步進(jìn)式重復(fù)曝光光刻機(jī)出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代早期，從那時(shí)起直至90年代后期出現(xiàn)第一臺(tái)準(zhǔn)分子激光光刻機(jī)商品為止，各種各樣的G線、I線光刻機(jī)統(tǒng)治了集成電路制造中的光刻工藝。在此期間，日本Nikon公司成為世界上占據(jù)第一位的步進(jìn)光刻機(jī)供貨商。

國(guó)內(nèi)各大合資集成電路制造廠商，除天津Motorola以ASML公司光刻機(jī)為主外，其他都是使用Nikon系列光刻機(jī)，另外有一些研究單位也使用Nikon公司的G線,1線光刻機(jī)。熟悉和掌握與之相配合的掩模版設(shè)計(jì)技術(shù)，是更好地使用這類設(shè)備的關(guān)鍵。

1.Nikon系列光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)機(jī)制

國(guó)內(nèi)設(shè)備研究人員比較熟悉ASML公司的光刻機(jī)，關(guān)于該類光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)機(jī)制，或許可參考文獻(xiàn)[1]。與ASML光刻機(jī)相比，Nikon系列光刻機(jī)在對(duì)準(zhǔn)技術(shù)方面有較大的差別，有自己的特色。

在Nikon系列光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)方案中，用到三類對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記:對(duì)版標(biāo)記、硅片粗對(duì)標(biāo)記和硅片精對(duì)標(biāo)記。此外，還有與各類標(biāo)記相對(duì)應(yīng)的傳感器和固定在硅片臺(tái)上的基準(zhǔn)標(biāo)記集(稱FiducialMark).

用作標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)A坐標(biāo)系

硅片臺(tái)是Stepper的核心構(gòu)件之一，在硅片臺(tái)上固定的激光干涉計(jì)反射鏡面和FiducialMark，構(gòu)成了計(jì)量坐標(biāo)系的基礎(chǔ)要素。具體地說，兩反射鏡面垂直，指標(biāo)X,Y兩個(gè)方向;FiducialMark可用于指示坐標(biāo)原點(diǎn);兩坐標(biāo)軸上的刻度由激光干涉計(jì)的激光波長(zhǎng)決定。

FiducialMark包括對(duì)版用十字叉絲、硅片粗對(duì)和精對(duì)用標(biāo)記的刻劃圖案。機(jī)器初始化時(shí)，硅片臺(tái)向Home位置移動(dòng)，判測(cè)Home位置的光禍開關(guān)的一剎那，將干涉計(jì)讀數(shù)清零，我們就取此時(shí)對(duì)版用十字叉絲的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，此后任一時(shí)刻干涉計(jì)讀數(shù)都將是那時(shí)十字叉絲中心在計(jì)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。附帶指出，取其它點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)并不影響后面的討論;由于光禍響應(yīng)的原因，某次初始化后確立的計(jì)量坐標(biāo)系，與前一次確立的不一定重復(fù)。

Nikon系列光刻機(jī)的基本定位策略是:在硅片平面上(如果實(shí)物不在硅片平面，則一律取其透過鏡頭系統(tǒng)在硅片平面的投影)，同類的FiducialMark、探測(cè)傳感器、對(duì)版或?qū)杵瑯?biāo)記相互對(duì)準(zhǔn)。舉例來(lái)說，將FiducialMark中的X精對(duì)標(biāo)記移至與LSAX(LSA指LaserStepAlignment)傳感器中心重合的位置，記錄此時(shí)干涉計(jì)讀數(shù)Wx(系所謂的Baseline之一)，又將硅片上的某個(gè)X精對(duì)標(biāo)記也移至與1SAX傳感器中心重合，記錄此時(shí)干涉計(jì)讀數(shù)Wxi，用這個(gè)讀數(shù)減去基線值Wx，就得到硅片上這一點(diǎn)到FiduxialMark上標(biāo)記點(diǎn)的X距離，依此類推，硅片上若干標(biāo)記點(diǎn)到FiducialMark的X距離都可以類似地得到，從而硅片上各點(diǎn)之間的X位置關(guān)系就得到確定，Y方向也是如此，通過這種方法完成硅片上各采樣點(diǎn)間位置關(guān)系的測(cè)量。

掩模版臺(tái)坐標(biāo)系的校準(zhǔn)

掩模版臺(tái)坐標(biāo)系的要素是掩模版XY和日標(biāo)記探測(cè)器。移動(dòng)硅片臺(tái)至干涉計(jì)達(dá)到特定讀數(shù)，此時(shí)對(duì)版用十字叉絲透過曝光鏡頭后的像在XY探測(cè)器附近，微動(dòng)硅片臺(tái)執(zhí)行搜索，直至XY探測(cè)器與十字叉絲中心重合，記錄XY探測(cè)器位置的坐標(biāo)值。

在所記錄的坐標(biāo)值基礎(chǔ)上疊加特定數(shù)值，得到0探測(cè)器的位置，將十字叉絲移到此位置。由于傳感器安裝精度的緣故，日探N器未必能“看到”十字叉絲，此時(shí)調(diào)整B探測(cè)器的位置使之與對(duì)版標(biāo)記中心重合，實(shí)現(xiàn)B探測(cè)器對(duì)Y探測(cè)器的校準(zhǔn)。

調(diào)整0探測(cè)器的位置，采用了偏折光路的技術(shù)，并不實(shí)際移動(dòng)傳感器;在中心重合方面，采用了接收信號(hào)的雙倍頻判斷技術(shù)。

掩模版自身坐標(biāo)系與版臺(tái)坐標(biāo)系的重合

版自身坐標(biāo)系取決于電子束制版設(shè)備，其要素是其上的X,Y,B對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。掩模版載版后，X.Y,B標(biāo)記(與FiducialMark十字叉絲類似，由于投影倍率的關(guān)系在尺寸上大5倍)即處于各自探測(cè)器下方，X,Y.B三軸方式微動(dòng)掩模版，使得各傳感器接收信號(hào)合格，實(shí)現(xiàn)版坐標(biāo)系與版臺(tái)坐標(biāo)系重合。

采用上述步驟后，通過圖像分析技術(shù)進(jìn)行掩模版旋轉(zhuǎn)量檢查。若掩模版旋轉(zhuǎn)量過大，則要重復(fù)進(jìn)行版臺(tái)坐標(biāo)系調(diào)整和對(duì)版的動(dòng)作，直至旋轉(zhuǎn)量達(dá)到要求。

由于在版坐標(biāo)系中，各對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記到版中心的距離已知(固定值，參見后文中對(duì)版標(biāo)記坐標(biāo))，在本重合步驟后，可求版中心在計(jì)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，當(dāng)干涉計(jì)讀數(shù)為此值時(shí)，版中心準(zhǔn)確投影到對(duì)版用十字叉絲中心。

硅片臺(tái)坐標(biāo)系校準(zhǔn)

Nikon系列光刻機(jī)的硅片對(duì)準(zhǔn)分為粗對(duì)和精對(duì)兩步。粗對(duì)采用與版對(duì)準(zhǔn)類似的技術(shù)，而精對(duì)采用衍射光柵。

就粗對(duì)而言，硅片臺(tái)坐標(biāo)系的要素是硅片粗對(duì)X,Y,B標(biāo)記的探測(cè)顯微鏡。校準(zhǔn)動(dòng)作為:以FiducialMark中的粗對(duì)標(biāo)記讀取Y顯微鏡位置坐標(biāo);沿X方向移動(dòng)63.5m至日顯微鏡下，偏折光路校準(zhǔn)B顯微鏡位置;讀X顯微鏡位置坐標(biāo)。

就精對(duì)而言，硅片臺(tái)坐標(biāo)系的要素是LSAX，LSAY傳感器，以FiducialMark中的LSA標(biāo)記讀取兩傳感器位置坐標(biāo)。

硅片測(cè)量

載片后要進(jìn)行硅片校準(zhǔn)和測(cè)量，前者是指旋轉(zhuǎn)硅片使得硅片上的口粗對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與Y粗對(duì)標(biāo)記校準(zhǔn)，即Y-B連線與計(jì)量坐標(biāo)系X軸平行，后者則要完成對(duì)于已經(jīng)存留于硅片上的曝光陣列的測(cè)量與補(bǔ)償。

對(duì)于Nikon系列光刻機(jī)，第一次曝光不執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)，但留下足夠的標(biāo)記供后續(xù)曝光使用。由于后續(xù)曝光亦可留下標(biāo)記供更后的曝光使用，因此以后的工序也不存在標(biāo)記模糊的問題，而ASML光刻機(jī)如果不采取特殊措施，則對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記隨工藝進(jìn)展而損失的間題會(huì)較嚴(yán)重。

一般第一片曝光硅片可由人工幫助找到硅片上的粗對(duì)標(biāo)記，光刻機(jī)記錄人工施加的移動(dòng)量后，以后各片自動(dòng)按所記錄移動(dòng)量移動(dòng)到粗對(duì)標(biāo)記附近，進(jìn)行標(biāo)記搜索，進(jìn)而完成Y-0標(biāo)準(zhǔn)和X標(biāo)記坐標(biāo)值讀取，結(jié)合曝光文件中關(guān)于步長(zhǎng)、曝光陣列、各粗對(duì)標(biāo)記的設(shè)計(jì)坐標(biāo)值、精對(duì)標(biāo)記的設(shè)計(jì)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，可以大致確定精對(duì)標(biāo)記所在位置，進(jìn)人下一步(精對(duì)過程)。

按照前面所提到的減基線值的測(cè)量方法，測(cè)量多個(gè)精對(duì)標(biāo)記的位置值多點(diǎn)采樣統(tǒng)計(jì)計(jì)算硅片已曝光陣列的脹縮和旋轉(zhuǎn)(稱作EGA,EnhancedGlobalAlignment技術(shù))。在FiducialMark標(biāo)記集中對(duì)版標(biāo)記和硅片精對(duì)標(biāo)記間存在固定的常數(shù)距離，它實(shí)際上構(gòu)成了版坐標(biāo)系與硅片坐標(biāo)系二者的連結(jié)，至此可計(jì)算得到補(bǔ)償后每個(gè)曝光Shot的中心坐標(biāo)，最終完成所有曝光前的對(duì)準(zhǔn)工作。

經(jīng)過以上各步的對(duì)準(zhǔn)操作，可得到的套刻精度是(某次實(shí)測(cè)值),X方向3a值為0.078Km,Y方向0.082um,

2.NikonG線與I線光刻機(jī)兼容掩模版的設(shè)計(jì)原則

根據(jù)前文所述，在一塊掩模版上，除了所設(shè)計(jì)的電路層圖形外，還應(yīng)當(dāng)在合適的位置放置版對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記、硅片粗對(duì)標(biāo)記和硅片精對(duì)標(biāo)記，此外在版邊緣的非關(guān)鍵區(qū)域，還可能刻寫版名、號(hào)碼，以及供自動(dòng)判別用的條碼。

設(shè)電路部分的尺寸(coresize)是11OOOFemX11000tm，劃片槽寬80tem，硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記將放置于劃片槽內(nèi)。

為每一塊掩模版添加各類對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，使所制得的掩模版既可以在I線光刻機(jī)上，也可以在G線光刻機(jī)上使用。兼容掩模版的標(biāo)記放置位置總結(jié)如下表，所有數(shù)據(jù)以1xn為單位，且均是硅片平面上的尺寸，實(shí)際制版時(shí)翻1800，尺寸放大5倍。

上表所列每一種標(biāo)記，都包含一定的圖案細(xì)節(jié)，由于篇幅所限，本文就不再畫出了，僅在上表中給出標(biāo)記圖案幾何中心的坐標(biāo)值。關(guān)于各對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的圖形，可參考Nikon光刻機(jī)用戶說明書中的相關(guān)部分。我們實(shí)際所設(shè)計(jì)的掩模版是I線和G線光刻機(jī)都能使用的兼容版，在標(biāo)記圖形上與說明書中的不太一樣。

掩模版設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)遵循的原則如下:(1)當(dāng)我們說圖形為暗時(shí)，是指圖形區(qū)域有鉻，不透光，反之則稱圖形為亮。應(yīng)準(zhǔn)備亮、暗兩套對(duì)版標(biāo)記;(2)對(duì)于電路圖形為亮的版，將它與“亮”對(duì)版標(biāo)記數(shù)據(jù)合成，制圖形亮版;反之，與“暗”對(duì)版標(biāo)記數(shù)據(jù)合成，制圖形暗版。以對(duì)版用十字標(biāo)記為例，任一層次的掩模版，不管原電路圖形是暗是亮，都應(yīng)保證最后得到的版上，存在由鉻區(qū)構(gòu)成的十字圖形;(3)各層次對(duì)版圖形的坐標(biāo)完全相同。在上表中除G線XY對(duì)版標(biāo)記Rxy與I線的Ry合用一種圖形外，總計(jì)含6種對(duì)版記號(hào);(4)一般每一層次都應(yīng)準(zhǔn)備一套硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記供后面的套刻采用，當(dāng)然最后一層版除外。不同層次的硅片對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的位置要彼此錯(cuò)開;(5)粗對(duì)標(biāo)記WY與We的放置，應(yīng)使得其間距為63.6mm，當(dāng)一只眼晴看到WY標(biāo)記時(shí)，另一只眼睛正好看到(隔過幾個(gè)Shot后的)We標(biāo)記，可以驗(yàn)證上表中各wy、W。標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)滿足這種關(guān)系;(6)LSA標(biāo)記應(yīng)盡量近軸放置;(7)如果可能，每一種硅片標(biāo)記應(yīng)當(dāng)既有“亮”，也有“暗”，這樣在硅片對(duì)準(zhǔn)時(shí)，既有凸標(biāo)記，也有凹標(biāo)記。經(jīng)過上述工藝步驟后，凸、凹標(biāo)記可能是一個(gè)清楚，一個(gè)不模糊，哪一個(gè)好用就用哪一個(gè)。

3.總結(jié)

本文探討了Nikon系列光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，由于Nikon系列光刻機(jī)存在許多型號(hào)，不同型號(hào)和配置的機(jī)器，在對(duì)準(zhǔn)方法上都略不相同，所以本文中的介紹僅僅是概括性的。為了說明對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，本文用到了五個(gè)平面坐標(biāo)系:作為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量坐標(biāo)系，版臺(tái)、硅片臺(tái)坐標(biāo)系，版自身、硅片自身坐標(biāo)系。其中前面三個(gè)屬于機(jī)器對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，后兩個(gè)是要進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的對(duì)象。這五個(gè)坐標(biāo)系大體上也適用于描述ASML系列光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)。無(wú)論是建立光刻機(jī)模型，還是說明對(duì)準(zhǔn)原理，這五個(gè)坐標(biāo)系的概念都是重要的。所謂對(duì)準(zhǔn)，就是五個(gè)坐標(biāo)系間相互關(guān)系的研究;在坐標(biāo)系間校準(zhǔn)、重合方案上使用不同的技術(shù)導(dǎo)致不同的對(duì)準(zhǔn)方案。

本文還給出了在兼容掩模版上放置各類對(duì)準(zhǔn)記號(hào)的原則，我們針對(duì)不同電路所制的多套掩模版都遵循了這種原則，得到的所有掩模版都已成功地應(yīng)用于科研和生產(chǎn)之中。

文章編號(hào):1003一8213(2002)03一0044一04

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