超精密掩模臺位移測量系統(tǒng)熱漂移研究

云攀攀，張文濤，王獻英

（1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海 201203）

0 引言

隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叨税雽w集成電路的需求日益增長。國內(nèi)的高端半導體器件主要依賴于進口，2018年國內(nèi)的集成半導體器件進口總值超過了3千億美元。光刻機是超大規(guī)模集成電路制造環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，也是技術(shù)含量最高的設(shè)備[1]。

由于光刻機所涉及的技術(shù)難度較大，研發(fā)成本極高，國內(nèi)的光刻機設(shè)備制造商較少。目前，國內(nèi)SMEE公司研制的SSA600型光刻機代表了國內(nèi)最高水平，可實現(xiàn)90nm制程，與國際先進水平相比差距較大。高端光刻機的研制已上升為國家戰(zhàn)略需求，“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”科技重大專項（02專項）明確將28nm浸沒式掃描光刻機作為專項的標志性目標成果[2]。光刻機包含了多項先進技術(shù)，其中精密位移測量技術(shù)應用于掩模臺和工件臺的位置測量，其測量性能決定了光刻機的套刻精度，也決定了光刻質(zhì)量。

光柵位移測量系統(tǒng)以光柵柵距作為測量基準，可實現(xiàn)納米以上量級分辨力。其測量過程中光程固定不變，而且光程很短。在工作中受環(huán)境影響較小，彌補了激光干涉儀位移測量方案的不足[3]。

本文針對28nm浸沒式掃描光刻機掩模臺的光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，搭建了一套熱漂移測試平臺，開展了系統(tǒng)熱漂移研究，并進行了熱漂移測試實驗和結(jié)果分析。

1 系統(tǒng)原理與熱漂移誤差分析

1.1 系統(tǒng)原理

光柵和讀數(shù)頭是光柵干涉儀測量系統(tǒng)的核心元件。光柵采用反射式二維光柵，柵距為1μm。讀數(shù)頭主要由分光鏡、角錐棱鏡、檢偏器、反射鏡、光纖耦合器等器件組成。該讀數(shù)頭采用在X向和Y向分別布置兩個對稱角錐棱鏡和檢偏器的測量方案。通過X向和Y向的二次衍射光相互干涉形成拍頻信號，從而實現(xiàn)4倍光學細分。對稱式光路的設(shè)計可有效的削弱死程誤差帶來的影響。此外，利用分光鏡分出的一束雙頻激光作為參考光信號，可用于補償光纖傳輸引起的相位誤差。

以Y向為例，其讀數(shù)頭的光學元件布局以及光路如圖1所示。雙頻激光器輸入固定頻差的雙頻正交偏振激光，頻率為f1、f2，頻差為20MHz，波長為632.99nm。經(jīng)過分光鏡后，分為參考光和測量光，參考光（f1、f2）通過分光鏡以及光纖耦合器后，由光纖傳導至相位計數(shù)卡內(nèi)，f1與f2的差頻作為參考量并進行相位計數(shù)，經(jīng)過電子細分后，記其相位計數(shù)值為Nr。

測量光垂直入射至二維光柵表面A點，在X向、Y向上分別發(fā)生衍射。沿Y方向，取其+/-1級的衍射光。經(jīng)過角錐棱鏡反射和檢偏器后，Y+/-1級衍射光只保留頻率為f1的光束，并入射至光柵表面B點，在B點發(fā)生二次衍射。

X向與Y向同理。在A點發(fā)生衍射后X向僅取其+1級衍射光，并只保留頻率為f2的光束。在B點發(fā)生二次衍射后，通過光纖耦合器，X向+1級與Y向+1級的二次衍射光發(fā)生干涉形成拍頻信號，記其相位計數(shù)值為N1；X向+1級與Y向-1級的二次衍射光發(fā)生干涉形成拍頻信號，記其相位計數(shù)值為N2。當光柵與讀數(shù)頭發(fā)生相對移動時，由于多普勒頻移效應[4]，衍射光的相位會發(fā)生改變，可得相位計數(shù)值與位移之間的表達式如下：

圖1 光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of grating interferometer displacement measurement system

其中，SX，SY為光柵在X向，Y向的位移變化量，式中P為光柵柵距，R為電子細分數(shù)，L為光學細分數(shù)倍數(shù)。根據(jù)相位計數(shù)卡輸出的相位計數(shù)值，即可計算出光柵的位移量。

通過上式，可得系統(tǒng)分辨力RS表達式：

其中：P=1μm；R=2π/2048；L=4；帶入上式可得Rs=0.12nm，即系統(tǒng)的理論分辨力為0.12nm。

1.2 熱漂移誤差分析

光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)在工作過程中，溫度的波動能夠引起光學元件的熱膨脹，使材料產(chǎn)生熱形變。同時，溫度的變化也會引起光學元件折射率的變化。用光熱膨脹系數(shù)綜合反映這兩種變化的敏感程度大小，并進行折射元件和衍射元件的溫度特性分析[5]。

設(shè)光學元件的熱膨脹系數(shù)用αg表示，折射率隨溫度的變化率用dn/dT表示，空氣中薄透鏡的焦距用fr表示，則熱膨脹系數(shù)可用如下表達式表示：

其中，r1，r2為透鏡表面的曲率半徑，當溫度的變化量為ΔT時，透鏡面形以及材料折射率會發(fā)生改變，其表達式為：

折射透鏡的光熱膨脹系數(shù)Xfr可以表示：

通過以上各式，分析可得折射透鏡的光熱膨脹系數(shù)由光學元件自身的熱膨脹系數(shù)和折射率隨溫度的變化率決定。同理，可以推導出衍射透鏡的光熱膨脹系數(shù)。記衍射透鏡的光熱膨脹系數(shù)為Xfd，rp表示波帶周期的半徑，衍射透鏡的焦距為fd，其表達式：

通過以上各式可知，衍射透鏡的光熱膨脹系數(shù)由光學元件自身的熱膨脹系數(shù)決定。為了避免光柵的熱膨脹對測量精度的影響，該系統(tǒng)的所用光柵采用熱膨脹系數(shù)小于2×10-8/K的玻璃基底。故系統(tǒng)的熱漂移誤差主要來源于讀數(shù)頭內(nèi)的折射光學元件。

2 熱漂移測試實驗

2.1 實驗平臺搭建

為了測試該光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)的熱漂移誤差，搭建了一套熱漂移測試平臺。其3D設(shè)計模型如圖2所示。

將讀數(shù)頭固定在裝置內(nèi)部，光柵安裝在讀頭上方，其測量工作間距為20mm。光柵通過水平方向和垂直方向的3個彈性柱塞進行壓緊，使讀數(shù)頭與光柵之間保持相對固定。裝置使用低膨脹系數(shù)的殷鋼材料和高精密機床加工制造而成。

基于該實驗裝置，搭建了如圖3所示的熱漂移測試平臺，整個測試平臺處于環(huán)境可控的無塵實驗室里，將裝置的整體框架布置在高性能隔振平臺上，使框架與隔振器形成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)基準。將高精度溫度傳感器布置在讀數(shù)頭附近，實時采集測量過程中的溫度數(shù)據(jù)。

圖2 實驗裝置3D設(shè)計模型Fig.2 Experimental device 3D design model

圖3 光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)熱漂移測試平臺Fig.3 Grating interferometer displacement measurement system thermal drift test platform

圖4 溫度測量數(shù)據(jù)Fig.4 Temperature measurement data

2.2 實驗與結(jié)果分析

通過對熱漂移誤差的分析可知，衍射透鏡的光熱膨脹系數(shù)只與光學材料的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。本系統(tǒng)所用的二維光柵選用了低膨脹系數(shù)的玻璃材料作為基底，其熱膨脹系數(shù)小于2×10-8/K。為了排除固定裝置自身的熱膨脹帶來的影響，采用熱膨脹系數(shù)很低的殷鋼材料。

熱漂移實驗過程如下，設(shè)置采樣頻率為10Hz，采樣時間為5h，其溫度結(jié)果如圖4所示。由圖可知在5個小時的采樣時間內(nèi)，溫度整體單調(diào)下降了0.14K。

圖5 X向位移測量數(shù)據(jù)Fig.5 X-Direction displacement measurement data

圖6 Y向位移測量數(shù)據(jù)Fig.6 Y-Direction displacement measurement data

在5小時的采樣時間內(nèi)，同時測得X向位移數(shù)據(jù)如圖5所示，Y向位移數(shù)據(jù)如圖6所示，位移有明顯的漂移趨勢。通過移動平均（Moving Average，MA）算法處理之后，可得X向位移的熱漂移量為2.5nm，Y向位移的熱漂移量為5.8nm。

設(shè)位移熱漂移系數(shù)為D，溫度變化量為ΔT，則由熱漂移引起的位移變化量ΔS：

通過熱漂移測試數(shù)據(jù)，分析可得系統(tǒng)在X向的熱漂移系數(shù)為17.86nm/K，在Y向的熱漂移系數(shù)為41.43nm/K。28nm浸沒式掃描光刻機的整機環(huán)境下，掩模臺的測量環(huán)境的溫度波動可控制在5mK以內(nèi)。帶入上式可得在整機環(huán)境下，系統(tǒng)的熱漂移在X向可控制在0.09nm以內(nèi)，Y向可控制在0.21nm以內(nèi)，其量級均小于1nm，滿足掩模臺亞納米位移測量精度需求。

3 結(jié)束語

光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)采用外差對稱式四倍光學細分的光路設(shè)計和柵距為1μm的二維光柵，配合使用2048倍電子細分的相位計數(shù)卡，其系統(tǒng)分辨力達到了0.12nm。通過熱漂移測試實驗，在掩模臺整機工作環(huán)境下，系統(tǒng)位移測量熱漂移量級在亞納米級別，滿足掩模臺測量精度需求。為實現(xiàn)系統(tǒng)更高的測量精度，接下來將對該系統(tǒng)開展更多的測試與誤差研究，諸如系統(tǒng)穩(wěn)定性，環(huán)境魯棒性以及光纖誤差等方面。