论文部分内容阅读
从1970年第一款CPU(Intel4004)的最小线宽10μm，到2015年集成电路进入1x nm技术节点时代，集成电路的发展一直遵循着摩尔定律。这极大促进了集成电路制造设备的进步，尤其是光刻机的发展。随着光刻机分辨率达到纳米量级，投影镜头的可用焦深范围减少至几十纳米，研制一种具有纳米级测量精度的调焦调平测量系统显得非常重要。本文围绕光刻机中调焦调平测量系统展开研究，提出一种基于空间分光的调焦调平测量系统，建立硅片高度测量理论模型并进行仿真分析。分析测量系统的误差来源和公差范围，提出一种校准方法用来减小甚至消除系统误差的影响。建立IC工艺对调焦调平测量精度影响的数学模型，通过仿真分析确立系统关键参数。进一步搭建实验系统，验证系统性能和数学模型的正确性。 本研究主要内容包括：⑴提出一种空间分光的调焦调平测量系统，该系统基于光学三角法和莫尔条纹法测量原理，利用空间分光系统实现光学差分，有效降低测量系统对光强变化，尤其是工艺硅片表面反射率变化的敏感性。⑵基于衍射光栅原理建立了调焦调平测量系统的理论模型并进行仿真分析，明确了背景噪声对测量精度的影响。分析表明，为得到高精度的硅片高度测量值，一方面需要设法提高系统信噪比，另一方面信号处理中需要有效去除杂散光等引起的背景噪声。⑶该调焦调平测量系统采用大范围捕获与小范围精密测量相结合的方法，实现在±250μm范围内得到亚微米精度的硅片捕获和±1.25μm范围内得到纳米级高精度的硅片测量。⑷分析了调焦调平测量系统的主要误差来源，包括工艺非相关误差和工艺相关性误差。详细阐述了五种典型工艺不相关误差影响调焦调平测量精度的机理和公差要求。提出一种基于最小二乘拟合原理的校准方法，详细分析了校准流程和校准算法，通过校准方法可以减弱甚至消除上述误差。⑸建立IC工艺对调焦调平测量精度影响的数学模型，工艺相关性误差主要来源于测量光在光刻胶涂层内部的多次反射。当投影光栅成像于探测光栅上时，投影光栅像上某一点的光强不再单一由该点在投影光栅上的对应点所决定，还包括投影光栅上其他点的贡献。选取若干典型工艺结构进行仿真分析，分析表明:当调焦调平测量系统的光谱宽度在600nm～1000nm，测量光入射角度在70°附近时，调焦调平测量系统的工艺相关性误差较小。⑹搭建了调焦调平测量系统实验研究平台。实验结果表明:该系统的捕获范围为±250μm，重复性＜10nm(3σ)，在±1.25μm线性范围内测量精度＜20nm(3σ);验证了测量系统对光强变化的不敏感性，当光强变化65％范围以内，±1.25μm线性范围内测量精度变化小于1nm(3σ)，当光强变化90％时，线性范围内测量精度变化约为15nm(3σ);为验证工艺相关性误差理论模型的正确性，分别测量七种工艺硅片，实验测量值与理论模型计算值差异统计平均值小于6nm;实验研究系统同时验证了调焦调平测量系统对机械振动和气流扰动等环境因素的敏感性，表明在纳米光刻中，为了保证系统高精度工作，光刻机内部的工作环境必须加以严格控制。