光刻機(jī)精密工作臺結(jié)構(gòu)與功能介紹分析目錄TOC\o"1-3"\h\u10647光刻機(jī)精密工作臺結(jié)構(gòu)與功能介紹分析 1258341.1光刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)與工作流程 134231.2調(diào)平調(diào)焦技術(shù) 4262171.3工作臺系統(tǒng)指標(biāo)要求 71.1光刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)與工作流程圖2-1光刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖步進(jìn)式掃描光刻機(jī)的曝光方式是投影式曝光，利用光源經(jīng)過光路聚焦將掩模片上印刷的芯片電路投影到涂有光刻膠的晶圓的表面進(jìn)行曝光進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光刻任務(wù)。這個過程需要光刻機(jī)系統(tǒng)中各種復(fù)雜的運(yùn)動機(jī)構(gòu)密切協(xié)作。光刻機(jī)的系統(tǒng)組成主要包活機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成?？偟膩碚f主要包括雙工件臺系統(tǒng)、掩模臺系統(tǒng)、光路成像系統(tǒng)、氣浮隔振系統(tǒng)以及計量框架。工件臺、掩模臺和投影物鏡這三個機(jī)構(gòu)是進(jìn)行光刻時主要涉及到的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。印刷有集成電路結(jié)構(gòu)的掩模片被放置在掩模臺上。投影物鏡在掩模臺下方，工件臺位于投影物鏡的下方。工件臺的作用是承載硅片進(jìn)行光刻掃描運(yùn)動。工件臺上的硅片要處在投影物鏡的焦平面上，從掩模片中透射而出的成像光束經(jīng)過投影物鏡而被聚焦到工件臺所承載的硅片上。光刻機(jī)的整個工作流程簡述如下：首先，工件臺和掩模臺完成調(diào)平工作，然后控制掩模片上的集成電路板、投影物鏡和工件臺上所承載的的硅片的運(yùn)動使得這三者完成焦點(diǎn)的對準(zhǔn)。掩模片上的集成電路結(jié)構(gòu)經(jīng)過光路成像系統(tǒng)的聚焦而被投射到工件臺所承載的硅片上。工件臺和掩模臺要相互配合彼此的運(yùn)動，進(jìn)而完成曝光刻片的操作。工件臺上承載的硅片一共可以被被劃分成109個可以被曝光的像場REF_Ref23470\r\h[9]REF_Ref23477\r\h[10]，而每一次曝光只能對一個像場進(jìn)行光刻，完成一次曝光后，工件臺將下一個像場按照事先規(guī)劃好的路徑移動到投影物鏡的下方，從而曝光刻片的任務(wù)可以繼續(xù)執(zhí)行，直到完成硅片上全部109個像場的刻片。從光刻機(jī)工作的流程可以看出，在光刻任務(wù)中工件臺主要完成下面兩項任務(wù)：（1）承載硅片，與投影物鏡和掩模臺進(jìn)行配合從而完成調(diào)平和調(diào)焦。（2）將硅片上的每一塊待刻的像場移動到投影物鏡的下方，完成硅片的對準(zhǔn)工作。在光刻任務(wù)中掩模臺主要完成下面兩項任務(wù)：（1）承載掩模片，與投影物鏡和工件臺進(jìn)行配合從而完成調(diào)平和調(diào)焦。（2）與工件臺進(jìn)行按照4比1或者5比1的速率比進(jìn)行方向相反的運(yùn)動，按照次序掃描硅片上的每一個像場。光刻機(jī)采用宏動臺與微動臺結(jié)合的復(fù)合驅(qū)動方式，宏動臺是粗動平臺，用于完成大行程微米級別精度的運(yùn)動；微動臺是精動平臺，用于完成小行程納米級別精度的運(yùn)動。微動臺作為光刻機(jī)的核心部件，是工件臺能夠?qū)崿F(xiàn)納米級別精度運(yùn)動的關(guān)鍵所在，在光刻機(jī)工作時，微動臺完成調(diào)平，調(diào)焦等動作，并且進(jìn)行納米級精度的曝光運(yùn)動，使硅片得到完整的曝光。微動臺可以根據(jù)功能分為四個組成部分，分別是：Chuck部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量機(jī)構(gòu)、E-Pin部件。Chuck部件包括真空吸盤和45°微晶鏡塊。真空吸盤的作用是固定硅片，經(jīng)過真空吸盤的固定，在上下片的時候不會發(fā)生硅片的滑落；45°微晶鏡起到反射鏡的作用，與雙頻激光干涉儀相互配合，進(jìn)行高精度的測量。此外，能夠測量微動臺與宏動臺之間的相對位置的傳感器的磁極被裝載在Chuck部件上，與微位移傳感器相互配合來測量宏動臺與微動臺之間的相對位置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括垂直方向上音圈電機(jī)和水平面內(nèi)的微動平面音圈電機(jī)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動子在在垂向Z向的平動和Rx、Ry的偏轉(zhuǎn)通過3個垂直方向上的音圈電機(jī)來驅(qū)動實(shí)現(xiàn)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)動子在水平X、Y向的平動以及Rz的偏轉(zhuǎn)通過水平面內(nèi)3個平面音圈電機(jī)來驅(qū)動實(shí)現(xiàn)。從而可以在六個自由度上實(shí)現(xiàn)微動臺的精密運(yùn)動控制。此外還有重力補(bǔ)償器被安裝在臺體的垂直方向上，用以對微動臺的重力進(jìn)行補(bǔ)償，從而音圈電機(jī)可以減少出力，避免音圈電機(jī)出力過大而發(fā)熱，影響音圈電機(jī)的正常工作。 測量機(jī)構(gòu)主要包括兩套系統(tǒng)，分別是雙頻激光干涉儀與霍爾傳感器。微動臺的位移主要通過激光干涉儀來進(jìn)行測量，測量系統(tǒng)使用的激光干涉儀精度達(dá)到了0.6nm，用以對微動臺的絕對位置進(jìn)行測量。激光干涉儀的組成可以分成兩個部分：一個是激光鏡組，鏡組與工件臺基礎(chǔ)框架固連，另一個是前述的45度反射鏡，反射鏡固定在Chuck部件上。激光鏡組可以分成三個組成部分，激光器、分光器和接收器?？偣灿?組激光干涉儀，分布在工件臺的6個自由度上，X向安裝了3組，Y向安裝了3組，Z向安裝了2組。為了方便測量解耦，兩兩平行是安裝時每個方向上的不同組激光干涉儀需要保證的空間相對位置關(guān)系。以X方向為例進(jìn)行分析，X方向上的位移可以由每一組激光干涉儀都能夠獨(dú)立地測量得出，如果取得了對兩組激光干涉儀的測量結(jié)果，那么久可以進(jìn)行解耦運(yùn)算，從而獲得微動臺在一個自由度上的角位移，所以通過X向的3組激光干涉儀能夠測量出工件臺在3個自由度上的位置信息，這三個自由度分別是X，Ry和Rz。同樣的道理，Y向的3組激光干涉儀也能夠測量出工件臺在3個自由度上的位置信息，這三個自由度分別是Y，Rx和Rz。Z向的2組激光干涉儀能夠測量出工件臺在兩個自由度上的位置信息，這兩個自由度是Z和Ry。很明顯，從激光干涉儀的安裝布局可以看出這是一種冗余的設(shè)計。通過8組激光干涉儀的測量結(jié)果，三個自由度的轉(zhuǎn)角信息可以兩次被得到。在測量系統(tǒng)上進(jìn)行這種冗余的設(shè)計的考量在于，如果布置方向相同或者方向相反的冗余激光干涉儀于工件臺的六個自由度上，那么在三個轉(zhuǎn)動自由度上的非線性的耦合項就能夠通過幾何運(yùn)算來消除，從而可以使得計算過程中的非線性方程組變?yōu)榫€性，能夠讓測量解耦精度不受到非線性的影響，解耦的運(yùn)算量也得到了降低。 霍爾傳感器用以測量微動臺和宏動臺之間的相對位置。微動臺上固定有霍爾傳感器的永磁體部分，而霍爾元件和信號采集板安裝在宏動臺上，霍爾元件通電之后，永磁體產(chǎn)生磁場，在垂直于磁場與電流構(gòu)成的平面上會產(chǎn)生與磁場強(qiáng)度成正比的霍爾電動勢，當(dāng)微動臺與宏動臺之間發(fā)生相對運(yùn)動的時候，霍爾傳感器與磁鐵之間的相對位置也會發(fā)生變化，因而霍爾傳感器收到的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而使霍爾電動勢做出相應(yīng)變化，根據(jù)這個現(xiàn)象，可以通過感應(yīng)電動勢來測量微動臺與宏動臺之間的相對位移。一共有六個霍爾傳感器，其中3個用來測量在Z向相對位移，2個用來測量在Y向的相對位移，1個用來測量在X向的相對位移?；魻杺鞲衅鲗⑽优_相對于宏動臺的在垂直方向上的位移和在水平方向上的位移轉(zhuǎn)化成為電信號。通過對信號進(jìn)行解耦運(yùn)算，可以求解出微動臺在六個自由度上相對于宏動臺的位移。E-pin部件主要完成升降硅片的操作，這個操作是通過音圈電機(jī)的在垂直方向上的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，該部件還需要配合機(jī)械手實(shí)現(xiàn)上下片等操作。工件臺是組成光刻機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，光刻機(jī)的工件臺是一個達(dá)到了納米級別定位精度與運(yùn)動精度的六自由度運(yùn)動系統(tǒng)，是一個集中了精密測量、精密機(jī)械、材料科學(xué)和控制科學(xué)等諸多學(xué)科知識的復(fù)雜系統(tǒng)。在執(zhí)行光刻任務(wù)的過程中，工件臺的需要完成的任務(wù)包括硅片傳輸、對準(zhǔn)、調(diào)平調(diào)焦、x方向步進(jìn)和y方向掃描曝光等。對準(zhǔn)和調(diào)平調(diào)焦的精度都直接受到工件臺的運(yùn)動定位精度的影響，進(jìn)而會對提升光刻及系統(tǒng)整體分辨力產(chǎn)生影響。REF_Ref23561\r\h[12]。1.2調(diào)平調(diào)焦技術(shù)在經(jīng)歷了接觸式光刻技術(shù)和接近式光刻技術(shù)后，投影式光刻技術(shù)逐漸發(fā)展成為主流，用以縮小倍率的投影物鏡被安裝在硅片和掩模臺之間，這樣做使掩模免受損害，也使得能夠更簡單地制作掩模。投影式光刻技術(shù)又可以分為分步重復(fù)光刻和步進(jìn)掃描式光刻兩個發(fā)展階段。荷蘭ASML公司推出的TWINSCAN系列光刻機(jī)，將光刻技術(shù)代入了雙工件臺時代。在沒有雙工件臺的步進(jìn)掃描光刻機(jī)系統(tǒng)中，單工件臺需要按照順序依次完成硅片的上片、對準(zhǔn)、調(diào)平調(diào)焦、曝光和下片等操作，曝光時間只占整個周期的1/3.對曝光系統(tǒng)的利用率不高，造成了一定的浪費(fèi)，相應(yīng)的，也提高了生產(chǎn)成本。處于對提高光刻機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)率的需求，芯片生產(chǎn)商開發(fā)了雙工件臺技術(shù)。雙工件臺指的就是在一臺光刻機(jī)系統(tǒng)中存在兩個工件臺，這兩個工件臺一個位于測量位，另一個位于曝光位。兩個工件臺獨(dú)立同步運(yùn)行，在曝光位有一個工件臺進(jìn)行掃描曝光操作時，同時，測量位有另一個工件臺完成硅片上下片、對準(zhǔn)和測量硅片表面的三維形貌等除開曝光掃描的種種操作。完成了各自的曝光或者掃描操作后，兩個工件臺即交換位置和功能。這樣，可以充分利用光刻機(jī)的曝光系統(tǒng)，大大提高了生產(chǎn)效率。雙工件臺技術(shù)的出現(xiàn)，使光刻機(jī)同等條件下，相比較與單工件臺系統(tǒng)，產(chǎn)率能夠提高35%左右。根據(jù)瑞利判據(jù) (2-1)其中，是比例系數(shù)，是波長，是光學(xué)數(shù)值孔徑REF_Ref23728\r\h[13]?？芍?，要提高系統(tǒng)的分辨力可以由兩種途徑，一個是增大投影物鏡的數(shù)值孔徑，另一個方法使使用更短的曝光波長。然而分辨力提升的代價是焦深的減小;硅片的尺寸目前已經(jīng)達(dá)到300mm，而硅片的表面并不是完全平整的，各處的厚度有微小的偏差，這就對要求具有一定的焦深，另外，投影物鏡如果受熱會發(fā)生變形，從而會使得焦面發(fā)生偏移，所以非常有必要進(jìn)行對硅片的調(diào)平和調(diào)焦的操作。進(jìn)行調(diào)平調(diào)焦操作時，首先測量投影物鏡的焦面與硅片的表面之間的距離，這個距離被稱作離焦量，然后通過調(diào)平調(diào)焦機(jī)構(gòu)調(diào)整硅片的高度和傾斜程度，盡量讓硅片表面的曝光區(qū)域與投影物鏡的焦面重合，日益減小的焦深能夠得到十分充分的利用，從而完成對硅片的有效曝光。假如光刻工藝的要求高于調(diào)焦調(diào)平能達(dá)到的效果，那么會產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，不但會使曝光線條的質(zhì)量變差，曝光出的器件圖像模糊，不能滿足工藝要求，生產(chǎn)出的芯片不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計的功能，芯片的成品率也會降低。測量基板被創(chuàng)新性地引入了在雙工件臺系統(tǒng)，測量基板用來固定投影物鏡與其他測量系統(tǒng)，通過使用空氣彈簧，進(jìn)行振動隔離，減弱或消除了振動的影響，從而提高了測量的穩(wěn)定性。雙工件臺系統(tǒng)中，對硅片表面的三維形貌測量是曝光前在測量位完成的，在曝光位置進(jìn)行硅片的調(diào)平調(diào)焦，而在單工件臺系統(tǒng)中對硅片表面高度的測量曝光和對硅片的曝光是同步進(jìn)行的，所以調(diào)平調(diào)焦的操作的方式在雙工件臺系統(tǒng)和單工件臺系統(tǒng)中也會有所不同。在單工件臺系統(tǒng)中REF_Ref23777\r\h[14]REF_Ref23784\r\h[15]，首先計算離焦量。同時測量投影物鏡下表面的高度和硅片表面的高度，兩個高度之差是離焦量。為了避免溫度等因素使光線的波長發(fā)生變化，可以使用測量光路和參考光路兩條光路，從而測量的精度能夠得到提高，使用測量光路和參考光路還，對投影物鏡的機(jī)械穩(wěn)定性的要求也可以有所降低。為了讓同步進(jìn)行硅片的曝光和檢焦測量，前置傳感器被應(yīng)用到單工件臺系統(tǒng)中，前置傳感器是指在瞬時視場掃描方向的前方，設(shè)置調(diào)平傳感器的測量點(diǎn)，但是前置距離會增加曝光時的掃描長度，造成生產(chǎn)率的降低。這種方式還存在一些缺點(diǎn)：邊緣場檢焦精度較低而不能有效地曝光，曝光視場兩側(cè)由于受到鄰近場的形貌影響會精度較低、掃描的路徑只能選擇從內(nèi)向外。雙工件臺對硅片的三維形貌測量是通過調(diào)平傳感器在測量位置完成REF_Ref23826\r\h[16]REF_Ref23829\r\h[17]:首先，設(shè)置參考平面，有兩個透射像傳感器板被固定在工件臺上，將傳感器板所在平面設(shè)置為參考平面。然后調(diào)整工件臺，使調(diào)平傳感器達(dá)到零位，將此時干涉儀的讀數(shù)歸零，讓硅片按照特定的路徑和速度運(yùn)動。在使用高精度調(diào)平傳感器，在特定的時間間隔與垂直方向干涉儀同步協(xié)作，完成硅片表面上特定點(diǎn)的高度測量，再將測量值用數(shù)學(xué)方法擬合為形貌曲面，就可以得到硅片表面的三維形貌。調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)可以按照按功能劃分為兩個系統(tǒng)，一個是粗調(diào)平系統(tǒng)，另一個是精細(xì)調(diào)平系統(tǒng)。根據(jù)測量光路劃分又可以劃分為兩個系統(tǒng)，一個是P軸系統(tǒng)，另一個是和Q軸系統(tǒng)，粗調(diào)平系統(tǒng)被安裝在P軸的光路內(nèi)，能夠通過測量硅片上三個點(diǎn)的高度獲得晶圓的高度信息和傾斜度信息。精細(xì)調(diào)平系統(tǒng)不但被安裝在P軸的光路中，還安裝在Q軸的光路中，用來獲取硅片上每個曝光像場的高度信息和傾斜度信息。粗調(diào)平系統(tǒng)使用紅外激光器，所以也可以被稱為紅光系統(tǒng)，精細(xì)調(diào)平系統(tǒng)使用鹵素?zé)?，也被稱為白光系統(tǒng)。當(dāng)一片晶圓傳送到工件臺上后，首先將其固定，然后執(zhí)行調(diào)平調(diào)焦的操作，標(biāo)記對準(zhǔn)，最后執(zhí)行曝光操作。調(diào)平調(diào)焦可以再細(xì)分成兩個步驟，一個步驟是整場調(diào)平，另一個則是逐場調(diào)平平。整場調(diào)平，是指對整張硅片進(jìn)行調(diào)平。首先，使用粗調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行測量和調(diào)整的操作。首先根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整補(bǔ)償平板的位置。參照平板轉(zhuǎn)動，直到二象限光電探測器兩個象限的輸出信號相等。根據(jù)三點(diǎn)調(diào)平的原理，通過計算硅片上三個點(diǎn)的測量值可以得到硅片的高度信息和傾斜度信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動工件臺運(yùn)動，對高度和傾斜度進(jìn)行修正，直到白光系統(tǒng)可以捕捉到硅片的上表面。切換到白光調(diào)平系統(tǒng)，工件臺上下移動，直到P軸上的四象限光電探測器的信號偏差為零，對三個點(diǎn)進(jìn)行測量，進(jìn)而得到晶圓的實(shí)際的高度。工件臺底部按章有直線位移傳感器，通過此傳感器能夠獲得工件臺的位置信息，經(jīng)過計算，可以得到晶圓精確的高度信息以及傾斜度信息，然后對硅片執(zhí)行調(diào)平操作，