光刻技術中的聚焦控制

一、引言

光刻技術在集成電路量產制造中有著重要作用，隨著集成電路產業的快速發展，對光刻機性能的要求也越來越高。

為了保證曝光質量，在光刻機曝光過程中必須使硅片表面位于焦深范圍內，否則會嚴重影響集成電路的生產良率。因此，需采用聚焦測量系統來測量硅片表面高度，在曝光時通過軸向調節承載硅片的工件臺的高度，使其處于投影物鏡的焦面處。

二、測量原理和系統組成

基于光學三角法的聚焦測量技術是輪廓測量法的一種，這種技術在光刻工藝中應用廣泛，其利用激光束、被測表面和探測器之間的光學關系來測量表面的形狀和位置變化。基于光學三角法的聚焦測量原理如圖1所示。測量光束以較大的角度θ入射到硅片表面，經硅片表面反射后被探測器接收。

圖1光學三角法的測量原理

探測器上的圖像位置隨硅片表面高度偏移而變化，根據幾何關系可知，當硅片表面高度變化h時，探測器上的圖像位移?x可表示為

?x = 2h sin θ

通過測量光束在探測器上的圖像位移變化量可計算硅片表面的高度信息。光刻機曝光時，根據獲得的硅片形貌實時調整工件臺的高度，保證硅片曝光位置始終處在投影物鏡的焦面處。

三、聚焦測量的方法

01 輪廓測量法

通過測量光刻膠膜的表面輪廓來間接測量聚焦狀態。輪廓測量法使用非接觸式測量，不會破壞光刻膠膜，但這種方法的精度會受到光刻膠膜的表面形貌和質量的影響。

02干涉測量法

利用光的干涉現象來測量聚焦狀態。干涉測量法能夠非常精確地測量聚焦狀態，但需要使用高質量的光源和干涉儀，因此成本較高。

03像差測量法

通過測量光刻膠膜上的圖像形狀來直接測量聚焦狀態。像差測量法可以直接獲取聚焦信息，但是需要實現在光刻膠膜上形成可測量的圖像，因此在實際操作中會有一定難度。

04 數值孔徑測量法

通過測量物鏡的數值孔徑來間接測量聚焦狀態。數值孔徑測量法的精度較高，但需要使用掃描儀等設備來輔助測量。

05光學傳感器測量法

通過在光刻機上安裝光學傳感器來實時監測聚焦狀態。光學傳感器能夠快速、準確地測量聚焦狀態，但需要在光刻機上留出位置安裝光學傳感器，因此會對光刻機的結構產生一定的影響。

四、       數字無掩膜光刻機的聚焦控制

數字無掩膜光刻機是一種用于信息科學、系統科學與材料科學領域的工藝試驗儀器。它采用數字光刻技術，利用光學、化學反應等原理，將數字圖像直接轉移到光刻膠上，用于制造集成電路、微電子器件等。

數字無掩膜光刻機使用數字光處理（DLP）技術進行曝光投影，與傳統掩膜曝光機不同，這種技術不需要提前制作掩膜版。數字光處理使用數字微鏡器件（DMD）作為核心元件，DMD通常由數百萬個微鏡組成陣列，每個微鏡的尺寸僅為數十微米，每個微鏡可以在不同的角度上反射入射光。通過控制微鏡陣列的角度，可以實現入射光的開和關狀態，從而達到控制光信號的目的。在光刻技術中，通過將待加工的掩膜版圖形以數字圖形編程的方式寫入到微鏡陣列中，從而形成一種代替傳統掩膜版的數字掩膜圖形來進行投影曝光。基于DMD的光刻系統如圖2所示。

圖2  DMD光刻系統

數字光刻系統中鏡頭與工件臺的相對關系僅依靠聚焦傳感器的測量結果，因此鏡頭上下調節過程中，聚焦傳感器零位必須與鏡頭的曝光面同時運動且嚴格保持一致。

五、托托科技數字無掩膜光刻機

托托科技（蘇州）有限公司是一家專注于顯微光學加工和顯微光學檢測領域的公司，在基于數字微鏡器件的無掩膜光刻技術領域中進行了數年的深入研究和技術積累。

圖3 托托科技數字無掩膜光刻機

托托科技數字無掩膜光刻機配備自主研發的高速主動對焦模塊，搭配高精度運動電機，最小能夠識別幾十納米級的高度變化，同時配合PID控制算法，可以實現光刻過程中的實時跟蹤聚焦，保證光刻的精度和良率。

另外由于垂軸運動電機本身的大行程，該主動對焦系統能夠適配幾十納米到幾毫米以內任意厚度的光刻襯底，具有廣泛適應性。圖4展示了托托科技數字無掩膜光刻機制備8英寸高精度圖形的能力。

圖4托托科技展示8英寸光刻晶圓

參考文獻：

[圖1]王向朝,戴鳳釗.集成電路與光刻機[M].北京:科學出版社,2020

[圖2]李世光，郭磊，曾海峰，戢逸云，王寅，肖燕青. 光刻技術中的聚焦控制. 激光與光電子學進展. 2022(09): 280-296