基于DSP 增益可控的光刻機測高電路的設(shè)計研究*

趙英偉，郝曉亮，張文雅，馬培圣，文黎波

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

光刻工藝是大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝。為了在晶圓上獲得高分辨率的光刻圖形，光刻設(shè)備必須盡可能精確地將晶圓平行放置到鏡頭的焦平面上。

如果晶圓在工件臺上的高度出現(xiàn)變化，會導致聚焦偏差，引起束斑或光斑增大、加工的線條模糊，曝光圖形出現(xiàn)拼接缺陷等問題[1]。

所以高度測量系統(tǒng)要能夠精確測量，能夠?qū)Σ煌木A厚度、膠層厚度或者溫度和氣壓所引起的聚焦位置變化等因素的影響進行補償[2]。

1 激光三角法高度測量

晶圓高度變化值范圍通常在幾微米以內(nèi)，投影光刻機鏡頭的可用焦深范圍一般為幾微米。由于精度高，普遍采用激光三角法進行高度測量校準[3]。

激光三角法測量按入射光線與被測工件表面法線的關(guān)系可分為直射式和斜射式。考慮到中心位置安裝有光刻鏡頭，光刻機高度測量系統(tǒng)一般采用斜射式測量方法，位于光刻機的末級透鏡和基片之間，如圖1所示。

圖1 高度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過光學組件后，以一定入射角度照射在被測物體表面上，發(fā)生漫反射、鏡面反射，甚至是折射。線陣CCD（Linear Array Charge Coupled Device）以同樣的角度，最大程度接受被測表面的反射光照，降低空氣折射率變化的影響。反射光經(jīng)過聚焦，入射到CCD。CCD 輸出反映物體位移信息的信號，輸入到數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）進行采集。晶圓高度變化和線陣CCD 像素偏移數(shù)量存在數(shù)學關(guān)系，通過像素的偏移數(shù)量，就可以計算出高度的變化值[4]。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 數(shù)字信號處理器DSP的選型

DSP 選用ADI 公司的16 位定點高速數(shù)字信號處理器ADSP-2199x。它可提供160MIPS的指令速度，包括一個快速、高精度、多輸入通道的A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具有3個完全相同的獨立的32 位定時器，每個定時器都有一個專用的雙向TMRx 引腳[5-6]。

2.2 激光器及驅(qū)動芯片選型

考慮到CCD的峰值響應(yīng)波長等因素，設(shè)計選用SONY公司SLD231VL 型激光器，波長790 nm。它在恒功率工作模式下最大輸出功率是35 mW。

激光器的驅(qū)動選用了SHARP 公司的IR3C01，它的最大輸出電流是150 mA，由5 V 和-12 V 雙電源供電。

如圖2 所示，激光器內(nèi)部有一個監(jiān)控二極管測量光強的波動，其輸出電流作為內(nèi)部反饋，輸入到IR3C01的2 腳，用來穩(wěn)定激光二極管的光功率穩(wěn)值輸出。R1 是限流電阻，可以抑制浪涌電流，保護激光二極管，同時也有電流反饋的作用。

圖2 IR3C01 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和應(yīng)用電路圖

實際應(yīng)用中也有通過3 腳和6 腳連接一個外部的可調(diào)電位器來調(diào)節(jié)激光二極管的功率。

2.3 線陣CCD選型

基于分辨率和有效測量范圍、光譜響應(yīng)范圍和飽和輸出特性等因素，線陣CCD 器件選用日本東芝公司的TCD132D，1 024像元，感光單元尺寸為14 μm×14 μm。CCD 光積分時間典型值為740 μs。它由三相脈沖ΦM、ΦCCD、ΦSH驅(qū)動。需要更高分辨率時，也可以考慮選用2 160個像素的TCD1028AP[7]。

3 激光二極管功率控制原理及電路設(shè)計

由于在光刻中被加工晶圓的材料不同，表面特性不同，對光的反射系數(shù)不同，為了得到穩(wěn)定的測量信號，系統(tǒng)需要嚴格控制激光器的輸出功率。本設(shè)計通過一個可調(diào)的壓控電流源實現(xiàn)精確調(diào)整激光的輸出功率和光強。

DSP 輸出激光器功率設(shè)定數(shù)據(jù)，由數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC 轉(zhuǎn)換為模擬電壓，經(jīng)過射極跟隨器后，送到電壓電流轉(zhuǎn)換（U/I）電路，轉(zhuǎn)換為控制電流，通過IR3C01的調(diào)節(jié)端，來控制激光二極管輸出功率。

3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DAC

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖見圖3，采用8 位精度的AD7224。前級SN74F543 包含了兩個8 位的D 型鎖存器，具有各自的輸入輸出控制。芯片的引腳17 是復位輸入，相當于一個很有用的過零功能，在測量系統(tǒng)初始化進行基準校正的時候很有用。設(shè)計中采用LM317 調(diào)壓電路提供2 V的參考電壓。DAC的電源電壓是＋12 V。由此得到DAC 輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍：

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖

這里D 代表一個8 位轉(zhuǎn)換因子，從0 到255之間變化。也可以采用12 位以上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

3.2 電壓電流轉(zhuǎn)換（U/I）電路

在比例恒流源和基本鏡像恒流源電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個U/I 電路，見圖4，將Vin（即OP07 輸出的電壓VOUT）轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流，來控制IR3C01 模塊的輸出。

圖4 電壓電流轉(zhuǎn)換電路圖

通過有源負載和使用恒流源有效地降低了干擾，提高了恒流源電流的穩(wěn)定性。

Q1 和Q2的基極電壓相等，所以有：

晶體管發(fā)射結(jié)電壓與發(fā)射極的近似關(guān)系見式（3）：

將式（3）代入式（2）得：

由于Q1 和Q2的特性完全相同，所以式（4）可寫成：

在一定范圍內(nèi)，上式中的對數(shù)項可忽略，第一項用實際電阻值計算后結(jié)果幾乎為零，也可忽略，所以式（6）簡化為：

因此改變DAC 輸出電壓就可以控制電流IC1。由CA3046 組成基本鏡像電流源，因此有IC1≈Iout，從而激光二極管功率控制電流Iout與調(diào)節(jié)電壓Vin有了對應(yīng)關(guān)系。

4 CCD 信號控制原理及驅(qū)動電路

4.1 CCD 驅(qū)動電路設(shè)計

CCD 驅(qū)動脈沖發(fā)生電路見圖5。利用DSP的定時器0的輸出引腳TMR0，輸出4 MHz的方波，通過一級D 觸發(fā)器SN74HC74D的二分頻得到2 MHz的ΦM驅(qū)動脈沖。再經(jīng)過兩級D 觸發(fā)器的分頻得到0.5 MHz的ΦCCD脈沖[8-9]。

圖5 CCD 驅(qū)動脈沖發(fā)生電路

參考TCD132 器件手冊中的工作波形圖可知，ΦSH至少應(yīng)包含2 182 個ΦM周期，設(shè)計時取TSH=2 182 TM，由DSP的定時器1的輸出引腳TMR1 產(chǎn)生。

CCD的輸出信號經(jīng)過DSP 內(nèi)部的ADC 進行讀取，評估信號質(zhì)量后，通過重心法求出光斑中心[10-11]。

4.2 CCD自動增益控制

測量系統(tǒng)的準確性與CCD 輸出的模擬信號的峰值電壓范圍相關(guān)，其范圍與入射光光強、幀轉(zhuǎn)移頻率有關(guān)，當入射光越強，或幀轉(zhuǎn)移脈沖頻率越小，即積分時間越長，則對應(yīng)的光敏單元捕捉到的光量越多。到一定限度時，連續(xù)的光敏單元產(chǎn)生的光電電荷到達飽和，從而使輸出的模擬信號不真實反映被測物體的位移信息[12-13]。

所以有兩種方法使得CCD 信號保持在線性范圍內(nèi)，一種是通過控制激光光照強度，本文前面已經(jīng)論述。另一種是通過調(diào)整CCD 感光積分時間。DSP 定時器周期調(diào)整時采用逐次逼近的方法，采用適當?shù)牟介L，就可以達到較好的收斂速度；由于系統(tǒng)采用的檢測調(diào)整模塊是以DSP 為核心，使整個系統(tǒng)清晰、運行速度快。

5 高度測量系統(tǒng)在光刻中的應(yīng)用

高度傳感器可以運行于實時方式或者高度映射方式，實時方式下是在每個子場曝光之前，先檢測該子場的高度；高度映射方式是在曝光之前，通過測量基片上一個點陣的高度值和XY 坐標值，進行曲面擬合來模擬基片的實際的翹變。

采用快速搜索的方法調(diào)整激光功率和探測器增益，以給出正確的信號電平。按照基片襯底材料反射性，讀數(shù)時打開自動增益調(diào)整（激光常開），信號電平以小步進調(diào)整，一段時間后取出高度讀數(shù)，讀數(shù)所需時間依賴于獲取正確信號電平所需的積分數(shù)。對于亮襯底約為30 ms，依次逐漸增加。

膠層厚度會引起高度測量值的偏移，如：在鉻上涂敷PMMA 后，由于在PMMA 中的折射，鉻表面看起來位置會更高一些，高度測量計讀出的高度約為鉻表面之上PMMA 厚度的0.69 倍，因此需要根據(jù)抗蝕劑厚度增加一個偏移量，以便有效讀出襯底表面的真實高度。

6 結(jié)論

在光刻設(shè)備中也有采用二象限、四象限光電管作為探測器，采用汞燈、鹵素燈作為測量光源的，利用光闌、光柵圖形，應(yīng)用雙折射調(diào)制技術(shù)和激光管功率脈寬控制等技術(shù)進行測量的方法。本設(shè)計的電路實現(xiàn)了CCD的光積分時間的調(diào)整和激光器的功率的調(diào)整，利用這兩種方法來獲得高質(zhì)量的測量信號，提高測量的準確性和對不同材料的適應(yīng)性，可以滿足電子束曝光使用要求和投影光刻的高度粗調(diào)的技術(shù)要求。