納米光刻調(diào)焦調(diào)平傳感器光電探測系統(tǒng)設(shè)計

龔士彬，謝冬冬，武志鵬，宗明成

(1.中國科學院微電子研究所，北京 100029；2.中國科學院大學，北京 100049； 3.中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室，北京 100029)

0 引言

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

光刻機利用調(diào)焦調(diào)平傳感器測量晶圓高度，主流廠商都采用了基于光學三角法的測量技術(shù)[4]。ASML公司的調(diào)焦調(diào)平傳感器采用了歸一化分時差分測量方法，將一組差分形式的測量光斑由光彈調(diào)制器分時成像在光電探測器上[5-7]。計算機根據(jù)測量結(jié)果計算出晶圓高度，繪制出晶圓表面的形貌圖。國內(nèi)研究機構(gòu)和SMEE公司的光刻機均采用VME控制系統(tǒng)控制調(diào)焦調(diào)平傳感器實現(xiàn)硅片形貌的測量和對焦控制。上述的調(diào)焦調(diào)平實現(xiàn)方法存在2個導(dǎo)致同步性差的因素：在分時差分測量方法中，前后兩次所采數(shù)據(jù)實際對應(yīng)晶圓上的不同位置，從而產(chǎn)生時延誤差；操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度存在延時，造成測量的晶圓形貌與實際的晶圓形貌存在偏移。

針對分時差分測量的缺點，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系統(tǒng)。本探測系統(tǒng)采用多通道同步采集方法進行光電轉(zhuǎn)換，解決分時采集造成的時延誤差；并針對軟件延時造成的形貌偏差問題，在探測系統(tǒng)上引入硅片臺位置同步機制，即使用硬件電路保存硅片臺位置。

1 調(diào)焦調(diào)平實現(xiàn)原理

調(diào)焦調(diào)平傳感器利用光學三角法和空間分光技術(shù)測量晶圓表面各個曝光區(qū)域內(nèi)的高度，硅片臺根據(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)。

光學三角法的測量原理如圖1所示，其中A、B分別為投影光柵和探測光柵，h1、h2對應(yīng)同一反射面在不同時刻的表面位置。在給定入射角α時，若反射面向下移動距離h，反射光的位置對應(yīng)移動Δx。根據(jù)式(1)所示的幾何關(guān)系可算得反射面的相對位置。

(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)過雙遠心成像系統(tǒng)成像在探測光柵。探測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條紋周期的o光和e光，如圖2(b)所示。隨后經(jīng)探測光柵調(diào)制形成圖2(d)所示條紋。根據(jù)光學三角法原理，晶圓表面高度的變化會造成投影光柵像在垂直于光柵條紋的方向上移動，從而改變調(diào)制后o光和e光通過探測光柵的比例。光柵像進入光電探測器前，利用渥拉斯頓棱鏡將o光與e光在空間上完全分開，探測器即可同時采集o光與e光條紋的光強值。

圖1 光學三角法高度測量原理圖

(a)投影光柵像 (b)半周期分光 (c)經(jīng)過探測光柵 (d)探測光柵像 (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的關(guān)系曲線(圖3)，圖(3)中Io為o光光強的歸一化值，Ie為e光光強的歸一化值。0 μm位置處o光與e光光強曲線相交，且為所有交點中的最大值，即在零位時o光、e光光強有最大的相等值。

圖3 光強與晶圓表面高度關(guān)系仿真

晶圓表面高度值的計算公式為

(4)

式中：Be與Bo為探測器的背景噪聲；G為比例系數(shù)。

G同光柵周期P、測量光入射角α的關(guān)系為

(5)

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

2 光電探測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 探測系統(tǒng)總體設(shè)計

光電探測系統(tǒng)由光電二極管陣列、數(shù)據(jù)采集板、PCIe板和上位機軟件組成，圖4為總體框圖。光電二極管陣列由緊湊排列的21個高靈敏度探測區(qū)域組成，可將600～1 000 nm波長的光強值轉(zhuǎn)換為電流信號，包括9對o光、e光探測區(qū)和3個粗對準探測區(qū)。數(shù)據(jù)采集板根據(jù)上位機和硅片臺的指令，同步采集光電二極管產(chǎn)生的模擬信號，經(jīng)16 bit ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號的形式發(fā)送至位于上位機主板上的PCIe板。數(shù)據(jù)通過高速串行鏈路向PCIe板發(fā)送時，利用SERDES芯片以10 bit串并轉(zhuǎn)換的方式，將高兩位分別作為“測量數(shù)據(jù)有效”和“溫度數(shù)據(jù)有效”控制信號，每個時鐘發(fā)送1個字節(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，上位機上的光電探測系統(tǒng)測試程序可對數(shù)據(jù)進行保存。

圖4 總體關(guān)系圖

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

2.2 多通道同步采集設(shè)計

傳統(tǒng)的探測系統(tǒng)采集光強信號時采用分時采集的方式，每組o光與e光由同一個ADC在間隔1 μs的2個時刻先后采樣。例如，在1x nm光刻機內(nèi)，為實現(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，兩次采樣的實際位置相差800 nm。根據(jù)式(4)計算可知，對于時刻0位置的高度測量結(jié)果，由分時采集方式造成的偏差值約為時刻0與時刻1兩個位置之間高度差值Δh的一半，即時刻0位置的測量值為真實值h與偏差量Δh/2的和，這種偏差將在nm尺度下影響測量的精確性。本設(shè)計則采用同步采集方式，在收到采樣脈沖后，探測系統(tǒng)同步采集21路光強信號，克服了上述分時電路造成的測量結(jié)果偏差。

2.3 硅片臺同步觸發(fā)設(shè)計

本設(shè)計針對硅片臺位置與實際采樣位置存在的偏差，在探測系統(tǒng)上引入了硅片臺同步信號。相比于使用軟件讀取硅片臺位置，由探測系統(tǒng)的硬件電路接收硅片臺的位置信號可減少軟件處理信息所帶來的延時問題，且硬件電路的延時較穩(wěn)定。控制硅片臺常用的操作系統(tǒng)是VxWorks嵌入式系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)任務(wù)切換時間最高接近2 μs[10]。本設(shè)計使用觸發(fā)器電路處理硅片臺同步信號的執(zhí)行時間可縮小到百ns以內(nèi)。具體實現(xiàn)方法是為硅片臺的運動路徑建立坐標，并對硅片臺的控制電路進行編程：當運動至預(yù)定的測量位置時發(fā)出同步信號，光電探測系統(tǒng)處理這個同步信號時使用一個觸發(fā)器提取出其上升沿，根據(jù)該上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)采集和硅片臺位置更新，硅片臺位置更新由計數(shù)器實現(xiàn)。

光電探測系統(tǒng)的實物如圖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 光電探測系統(tǒng)實物圖

3 實驗驗證

3.1 背景噪聲測試

探測系統(tǒng)背景噪聲數(shù)據(jù)如圖6(a)所示，總計18路探測光路數(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。對連續(xù)的500次采樣數(shù)據(jù)進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)平實驗平臺對光電探測系統(tǒng)所規(guī)定的1 mV指標要求。

根據(jù)該數(shù)據(jù)進行精度分析。Io+Bo、Ie+Be兩項與探測系統(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，可知探測系統(tǒng)在最糟糕情況下的高度數(shù)據(jù)3σ為3.72 nm，探測系統(tǒng)的噪聲對精度的影響在nm量級。

(a)原始電壓值

(b)高度計算值圖6 探測系統(tǒng)背景噪聲

3.2 硅片臺同步觸發(fā)測試

利用Vivado集成邏輯分析儀(ILA)在線抓取硅片臺同步脈沖信號SYNC_SIG、硅片臺同步脈沖邊沿檢測信號SYNC_POS、硅片臺位置計數(shù)器POSITION、采集信號DATA_E0～DATA_E8和DATA_O0～DATA_O8。如圖7所示，游標T所在時刻，光電探測系統(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信號和硅片臺位置更新的信號，等待ADC芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后更新測量數(shù)據(jù)。從硅片臺位置脈沖到達光電探測系統(tǒng)開始至硅片臺位置更新，這個過程的延遲為60～80 ns，延遲主要產(chǎn)生在異步信號的處理過程。圖7中采樣結(jié)果的產(chǎn)生時刻也表明o光與e光為多通道同步采樣。

圖7 硅片臺同步觸發(fā)信號時序圖

3.3 調(diào)焦調(diào)平在線測試

在調(diào)焦調(diào)平實驗平臺上對探測系統(tǒng)進行測試，測試結(jié)果如圖8所示，放置晶圓的位移臺在Z方向上從相對調(diào)焦調(diào)平實驗平臺零位的下方75 μm處向上移動至零位的上方75 μm處，復(fù)現(xiàn)了圖3的仿真曲線。測試結(jié)果中的偏置是由于光學背景噪聲和機械裝配誤差造成的，但因為測量信號的形式是差分光強，所以共模干擾不會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖8 探測系統(tǒng)測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于FPGA設(shè)計了一種用于光刻調(diào)焦調(diào)平傳感器的光電探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時采集光刻調(diào)焦調(diào)平傳感器測量數(shù)據(jù)。根據(jù)空間分光原理對21路模擬數(shù)據(jù)同步采集，解決了分時采集所產(chǎn)生的時延誤差；引入硅片臺同步信號，提高了測量值與測量位置之間對應(yīng)的精度；并針對探測系統(tǒng)背景噪聲和平臺數(shù)據(jù)采集做了測試。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)生的光強信號采集至上位機，測量精度高于4 nm(3σ)，滿足調(diào)焦調(diào)平傳感器光電探測系統(tǒng)的設(shè)計要求。