Nikon光刻机对准机制和标记系统研究

步进式重复曝光光刻机出现于上世纪80年代早期，从那时起直至90年代后期出现第一台准分子激光光刻机商品为止，各种各样的G线、I线光刻机统治了集成电路制造中的光刻工艺。在此期间，日本Nikon公司成为世界上占据第一位的步进光刻机供货商。

国内各大合资集成电路制造厂商，除天津Motorola以ASML公司光刻机为主外，其他都是使用Nikon系列光刻机，另外有一些研究单位也使用Nikon公司的G线,1线光刻机。熟悉和掌握与之相配合的掩模版设计技术，是更好地使用这类设备的关键。

1.Nikon系列光刻机对准机制

国内设备研究人员比较熟悉ASML公司的光刻机，关于该类光刻机的对准机制，或许可参考文献[1]。与ASML光刻机相比，Nikon系列光刻机在对准技术方面有较大的差别，有自己的特色。

在Nikon系列光刻机的对准方案中，用到三类对准标记:对版标记、硅片粗对标记和硅片精对标记。此外，还有与各类标记相对应的传感器和固定在硅片台上的基准标记集(称FiducialMark).

用作标准的计A坐标系

硅片台是Stepper的核心构件之一，在硅片台上固定的激光干涉计反射镜面和FiducialMark，构成了计量坐标系的基础要素。具体地说，两反射镜面垂直，指标X,Y两个方向;FiducialMark可用于指示坐标原点;两坐标轴上的刻度由激光干涉计的激光波长决定。

FiducialMark包括对版用十字叉丝、硅片粗对和精对用标记的刻划图案。机器初始化时，硅片台向Home位置移动，判测Home位置的光祸开关的一刹那，将干涉计读数清零，我们就取此时对版用十字叉丝的中心为坐标原点，此后任一时刻干涉计读数都将是那时十字叉丝中心在计量坐标系中的坐标值。附带指出，取其它点为坐标原点并不影响后面的讨论;由于光祸响应的原因，某次初始化后确立的计量坐标系，与前一次确立的不一定重复。

Nikon系列光刻机的基本定位策略是:在硅片平面上(如果实物不在硅片平面，则一律取其透过镜头系统在硅片平面的投影)，同类的FiducialMark、探测传感器、对版或对硅片标记相互对准。举例来说，将FiducialMark中的X精对标记移至与LSAX(LSA指LaserStepAlignment)传感器中心重合的位置，记录此时干涉计读数Wx(系所谓的Baseline之一)，又将硅片上的某个X精对标记也移至与1SAX传感器中心重合，记录此时干涉计读数Wxi，用这个读数减去基线值Wx，就得到硅片上这一点到FiduxialMark上标记点的X距离，依此类推，硅片上若干标记点到FiducialMark的X距离都可以类似地得到，从而硅片上各点之间的X位置关系就得到确定，Y方向也是如此，通过这种方法完成硅片上各采样点间位置关系的测量。

掩模版台坐标系的校准

掩模版台坐标系的要素是掩模版XY和日标记探测器。移动硅片台至干涉计达到特定读数，此时对版用十字叉丝透过曝光镜头后的像在XY探测器附近，微动硅片台执行搜索，直至XY探测器与十字叉丝中心重合，记录XY探测器位置的坐标值。

在所记录的坐标值基础上叠加特定数值，得到0探测器的位置，将十字叉丝移到此位置。由于传感器安装精度的缘故，日探N器未必能“看到”十字叉丝，此时调整B探测器的位置使之与对版标记中心重合，实现B探测器对Y探测器的校准。

调整0探测器的位置，采用了偏折光路的技术，并不实际移动传感器;在中心重合方面，采用了接收信号的双倍频判断技术。

掩模版自身坐标系与版台坐标系的重合

版自身坐标系取决于电子束制版设备，其要素是其上的X,Y,B对准标记。掩模版载版后，X.Y,B标记(与FiducialMark十字叉丝类似，由于投影倍率的关系在尺寸上大5倍)即处于各自探测器下方，X,Y.B三轴方式微动掩模版，使得各传感器接收信号合格，实现版坐标系与版台坐标系重合。

采用上述步骤后，通过图像分析技术进行掩模版旋转量检查。若掩模版旋转量过大，则要重复进行版台坐标系调整和对版的动作，直至旋转量达到要求。

由于在版坐标系中，各对准标记到版中心的距离已知(固定值，参见后文中对版标记坐标)，在本重合步骤后，可求版中心在计量坐标系中的坐标值，当干涉计读数为此值时，版中心准确投影到对版用十字叉丝中心。

硅片台坐标系校准

Nikon系列光刻机的硅片对准分为粗对和精对两步。粗对采用与版对准类似的技术，而精对采用衍射光栅。

就粗对而言，硅片台坐标系的要素是硅片粗对X,Y,B标记的探测显微镜。校准动作为:以FiducialMark中的粗对标记读取Y显微镜位置坐标;沿X方向移动63.5m至日显微镜下，偏折光路校准B显微镜位置;读X显微镜位置坐标。

就精对而言，硅片台坐标系的要素是LSAX，LSAY传感器，以FiducialMark中的LSA标记读取两传感器位置坐标。

硅片测量

载片后要进行硅片校准和测量，前者是指旋转硅片使得硅片上的口粗对准标记与Y粗对标记校准，即Y-B连线与计量坐标系X轴平行，后者则要完成对于已经存留于硅片上的曝光阵列的测量与补偿。

对于Nikon系列光刻机，第一次曝光不执行对准，但留下足够的标记供后续曝光使用。由于后续曝光亦可留下标记供更后的曝光使用，因此以后的工序也不存在标记模糊的问题，而ASML光刻机如果不采取特殊措施，则对准标记随工艺进展而损失的间题会较严重。

一般第一片曝光硅片可由人工帮助找到硅片上的粗对标记，光刻机记录人工施加的移动量后，以后各片自动按所记录移动量移动到粗对标记附近，进行标记搜索，进而完成Y-0标准和X标记坐标值读取，结合曝光文件中关于步长、曝光阵列、各粗对标记的设计坐标值、精对标记的设计坐标值等数据，可以大致确定精对标记所在位置，进人下一步(精对过程)。

按照前面所提到的减基线值的测量方法，测量多个精对标记的位置值多点采样统计计算硅片已曝光阵列的胀缩和旋转(称作EGA,EnhancedGlobalAlignment技术)。在FiducialMark标记集中对版标记和硅片精对标记间存在固定的常数距离，它实际上构成了版坐标系与硅片坐标系二者的连结，至此可计算得到补偿后每个曝光Shot的中心坐标，最终完成所有曝光前的对准工作。

经过以上各步的对准操作，可得到的套刻精度是(某次实测值),X方向3a值为0.078Km,Y方向0.082um,

2.NikonG线与I线光刻机兼容掩模版的设计原则

根据前文所述，在一块掩模版上，除了所设计的电路层图形外，还应当在合适的位置放置版对准标记、硅片粗对标记和硅片精对标记，此外在版边缘的非关键区域，还可能刻写版名、号码，以及供自动判别用的条码。

设电路部分的尺寸(coresize)是11OOOFemX11000tm，划片槽宽80tem，硅片对准标记将放置于划片槽内。

为每一块掩模版添加各类对准标记，使所制得的掩模版既可以在I线光刻机上，也可以在G线光刻机上使用。兼容掩模版的标记放置位置总结如下表，所有数据以1xn为单位，且均是硅片平面上的尺寸，实际制版时翻1800，尺寸放大5倍。

上表所列每一种标记，都包含一定的图案细节，由于篇幅所限，本文就不再画出了，仅在上表中给出标记图案几何中心的坐标值。关于各对准标记的图形，可参考Nikon光刻机用户说明书中的相关部分。我们实际所设计的掩模版是I线和G线光刻机都能使用的兼容版，在标记图形上与说明书中的不太一样。

掩模版设计时所应遵循的原则如下:(1)当我们说图形为暗时，是指图形区域有铬，不透光，反之则称图形为亮。应准备亮、暗两套对版标记;(2)对于电路图形为亮的版，将它与“亮”对版标记数据合成，制图形亮版;反之，与“暗”对版标记数据合成，制图形暗版。以对版用十字标记为例，任一层次的掩模版，不管原电路图形是暗是亮，都应保证最后得到的版上，存在由铬区构成的十字图形;(3)各层次对版图形的坐标完全相同。在上表中除G线XY对版标记Rxy与I线的Ry合用一种图形外，总计含6种对版记号;(4)一般每一层次都应准备一套硅片对准标记供后面的套刻采用，当然最后一层版除外。不同层次的硅片对准标记的位置要彼此错开;(5)粗对标记WY与We的放置，应使得其间距为63.6mm，当一只眼晴看到WY标记时，另一只眼睛正好看到(隔过几个Shot后的)We标记，可以验证上表中各wy、W。标记所对应的坐标满足这种关系;(6)LSA标记应尽量近轴放置;(7)如果可能，每一种硅片标记应当既有“亮”，也有“暗”，这样在硅片对准时，既有凸标记，也有凹标记。经过上述工艺步骤后，凸、凹标记可能是一个清楚，一个不模糊，哪一个好用就用哪一个。

3.总结

本文探讨了Nikon系列光刻机的对准技术，由于Nikon系列光刻机存在许多型号，不同型号和配置的机器，在对准方法上都略不相同，所以本文中的介绍仅仅是概括性的。为了说明对准技术，本文用到了五个平面坐标系:作为标准的计量坐标系，版台、硅片台坐标系，版自身、硅片自身坐标系。其中前面三个属于机器对准机构，后两个是要进行对准的对象。这五个坐标系大体上也适用于描述ASML系列光刻机的对准。无论是建立光刻机模型，还是说明对准原理，这五个坐标系的概念都是重要的。所谓对准，就是五个坐标系间相互关系的研究;在坐标系间校准、重合方案上使用不同的技术导致不同的对准方案。

本文还给出了在兼容掩模版上放置各类对准记号的原则，我们针对不同电路所制的多套掩模版都遵循了这种原则，得到的所有掩模版都已成功地应用于科研和生产之中。

文章编号:1003一8213(2002)03一0044一04

（文章来源:严利人 《Nikon光刻机对准机制和标记系统研究》 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）