掩模制造用量測設(shè)備工件臺結(jié)構(gòu)研究

華衛(wèi)群，尤 春，薛文卿

(無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫 214135)

1 引言

近年來，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的快速發(fā)展，器件尺寸不斷縮小，小尺寸和窄定位裕度的高端產(chǎn)品要求高質(zhì)量的掩模版[1]，這就需要越來越精密的量測機臺來監(jiān)控掩模版質(zhì)量。

高精密量測機工件臺結(jié)構(gòu)設(shè)計需從材料選擇、平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動選擇[2]等方面考慮。量測機臺的工件臺基座從原來的金屬材料發(fā)展到目前的花崗巖材質(zhì)，X/Y測量平臺從原來的合金鋼發(fā)展為微晶玻璃。新型材質(zhì)極大地降低或消除了內(nèi)應(yīng)力、熱膨脹等因素，減少了因內(nèi)應(yīng)力和溫濕度變化而造成零部件幾何精度低的問題，從而提升了量測精度[3]。

測量系統(tǒng)采用脈沖式阻尼器隔離外界干擾和震動，氣懸浮移動平臺替代接觸式滑軌移動平臺，原先諸多內(nèi)在干擾和震動得到很好的解決[4]。

在很多精密量測機臺上，有些設(shè)備采用直線式電機直接驅(qū)動X/Y移動平臺。有些則為了降低直線式電機的震動干擾，采用避震彈簧把電機懸掛在工件臺上。目前高精密量測機臺采用摩擦力驅(qū)動X/Y移動平臺[5]。

文中結(jié)合LEICA IPRO套準量測機臺，分析和介紹了集成電路掩模行業(yè)高精密量測機在工件臺設(shè)計方面的特點和工件臺零部件的幾何精度要求，采用微晶玻璃作為量測平臺材料，氣懸浮移動平臺替代傳統(tǒng)的滑軌移動平臺，傳動機構(gòu)運用摩擦力驅(qū)動替代直線電機直接驅(qū)動等先進技術(shù)，有效提高了量測設(shè)備的精度。

2 工件臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

高精密測量機臺由工件臺基座、花崗巖滑軌座、氣浮滑動導(dǎo)軌、X/Y移動測量平臺、自動聚焦機械部件、自動聚焦電子部件、測量攝像頭、測量光耦合器、高倍鏡攝像頭等主要部件組成，如圖1所示。自動聚焦機械部件、自動聚焦電子部件、測量攝像頭、測量光耦合器、高倍鏡攝像頭是專門測量產(chǎn)品用部件，在此不作分析和討論。高精度測量機臺的工件臺主要由工件臺基座、花崗巖滑軌座、氣浮滑動導(dǎo)軌、X/Y移動測量平臺4大部件組成，該結(jié)構(gòu)采用了多層次抗外界干擾結(jié)構(gòu)，保障了高精度測量效果。

圖1 量測機臺工件臺結(jié)構(gòu)

2.1 工件臺基座

高精密測量機臺工作基座的支撐柱下端安裝可調(diào)節(jié)支撐腳，可以調(diào)節(jié)基座水平；在工作基座的支撐柱和測量系統(tǒng)之間安裝脈沖阻尼器，其主要作用是吸能減震，減少外界震動干擾到整個測量系統(tǒng)；量測系統(tǒng)中產(chǎn)生避震和無需避震的部件都經(jīng)過布局和設(shè)計后安裝在支撐柱外部框架上，降低了高精密量測系統(tǒng)的干擾和脈沖阻尼器的負荷。

LEICA IPRO測量機臺就改變了傳統(tǒng)基座的設(shè)計理念，基座框架是由鋼筋焊接而成，具有外部框架和內(nèi)部框架各一個，內(nèi)部框架通過脈沖阻尼器與外部框架隔離，如圖2所示。

圖2 工件臺基座結(jié)構(gòu)

外部框架包含4根垂直的支撐柱，垂直支撐柱之間由水平加強筋焊接加固，垂直支撐柱下面焊接可調(diào)節(jié)水平高低的支撐腳，垂直支撐柱上面焊接了脈沖阻尼器。內(nèi)部框架安裝在脈沖阻尼器上。內(nèi)部框架上有3個凸起支撐點，用途是支撐花崗巖滑軌座。這樣能最大化脈沖阻尼器效能，也避免新增干擾源的可能性。

2.2 花崗巖滑軌座

傳統(tǒng)的滑軌座通過幾十個鋼球（每個鋼球?qū)ι厦娴呢撦d起平均作用）支撐基座[6]。鋼球由于長期運動產(chǎn)生磨損則無法保證Z軸方向的跳動精度；滑軌座和鋼球材質(zhì)易受內(nèi)部應(yīng)力的影響造成表面平整度變化加劇，進而造成摩擦力變大、導(dǎo)軌運動直線性變差、垂直直線性變差，最終影響測量精度。

摩擦力不僅限制了加速度的提高，影響工作效率，而且加速了工作平臺的熱變形，降低了定位精度。此外，運動構(gòu)件的接觸還會傳導(dǎo)至工作平臺，產(chǎn)生振動。氣浮無摩擦技術(shù)[7]被廣泛應(yīng)用，作用是降低摩擦力的時變性、非線性及其他未知因素帶來的影響。

現(xiàn)代滑軌座采用了氣懸浮原理：從花崗巖滑軌座的十字星槽中噴出氮氣，使X/Y量測平臺/十字星滑動導(dǎo)軌與花崗巖滑軌座之間產(chǎn)生約5μm間隙，極大地減小了運動阻尼和Z軸方向的跳動，減小了對量測精度的干擾，如圖3所示。高精度量測系統(tǒng)需要穩(wěn)定的測量平臺，花崗巖滑軌座幾乎不存在內(nèi)部應(yīng)力，且表面處理后的粗糙度小于1μm。因此，花崗巖被優(yōu)選為測量平臺材料。

圖3 氣懸浮氣流示意圖

2.3 氣浮導(dǎo)軌十字架

氣浮導(dǎo)軌十字架由特殊合金制成，通過4個空氣軸承支撐，并在花崗巖底座上滑動。4個空氣軸承分別安裝在花崗巖平臺的十字星槽中。X軸導(dǎo)向?qū)к壥艿窖刂鳽軸的重力，與作用在X軸滑塊相對的導(dǎo)軌面上的氣浮力達成一對平衡力；Y軸導(dǎo)向?qū)к壥艿窖刂鳽軸的重力，與作用在Y軸滑塊相對的導(dǎo)軌面上的氣浮力達成另一對平衡力；在量測過程中，Z軸的重力與氣浮力處于靜力平衡，采用氣懸浮工作平臺可以降低Z軸跳動的影響。X軸滑動導(dǎo)軌整體承載重力，X軸滑軌的氣浮導(dǎo)軌承載氣浮力；底部X軸編碼桿由摩擦力驅(qū)動，沿著十字形槽中X方向滑動。Y軸滑軌承載重力，Y軸滑軌的氣浮導(dǎo)軌承載氣浮力，底部Y軸直線電機動子通過驅(qū)動連桿為Y軸方向提供驅(qū)動力。X/Y軸兩端的4塊氣浮滑軌承載向上的氣浮力，用于平衡量測平臺的重力[8]。

氣浮導(dǎo)軌十字架在X軸方向以摩擦驅(qū)動方式移動。此摩擦力是由驅(qū)動直線電機延長軸套和氣浮導(dǎo)軌十字架編碼桿側(cè)面接觸產(chǎn)生，驅(qū)動直線電機懸掛在測量機臺的基座外部框架上。氣浮十字架的運動軌跡由花崗巖底座中的滑動護套導(dǎo)向。

2.4 X/Y測量平臺

X/Y量測平臺是量測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。由于微晶玻璃（Zerodur）[9]具有極低的熱膨脹系數(shù)，從而被運用到量測平臺的制作。即使存在溫度變化，該平臺長度變化和翹曲變形也非常小，因而可達到高精度要求。X/Y測量平臺的位置由高精度的激光干涉儀（如圖4所示）判定。激光干涉儀的激光波長是632 nm，分辨率是0.3 nm（λ/2048）。

圖4 激光干涉儀示意圖

3 工件臺幾何精度分析與研究

量測工件臺的幾何精度是決定工件臺在X/Y/Z方向上精確重復(fù)定位的關(guān)鍵參量之一。納米級精度量測需求的機臺必須滿足對應(yīng)的幾何精度：導(dǎo)軌運動的直線性，X/Y向運動的正交性及臺面的垂直跳動[10]。導(dǎo)軌運動的直線性是機臺套準量測精度和重復(fù)性的保障；如果臺面的垂直跳動超出允許范圍，將影響機臺測量產(chǎn)品條寬（Critical Diamension，CD）的準確性。

3.1 導(dǎo)軌運動的直線性

量測平臺和十字星滑動導(dǎo)軌直接加載在工件臺基座上，十字星滑動導(dǎo)軌只起導(dǎo)向作用。因此，臺面的垂直跳動不會影響導(dǎo)軌運動的直線性，導(dǎo)軌運動的直線性與導(dǎo)軌類型、結(jié)構(gòu)和安裝精度等因素有關(guān)。為了達到量測機臺套準精度的納米級標準，對相關(guān)聯(lián)的零部件尺寸精度和安裝精度進行精確測量。十字星滑動導(dǎo)軌氣浮間隙多點DELTA（垂直直線性）設(shè)定范圍為±0.5μm，4點測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 十字星滑動導(dǎo)軌氣浮間隙測量值（TLO,Top Level Object，上層參考物）

量測平臺氣浮間隙多點DELTA設(shè)定范圍為±0.5μm，4點測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 量測平臺氣浮間隙測量值

十字星滑動導(dǎo)軌在X方向與花崗巖滑動護套之間的水平直線性如圖7所示。

圖7 滑軌與花崗巖滑套之間水平直線性量測結(jié)果

十字星滑動導(dǎo)軌在Y方向水平直線性如圖8所示。

圖8 滑軌與花崗巖滑套之間垂直直線性量測結(jié)果

X/Y量測平臺中心位置重復(fù)性測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 X/Y測量平臺中心位置重復(fù)性測量結(jié)果

由圖7、8、9可知，X/Y測量平臺中心位置重復(fù)性測試精度為±0.02μm，表明運動重復(fù)性很好；十字星滑動導(dǎo)軌在X/Y方向的水平直線性精度基本為±0.2μm，垂直直線性精度為±0.5μm，表明十字星滑動導(dǎo)軌的運動直線精度很好。

3.2 X/Y測量平臺的垂直跳動

測量平臺的垂直跳動是指載片架在X/Y方向移動時，X-Y平面在Z方向的跳動。載片架和十字星滑動導(dǎo)軌氣懸浮于花崗巖基座上方，避免了由于制造誤差和材料變形造成的垂直跳動，全程載片架垂直跳動控制精度在±0.5μm。

載片架也采用微晶玻璃制成，可以最大限度抑制因溫度波動產(chǎn)生的材料脹縮，減小垂直跳動的幅度。

4 實際產(chǎn)品測量

掩模產(chǎn)品套準的好壞直接影響晶圓光刻工序的質(zhì)量，因此檢測套準精度至關(guān)重要。標準片檢查套準精度偏差絕對值必須控制在8 nm以內(nèi)，如圖10所示。

圖10 標準版套準檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

工件臺是量測機臺重要的組成部分之一。其材料選用需要考慮材料內(nèi)應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)，減少影響測量平臺移動精度的因素，從而保證機臺量測精度的穩(wěn)定性和重復(fù)性。本文分析了工件臺結(jié)構(gòu)的組成，改進和優(yōu)化了外圍震動傳遞給量測系統(tǒng)的影響因素，排除了量測系統(tǒng)內(nèi)部震動帶來的干擾。氣浮平臺極大地降低了外界震動的干擾，提高了測量平臺的平穩(wěn)性，提高了量測工件臺的移動精度和定位精度。該量測設(shè)備的工件臺結(jié)構(gòu)在未來高端半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠?qū)崿F(xiàn)同類型產(chǎn)品的國產(chǎn)化替代。