器。若電源無(wú)輸出，修激光器電源；②放大器故障：檢查6個(gè)信號(hào)放大器輸出信號(hào)，若有信號(hào)較弱，將信號(hào)調(diào)整到正常值范圍內(nèi)，若無(wú)法調(diào)整到正常值，更換信號(hào)放大器。③檢查激光器控制板及其連接線。

4.6　環(huán)境控制系統(tǒng)故障

①壓縮空氣氣壓不足。檢查氣源壓力，檢查管道是否漏氣，檢查過(guò)濾器是否堵塞，檢查壓縮空氣分配箱氣閥。②真空故障。檢查相應(yīng)部件管道老化情況，檢查是否有顆粒污染導(dǎo)致漏真空。③送風(fēng)故障：所遇故障一般是風(fēng)機(jī)軸承異響，更換軸承。④排風(fēng)故障：一般是由于設(shè)備內(nèi)部熱量導(dǎo)致排風(fēng)管老化碎裂，碎片脫落，這種情況一定要用真空吸塵器將碎片碎渣清理干凈，更換新的排風(fēng)管，否則會(huì)引起其它嚴(yán)重故障。

5　結(jié)束語(yǔ)

投影光刻機(jī)是半導(dǎo)體制造工藝的核心設(shè)備之一，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)向超大規(guī)模以及超細(xì)線條方向的發(fā)展，其設(shè)備的復(fù)雜程度也越來(lái)越高，甚至?xí)腥略O(shè)計(jì)理念的設(shè)備出現(xiàn)。在用光刻設(shè)備隨著使用年限的增加，故障現(xiàn)象也會(huì)多樣化。這些情況對(duì)維修人員提出了更高的要求。只要我們維修人員了解設(shè)備的工作原理、熟悉設(shè)備組成結(jié)構(gòu)，在故障排查過(guò)程中思路清晰，查出故障原因的時(shí)間就會(huì)大大縮短。修復(fù)故障的效率也會(huì)得到很大的提升。

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