步進式重復曝光光刻機出現(xiàn)于上世紀80年代早期，從那時起直至90年代后期出現(xiàn)第一臺準分子激光光刻機商品為止，各種各樣的G線、I線光刻機統(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)第一位的步進光刻機供貨商。

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

1.Nikon系列光刻機對準機制

國內(nèi)設備研究人員比較熟悉ASML公司的光刻機，關(guān)于該類光刻機的對準機制，或許可參考文獻[1]。與ASML光刻機相比，Nikon系列光刻機在對準技術(shù)方面有較大的差別，有自己的特色。

在Nikon系列光刻機的對準方案中，用到三類對準標記:對版標記、硅片粗對標記和硅片精對標記。此外，還有與各類標記相對應的傳感器和固定在硅片臺上的基準標記集(稱FiducialMark).

用作標準的計A坐標系

硅片臺是Stepper的核心構(gòu)件之一，在硅片臺上固定的激光干涉計反射鏡面和FiducialMark，構(gòu)成了計量坐標系的基礎(chǔ)要素。具體地說，兩反射鏡面垂直，指標X,Y兩個方向;FiducialMark可用于指示坐標原點;兩坐標軸上的刻度由激光干涉計的激光波長決定。

FiducialMark包括對版用十字叉絲、硅片粗對和精對用標記的刻劃圖案。機器初始化時，硅片臺向Home位置移動，判測Home位置的光禍開關(guān)的一剎那，將干涉計讀數(shù)清零，我們就取此時對版用十字叉絲的中心為坐標原點，此后任一時刻干涉計讀數(shù)都將是那時十字叉絲中心在計量坐標系中的坐標值。附帶指出，取其它點為坐標原點并不影響后面的討論;由于光禍響應的原因，某次初始化后確立的計量坐標系，與前一次確立的不一定重復。

Nikon系列光刻機的基本定位策略是:在硅片平面上(如果實物不在硅片平面，則一律取其透過鏡頭系統(tǒng)在硅片平面的投影)，同類的FiducialMark、探測傳感器、對版或?qū)杵瑯擞浵嗷省Ｅe例來說，將FiducialMark中的X精對標記移至與LSAX(LSA指LaserStepAlignment)傳感器中心重合的位置，記錄此時干涉計讀數(shù)Wx(系所謂的Baseline之一)，又將硅片上的某個X精對標記也移至與1SAX傳感器中心重合，記錄此時干涉計讀數(shù)Wxi，用這個讀數(shù)減去基線值Wx，就得到硅片上這一點到FiduxialMark上標記點的X距離，依此類推，硅片上若干標記點到FiducialMark的X距離都可以類似地得到，從而硅片上各點之間的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間位置關(guān)系的測量。

掩模版臺坐標系的校準

掩模版臺坐標系的要素是掩模版XY和日標記探測器。移動硅片臺至干涉計達到特定讀數(shù)，此時對版用十字叉絲透過曝光鏡頭后的像在XY探測器附近，微動硅片臺執(zhí)行搜索，直至XY探測器與十字叉絲中心重合，記錄XY探測器位置的坐標值。

在所記錄的坐標值基礎(chǔ)上疊加特定數(shù)值，得到0探測器的位置，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，此時調(diào)整B探測器的位置使之與對版標記中心重合，實現(xiàn)B探測器對Y探測器的校準。

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

掩模版自身坐標系與版臺坐標系的重合

版自身坐標系取決于電子束制版設備，其要素是其上的X,Y,B對準標記。掩模版載版后，X.Y,B標記(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)即處于各自探測器下方，X,Y.B三軸方式微動掩模版，使得各傳感器接收信號合格，實現(xiàn)版坐標系與版臺坐標系重合。

采用上述步驟后，通過圖像分析技術(shù)進行掩模版旋轉(zhuǎn)量檢查。若掩模版旋轉(zhuǎn)量過大，則要重復進行版臺坐標系調(diào)整和對版的動作，直至旋轉(zhuǎn)量達到要求。

由于在版坐標系中，各對準標記到版中心的距離已知(固定值，參見后文中對版標記坐標)，在本重合步驟后，可求版中心在計量坐標系中的坐標值，當干涉計讀數(shù)為此值時，版中心準確投影到對版用十字叉絲中心。

硅片臺坐標系校準

Nikon系列光刻機的硅片對準分為粗對和精對兩步。粗對采用與版對準類似的技術(shù)，而精對采用衍射光柵。

就粗對而言，硅片臺坐標系的要素是硅片粗對X,Y,B標記的探測顯微鏡。校準動作為:以FiducialMark中的粗對標記讀取Y顯微鏡位置坐標;沿X方向移動63.5m至日顯微鏡下，偏折光路校準B顯微鏡位置;讀X顯微鏡位置坐標。

就精對而言，硅片臺坐標系的要素是LSAX，LSAY傳感器，以FiducialMark中的LSA標記讀取兩傳感器位置坐標。

硅片測量

載片后要進行硅片校準和測量，前者是指旋轉(zhuǎn)硅片使得硅片上的口粗對準標記與Y粗對標記校準，即Y-B連線與計量坐標系X軸平行，后者則要完成對于已經(jīng)存留于硅片上的曝光陣列的測量與補償。

對于Nikon系列光刻機，第一次曝光不執(zhí)行對準，但留下足夠的標記供后續(xù)曝光使用。由于后續(xù)曝光亦可留下標記供更后的曝光使用，因此以后的工序也不存在標記模糊的問題，而ASML光刻機如果不采取特殊措施，則對準標記隨工藝進展而損失的間題會較嚴重。

一般第一片曝光硅片可由人工幫助找到硅片上的粗對標記，光刻機記錄人工施加的移動量后，以后各片自動按所記錄移動量移動到粗對標記附近，進行標記搜索，進而完成Y-0標準和X標記坐標值讀取，結(jié)合曝光文件中關(guān)于步長、曝光陣列、各粗對標記的設計坐標值、精對標記的設計坐標值等數(shù)據(jù)，可以大致確定精對標記所在位置，進人下一步(精對過程)。

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

經(jīng)過以上各步的對準操作，可得到的套刻精度是(某次實測值),X方向3a值為0.078Km,Y方向0.082um,

2.NikonG線與I線光刻機兼容掩模版的設計原則

根據(jù)前文所述，在一塊掩模版上，除了所設計的電路層圖形外，還應當在合適的位置放置版對準標記、硅片粗對標記和硅片精對標記，此外在版邊緣的非關(guān)鍵區(qū)域，還可能刻寫版名、號碼，以及供自動判別用的條碼。

設電路部分的尺寸(coresize)是11OOOFemX11000tm，劃片槽寬80tem，硅片對準標記將放置于劃片槽內(nèi)。

為每一塊掩模版添加各類對準標記，使所制得的掩模版既可以在I線光刻機上，也可以在G線光刻機上使用。兼容掩模版的標記放置位置總結(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，實際制版時翻1800，尺寸放大5倍。

上表所列每一種標記，都包含一定的圖案細節(jié)，由于篇幅所限，本文就不再畫出了，僅在上表中給出標記圖案幾何中心的坐標值。關(guān)于各對準標記的圖形，可參考Nikon光刻機用戶說明書中的相關(guān)部分。我們實際所設計的掩模版是I線和G線光刻機都能使用的兼容版，在標記圖形上與說明書中的不太一樣。

掩模版設計時所應遵循的原則如下:(1)當我們說圖形為暗時，是指圖形區(qū)域有鉻，不透光，反之則稱圖形為亮。應準備亮、暗兩套對版標記;(2)對于電路圖形為亮的版，將它與“亮”對版標記數(shù)據(jù)合成，制圖形亮版;反之，與“暗”對版標記數(shù)據(jù)合成，制圖形暗版。以對版用十字標記為例，任一層次的掩模版，不管原電路圖形是暗是亮，都應保證最后得到的版上，存在由鉻區(qū)構(gòu)成的十字圖形;(3)各層次對版圖形的坐標完全相同。在上表中除G線XY對版標記Rxy與I線的Ry合用一種圖形外，總計含6種對版記號;(4)一般每一層次都應準備一套硅片對準標記供后面的套刻采用，當然最后一層版除外。不同層次的硅片對準標記的位置要彼此錯開;(5)粗對標記WY與We的放置，應使得其間距為63.6mm，當一只眼晴看到WY標記時，另一只眼睛正好看到(隔過幾個Shot后的)We標記，可以驗證上表中各wy、W。標記所對應的坐標滿足這種關(guān)系;(6)LSA標記應盡量近軸放置;(7)如果可能，每一種硅片標記應當既有“亮”，也有“暗”，這樣在硅片對準時，既有凸標記，也有凹標記。經(jīng)過上述工藝步驟后，凸、凹標記可能是一個清楚，一個不模糊，哪一個好用就用哪一個。

3.總結(jié)

本文探討了Nikon系列光刻機的對準技術(shù)，由于Nikon系列光刻機存在許多型號，不同型號和配置的機器，在對準方法上都略不相同，所以本文中的介紹僅僅是概括性的。為了說明對準技術(shù)，本文用到了五個平面坐標系:作為標準的計量坐標系，版臺、硅片臺坐標系，版自身、硅片自身坐標系。其中前面三個屬于機器對準機構(gòu)，后兩個是要進行對準的對象。這五個坐標系大體上也適用于描述ASML系列光刻機的對準。無論是建立光刻機模型，還是說明對準原理，這五個坐標系的概念都是重要的。所謂對準，就是五個坐標系間相互關(guān)系的研究;在坐標系間校準、重合方案上使用不同的技術(shù)導致不同的對準方案。

本文還給出了在兼容掩模版上放置各類對準記號的原則，我們針對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用于科研和生產(chǎn)之中。

文章編號:1003一8213(2002)03一0044一04

（文章來源:嚴利人 《Nikon光刻機對準機制和標記系統(tǒng)研究》 科學網(wǎng)科學網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）