光刻技術(shù)中的聚焦控制
一、引言
光刻技術(shù)在集成電路量產(chǎn)制造中有著重要作用，隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對光刻機(jī)性能的要求也越來越高。
為了保證曝光質(zhì)量，在光刻機(jī)曝光過程中必須使硅片表面位于焦深范圍內(nèi)，否則會嚴(yán)重影響集成電路的生產(chǎn)良率。因此，需采用聚焦測量系統(tǒng)來測量硅片表面高度，在曝光時通過軸向調(diào)節(jié)承載硅片的工件臺的高度，使其處于投影物鏡的最佳焦面處。
二、測量原理和系統(tǒng)組成
基于光學(xué)三角法的聚焦測量技術(shù)是輪廓測量法的一種，這種技術(shù)在光刻工藝中應(yīng)用廣泛，其利用激光束、被測表面和探測器之間的光學(xué)關(guān)系來測量表面的形狀和位置變化�；诠鈱W(xué)三角法的聚焦測量原理如圖1所示。測量光束以較大的角度θ入射到硅片表面，經(jīng)硅片表面反射后被探測器接收。
探測器上的圖像位置隨硅片表面高度偏移而變化，根據(jù)幾何關(guān)系可知，當(dāng)硅片表面高度變化h時，探測器上的圖像位移∆x可表示為
∆x = 2h sin θ
通過測量光束在探測器上的圖像位移變化量可計(jì)算硅片表面的高度信息。光刻機(jī)曝光時，根據(jù)獲得的硅片形貌實(shí)時調(diào)整工件臺的高度，保證硅片曝光位置始終處在投影物鏡的最佳焦面處。
三、聚焦測量的方法
01 輪廓測量法
通過測量光刻膠膜的表面輪廓來間接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。輪廓測量法使用非接觸式測量，不會破壞光刻膠膜，但這種方法的精度會受到光刻膠膜的表面形貌和質(zhì)量的影響。
02干涉測量法
利用光的干涉現(xiàn)象來測量聚焦?fàn)顟B(tài)。干涉測量法能夠非常精確地測量聚焦?fàn)顟B(tài)，但需要使用高質(zhì)量的光源和干涉儀，因此成本較高。
03像差測量法
通過測量光刻膠膜上的圖像形狀來直接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。像差測量法可以直接獲取聚焦信息，但是需要實(shí)現(xiàn)在光刻膠膜上形成可測量的圖像，因此在實(shí)際操作中會有一定難度。
04 數(shù)值孔徑測量法
通過測量物鏡的數(shù)值孔徑來間接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。數(shù)值孔徑測量法的精度較高，但需要使用掃描儀等設(shè)備來輔助測量。
05光學(xué)傳感器測量法
通過在光刻機(jī)上安裝光學(xué)傳感器來實(shí)時監(jiān)測聚焦?fàn)顟B(tài)。光學(xué)傳感器能夠快速、準(zhǔn)確地測量聚焦?fàn)顟B(tài)，但需要在光刻機(jī)上留出位置安裝光學(xué)傳感器，因此會對光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。
四、數(shù)字無掩膜光刻機(jī)的聚焦控制
數(shù)字無掩膜光刻機(jī)是一種用于信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域的工藝試驗(yàn)儀器。它采用數(shù)字光刻技術(shù)，利用光學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等原理，將數(shù)字圖像直接轉(zhuǎn)移到光刻膠上，用于制造集成電路、微電子器件等。
數(shù)字無掩膜光刻機(jī)使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)進(jìn)行曝光投影，與傳統(tǒng)掩膜曝光機(jī)不同，這種技術(shù)不需要提前制作掩膜版。數(shù)字光處理使用數(shù)字微鏡器件（DMD）作為核心元件，DMD通常由數(shù)百萬個微鏡組成陣列，每個微鏡的尺寸僅為數(shù)十微米，每個微鏡可以在不同的角度上反射入射光。通過控制微鏡陣列的角度，可以實(shí)現(xiàn)入射光的開和關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到控制光信號的目的。在光刻技術(shù)中，通過將待加工的掩膜版圖形以數(shù)字圖形編程的方式寫入到微鏡陣列中，從而形成一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)掩膜版的數(shù)字掩膜圖形來進(jìn)行投影曝光。基于DMD的光刻系統(tǒng)如圖2所示。
數(shù)字光刻系統(tǒng)中鏡頭與工件臺的相對關(guān)系僅依靠聚焦傳感器的測量結(jié)果，因此鏡頭上下調(diào)節(jié)過程中，聚焦傳感器零位必須與鏡頭的最佳曝光面同時運(yùn)動且嚴(yán)格保持一致。
五、托托科技數(shù)字無掩膜光刻機(jī)
托托科技（蘇州）有限公司是一家專注于顯微光學(xué)加工和顯微光學(xué)檢測領(lǐng)域的公司，在基于數(shù)字微鏡器件的無掩膜光刻技術(shù)領(lǐng)域中進(jìn)行了數(shù)年的深入研究和技術(shù)積累。
另外由于垂軸運(yùn)動電機(jī)本身的大行程，該主動對焦系統(tǒng)能夠適配幾十納米到幾毫米以內(nèi)任意厚度的光刻襯底，具有廣泛適應(yīng)性。圖4展示了托托科技數(shù)字無掩膜光刻機(jī)制備8英寸高精度圖形的能力。
[圖1]王向朝,戴鳳釗.集成電路與光刻機(jī)[M].北京:科學(xué)出版社,2020
[圖2]李世光，郭磊，曾海峰，戢逸云，王寅，肖燕青. 光刻技術(shù)中的聚焦控制. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2022(09): 280-296
光刻技術(shù)在集成電路量產(chǎn)制造中有著重要作用，隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對光刻機(jī)性能的要求也越來越高。
為了保證曝光質(zhì)量，在光刻機(jī)曝光過程中必須使硅片表面位于焦深范圍內(nèi)，否則會嚴(yán)重影響集成電路的生產(chǎn)良率。因此，需采用聚焦測量系統(tǒng)來測量硅片表面高度，在曝光時通過軸向調(diào)節(jié)承載硅片的工件臺的高度，使其處于投影物鏡的最佳焦面處。
二、測量原理和系統(tǒng)組成
基于光學(xué)三角法的聚焦測量技術(shù)是輪廓測量法的一種，這種技術(shù)在光刻工藝中應(yīng)用廣泛，其利用激光束、被測表面和探測器之間的光學(xué)關(guān)系來測量表面的形狀和位置變化�；诠鈱W(xué)三角法的聚焦測量原理如圖1所示。測量光束以較大的角度θ入射到硅片表面，經(jīng)硅片表面反射后被探測器接收。
圖1光學(xué)三角法的測量原理
探測器上的圖像位置隨硅片表面高度偏移而變化，根據(jù)幾何關(guān)系可知，當(dāng)硅片表面高度變化h時，探測器上的圖像位移∆x可表示為
∆x = 2h sin θ
通過測量光束在探測器上的圖像位移變化量可計(jì)算硅片表面的高度信息。光刻機(jī)曝光時，根據(jù)獲得的硅片形貌實(shí)時調(diào)整工件臺的高度，保證硅片曝光位置始終處在投影物鏡的最佳焦面處。
三、聚焦測量的方法
01 輪廓測量法
通過測量光刻膠膜的表面輪廓來間接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。輪廓測量法使用非接觸式測量，不會破壞光刻膠膜，但這種方法的精度會受到光刻膠膜的表面形貌和質(zhì)量的影響。
02干涉測量法
利用光的干涉現(xiàn)象來測量聚焦?fàn)顟B(tài)。干涉測量法能夠非常精確地測量聚焦?fàn)顟B(tài)，但需要使用高質(zhì)量的光源和干涉儀，因此成本較高。
03像差測量法
通過測量光刻膠膜上的圖像形狀來直接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。像差測量法可以直接獲取聚焦信息，但是需要實(shí)現(xiàn)在光刻膠膜上形成可測量的圖像，因此在實(shí)際操作中會有一定難度。
04 數(shù)值孔徑測量法
通過測量物鏡的數(shù)值孔徑來間接測量聚焦?fàn)顟B(tài)。數(shù)值孔徑測量法的精度較高，但需要使用掃描儀等設(shè)備來輔助測量。
05光學(xué)傳感器測量法
通過在光刻機(jī)上安裝光學(xué)傳感器來實(shí)時監(jiān)測聚焦?fàn)顟B(tài)。光學(xué)傳感器能夠快速、準(zhǔn)確地測量聚焦?fàn)顟B(tài)，但需要在光刻機(jī)上留出位置安裝光學(xué)傳感器，因此會對光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。
四、數(shù)字無掩膜光刻機(jī)的聚焦控制
數(shù)字無掩膜光刻機(jī)是一種用于信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域的工藝試驗(yàn)儀器。它采用數(shù)字光刻技術(shù)，利用光學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等原理，將數(shù)字圖像直接轉(zhuǎn)移到光刻膠上，用于制造集成電路、微電子器件等。
數(shù)字無掩膜光刻機(jī)使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)進(jìn)行曝光投影，與傳統(tǒng)掩膜曝光機(jī)不同，這種技術(shù)不需要提前制作掩膜版。數(shù)字光處理使用數(shù)字微鏡器件（DMD）作為核心元件，DMD通常由數(shù)百萬個微鏡組成陣列，每個微鏡的尺寸僅為數(shù)十微米，每個微鏡可以在不同的角度上反射入射光。通過控制微鏡陣列的角度，可以實(shí)現(xiàn)入射光的開和關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到控制光信號的目的。在光刻技術(shù)中，通過將待加工的掩膜版圖形以數(shù)字圖形編程的方式寫入到微鏡陣列中，從而形成一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)掩膜版的數(shù)字掩膜圖形來進(jìn)行投影曝光。基于DMD的光刻系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 DMD光刻系統(tǒng)
數(shù)字光刻系統(tǒng)中鏡頭與工件臺的相對關(guān)系僅依靠聚焦傳感器的測量結(jié)果，因此鏡頭上下調(diào)節(jié)過程中，聚焦傳感器零位必須與鏡頭的最佳曝光面同時運(yùn)動且嚴(yán)格保持一致。
五、托托科技數(shù)字無掩膜光刻機(jī)
托托科技（蘇州）有限公司是一家專注于顯微光學(xué)加工和顯微光學(xué)檢測領(lǐng)域的公司，在基于數(shù)字微鏡器件的無掩膜光刻技術(shù)領(lǐng)域中進(jìn)行了數(shù)年的深入研究和技術(shù)積累。
圖3 托托科技數(shù)字無掩膜光刻機(jī)
托托科技數(shù)字無掩膜光刻機(jī)配備自主研發(fā)的高速主動對焦模塊，搭配高精度運(yùn)動電機(jī)，最小能夠識別幾十納米級的高度變化，同時配合PID控制算法，可以實(shí)現(xiàn)光刻過程中的實(shí)時跟蹤聚焦，保證光刻的精度和良率。另外由于垂軸運(yùn)動電機(jī)本身的大行程，該主動對焦系統(tǒng)能夠適配幾十納米到幾毫米以內(nèi)任意厚度的光刻襯底，具有廣泛適應(yīng)性。圖4展示了托托科技數(shù)字無掩膜光刻機(jī)制備8英寸高精度圖形的能力。
圖4托托科技展示8英寸光刻晶圓
參考文獻(xiàn)：[圖1]王向朝,戴鳳釗.集成電路與光刻機(jī)[M].北京:科學(xué)出版社,2020
[圖2]李世光，郭磊，曾海峰，戢逸云，王寅，肖燕青. 光刻技術(shù)中的聚焦控制. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2022(09): 280-296
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