1、引言
式中D 為曝光劑量;T 為曝光時間;I 為曝光光強, 是時間t 的函數。曝光劑量直接影響光刻機的性能指標, 如關鍵尺寸(Critical dimension , CD)、關鍵尺寸均勻性、生產效率等, 必須加以嚴格控制, 才能實現最佳的曝光均勻性和穩(wěn)定性 。
目前光刻技術已從步進曝光方式發(fā)展為掃描曝光方式, 普遍采用波長248 nm 和193 nm 的深紫外準分子激光 。由于預熱、氣體退化或更新、以及運行時間等因素影響, 準分子激光器總會存在單脈沖能量波動和平均脈沖能量漂移, 除此之外還有能量超調(o vershot)現象。能量超調是指一組脈沖與一組脈沖之間氣體處于不放電狀態(tài), 導致每一組脈沖的前若干個脈沖在相同的高電壓下輸出能量值要高很多, 超調幅度可達20 % 。掃描曝光時, 曝光場內各點勻速經過曝光狹縫, 從而接收到一定數量的脈沖, 其累積值就是該點處的曝光劑量 。顯然,脈沖能量波動特別是超調現象直接影響最終的曝光劑量, 多個脈沖則能起到平滑效應, 且理論上脈沖個數越大效果越好;但在實際光刻應用中, 單純增加脈沖個數往往通過調整衰減片角度來實現, 其結果是降低光刻生產率且增加激光器能耗。
單脈沖能量波動和超調現象是準分子激光器的固有特性, 通過改善激光器本身性能特別是從光學上改善其性能尚不足以消除這種現象及其不利影響, 必須采用算法控制進行補償 。為此, 本文提出一種實時劑量控制算法, 采用閉環(huán)反饋控制方式對激光器發(fā)出的每個脈沖進行嚴格控制, 以抑制單脈沖能量的隨機波動特別是超調現象;同時盡可能采用少的脈沖個數, 以保證在滿足劑量精度要求的情況下, 盡可能提高光刻生產率和激光器使用效率。
2、實時劑量控制算法
2. 1光刻機掃描曝光模型
掃描曝光過程的抽象模型如圖1 所示。激光器發(fā)出的脈沖光束經過光路傳輸系統(tǒng), 從開口大小可調的狹縫中投影到工件臺上, 形成投影光斑。當曝光場前沿與光斑前沿重合時, 掃描開始;此后曝光場勻速經過投影光斑;當曝光場后沿與光斑后沿重合時, 掃描結束。
在掃描曝光過程中, 激光器的重復頻率f 固定,狹縫等效寬度L 為定值, 工件臺以勻速v 經過掃描狹縫, 則曝光場中每個點經過狹縫時都接收到相同數量的脈沖, 其個數N 為
2.2光刻機劑量控制器結構
掃描投影光刻機劑量控制系統(tǒng)如圖2 所示, 從準分子激光器發(fā)出的脈沖激光, 先經過底端照明光路(包括光束擴充鏡組、定位定向鏡組、縮放錐形鏡組等)和可變透過率衰減片, 到達能量傳感器, 再經過頂端照明光路(包括光能量均勻棒、掃描狹縫、照明鏡組等)、掩模版和投影物鏡, 最終投射到硅片表面。光路中安裝有一個能量傳感器, 測量每個激光脈沖的能量并結合實時調節(jié)算法, 計算出下一個單脈沖能量的設定值;最后通過能量電壓轉換關系將能量設定值轉換成電壓設定值, 以達到控制激光器單脈沖能量并保證劑量精度的目的。
劑量控制器的結構如圖2 中虛框所示, 其中, 能量電壓轉換關系是通過校準和標定流程來獲得的。激光器一般有三個指標:最小、最大和標稱能量, 校準時使激光器分別以這三個量值發(fā)出一定數量的脈沖, 統(tǒng)計所加電壓, 近似認為在這個范圍內電壓與能量為線性關系, 通過在兩極值點間線性插值, 得到一組電壓與能量的匹配關系。經過校準后, 若給定某個脈沖能量E , 則其對應的電壓值V 為
2.3激光器單脈沖能量實時控制算法
實時控制算法包括隨機波動和能量超調兩部分實時調節(jié)算法。隨機波動實時調節(jié)算法的目的是減小單脈沖能量的隨機波動。待發(fā)脈沖能量的設定值偏差源自一組脈沖能量實測值與標稱能量值的偏差累積, 而一組脈沖的個數不超過各點經過掃描狹縫所需的激光脈沖個數N 。待發(fā)的每個脈沖因此都受到之前已發(fā)多個脈沖的調節(jié), 從而減小了偶然性因素的影響。具體算法如下:
式中ΔEs(i)為考慮隨機波動的第i 個脈沖的能量設定值偏差;ks 為隨機波動控制調節(jié)系數;ε為實測能量等效為激光器輸出能量的系數;Em(f )為第f 個脈沖的實測能量;N 為硅片上每個點經過掃描狹縫所需的激光脈沖個數。
超調算法的目的是抑制脈沖能量超調現象。超調相對而言是一種局部行為, 其調節(jié)可以采用加權移動平均。具體算法如下:
式中δEs(i)為考慮超調的第i 個脈沖能量設定值偏差;k o 為超調控制調節(jié)系數;Es(g)為第g 個脈沖的能量設定值;M 為超調移動平均個數, 一般取值為5 。綜合兩部分算法, 可以得到準分子激光器單脈沖能量實時調節(jié)的綜合控制算法:
3、實驗研究與結果分析
為研究準分子激光器的單脈沖能量特性并驗證上述控制算法, 在一臺ArF 準分子激光器上進行了相關實驗, 其波長為193 nm , 標稱脈沖能量5 mJ , 最大重復頻率4 kHz , 功率20 W 。該ArF 準分子激光器上實測的脈沖能量變化曲線如圖3 所示。工作模式為恒電壓控制方式, 高電壓(HV)設定值恒定為1690 V , 重復頻率為4 kHz 。圖3(a)顯示了光刻機步進掃描曝光過程的數據, 每個硅片有70 個曝光場(圖中顯示了其中的20 個), 每個曝光場的脈沖總數為375 , 曝光場之間的時間間隔為100 ms(圖中以符號" +"表示曝光場間隔), 即每個曝光場的掃描時間為93. 75 ms , 步進時間為100 ms 。圖3(b)顯示了單個曝光場的脈沖能量變化細節(jié)。
對多種劑量需求值下的恒電壓控制方式進行了多個曝光場的步進掃描曝光實驗, 所得統(tǒng)計分析結果如表1 所示, 其中Dmax 為最大劑量,Dmin 為最小劑量, σ為劑量精度。從中可以看出, 盡管脈沖累積對隨機波動確實起到了很好的平滑效應, 但脈沖個數增大到一定程度后, 這種平滑效果趨于平緩。更為重要的是, 由于能量超調現象的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 即使在脈沖個數為100 時劑量精度也僅為11. 9 %, 根本不能滿足亞微米光刻的要求, 因而有必要采用高性能的實時算法進行劑量控制。
采用本文提出的實時劑量控制算法獲得的脈沖能量變化曲線如圖5 所示, 即利用本文提出的控制算法進行激光器外部單脈沖高電壓控制, 其余實驗參量與圖3 相同。圖5(a)顯示了光刻機步進掃描曝光過程的數據, 圖5(b)顯示了單個曝光場的脈沖能量變化細節(jié)。劑量控制算法的相關參量為N =20 , M =5 , ks =0. 8 , ko =0. 8 。
從圖5 中可以明顯看出, 采用本文提出的外部高電壓實時劑量控制算法, 不僅明顯減小了單脈沖能量的隨機波動, 而且有效抑制了能量超調現象。這在觀察多個脈沖能量的累積和即觀察曝光劑量時更為顯著, 如圖6 所示, 圖6(a)～ 圖6(f)對應狹縫脈沖個數分別為10 , 20 , 40 , 60 , 80 和100 , 劑量需求值分別為5 mJ/cm2 , 10 mJ /cm2 , 20 mJ/cm2 , 30 mJ /cm2 ,40 mJ /cm2 和50 mJ /cm2 。
多種劑量需求值時外部高電壓實時控制方式下的劑量測試統(tǒng)計分析結果如表2 所示。從中可以看出, 采用本文提出的外部高電壓實時控制算法, 曝光劑量可以達到相當高的精度, 在脈沖個數N 為20時劑量精度可達0. 89 %, N 大于20 時均完全滿足亞微米光刻的苛刻要求, 且N 越大, 精度越高。
4、結論
提出了一種面向步進掃描投影光刻機的深紫外準分子激光實時曝光劑量控制算法, 并在一臺A rF準分子激光器上開展了相關實驗。研究結論如下:
1) 準分子激光器的單脈沖能量呈現非常明顯的波動現象, 波動幅度可達20 %以上, 這種波動現象主要體現在兩個方面:一是能量超調, 二是隨機波動。
2) 曝光劑量是多個脈沖能量的累積, 盡管累積對隨機波動起到了很好的平滑效應, 但由于超調的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 無法滿足亞微米光刻苛刻的劑量要求。
3) 提出的外部高電壓實時控制算法, 明顯減小了單脈沖能量的隨機波動, 而且有效抑制了能量超調現象, 在脈沖個數較小的情況下即可獲得很高的劑量精度。
曝光劑量是光刻機極為重要的一個特征 , 是指在曝光過程中硅片單位面積上光刻膠所吸收的特定波長的光能量, 即硅片面上某一點處曝光光強對曝光時間的積分:
式中D 為曝光劑量;T 為曝光時間;I 為曝光光強, 是時間t 的函數。曝光劑量直接影響光刻機的性能指標, 如關鍵尺寸(Critical dimension , CD)、關鍵尺寸均勻性、生產效率等, 必須加以嚴格控制, 才能實現最佳的曝光均勻性和穩(wěn)定性 。
目前光刻技術已從步進曝光方式發(fā)展為掃描曝光方式, 普遍采用波長248 nm 和193 nm 的深紫外準分子激光 。由于預熱、氣體退化或更新、以及運行時間等因素影響, 準分子激光器總會存在單脈沖能量波動和平均脈沖能量漂移, 除此之外還有能量超調(o vershot)現象。能量超調是指一組脈沖與一組脈沖之間氣體處于不放電狀態(tài), 導致每一組脈沖的前若干個脈沖在相同的高電壓下輸出能量值要高很多, 超調幅度可達20 % 。掃描曝光時, 曝光場內各點勻速經過曝光狹縫, 從而接收到一定數量的脈沖, 其累積值就是該點處的曝光劑量 。顯然,脈沖能量波動特別是超調現象直接影響最終的曝光劑量, 多個脈沖則能起到平滑效應, 且理論上脈沖個數越大效果越好;但在實際光刻應用中, 單純增加脈沖個數往往通過調整衰減片角度來實現, 其結果是降低光刻生產率且增加激光器能耗。
單脈沖能量波動和超調現象是準分子激光器的固有特性, 通過改善激光器本身性能特別是從光學上改善其性能尚不足以消除這種現象及其不利影響, 必須采用算法控制進行補償 。為此, 本文提出一種實時劑量控制算法, 采用閉環(huán)反饋控制方式對激光器發(fā)出的每個脈沖進行嚴格控制, 以抑制單脈沖能量的隨機波動特別是超調現象;同時盡可能采用少的脈沖個數, 以保證在滿足劑量精度要求的情況下, 盡可能提高光刻生產率和激光器使用效率。
2、實時劑量控制算法
2. 1光刻機掃描曝光模型
掃描曝光過程的抽象模型如圖1 所示。激光器發(fā)出的脈沖光束經過光路傳輸系統(tǒng), 從開口大小可調的狹縫中投影到工件臺上, 形成投影光斑。當曝光場前沿與光斑前沿重合時, 掃描開始;此后曝光場勻速經過投影光斑;當曝光場后沿與光斑后沿重合時, 掃描結束。
圖1步進掃描投影光刻機掃描曝光過程抽象模型
在掃描曝光過程中, 激光器的重復頻率f 固定,狹縫等效寬度L 為定值, 工件臺以勻速v 經過掃描狹縫, 則曝光場中每個點經過狹縫時都接收到相同數量的脈沖, 其個數N 為
曝光場中第i 點獲得的總能量即為曝光劑量Di :
其中N 為脈沖個數, η為光傳輸效率, A 為狹縫等效面積;E(k)為第k 個脈沖的單脈沖能量。曝光劑量的性能一般用劑量精度σ來衡量:
其中Dr 為劑量需求值;max 表示取最大值;Di 為曝光場中第i 點的實際劑量值。光刻分辨力為100 nm時的劑量精度要求不超過1 %。
2.2光刻機劑量控制器結構
掃描投影光刻機劑量控制系統(tǒng)如圖2 所示, 從準分子激光器發(fā)出的脈沖激光, 先經過底端照明光路(包括光束擴充鏡組、定位定向鏡組、縮放錐形鏡組等)和可變透過率衰減片, 到達能量傳感器, 再經過頂端照明光路(包括光能量均勻棒、掃描狹縫、照明鏡組等)、掩模版和投影物鏡, 最終投射到硅片表面。光路中安裝有一個能量傳感器, 測量每個激光脈沖的能量并結合實時調節(jié)算法, 計算出下一個單脈沖能量的設定值;最后通過能量電壓轉換關系將能量設定值轉換成電壓設定值, 以達到控制激光器單脈沖能量并保證劑量精度的目的。
圖2 步進掃描投影光刻機劑量控制器結構
劑量控制器的結構如圖2 中虛框所示, 其中, 能量電壓轉換關系是通過校準和標定流程來獲得的。激光器一般有三個指標:最小、最大和標稱能量, 校準時使激光器分別以這三個量值發(fā)出一定數量的脈沖, 統(tǒng)計所加電壓, 近似認為在這個范圍內電壓與能量為線性關系, 通過在兩極值點間線性插值, 得到一組電壓與能量的匹配關系。經過校準后, 若給定某個脈沖能量E , 則其對應的電壓值V 為
其中EN 為標稱能量實測均值,V N 為標稱能量對應的電壓實測均值,Emax 為最大能量實測值,Emin 為最小能量實測值, Vmax 為最大電壓實測值,Vmin 為最小電壓實測值, ΔE 為實測最大與最小能量差值;ΔV為最大與最小能量對應的實測電壓差值。
2.3激光器單脈沖能量實時控制算法
實時控制算法包括隨機波動和能量超調兩部分實時調節(jié)算法。隨機波動實時調節(jié)算法的目的是減小單脈沖能量的隨機波動。待發(fā)脈沖能量的設定值偏差源自一組脈沖能量實測值與標稱能量值的偏差累積, 而一組脈沖的個數不超過各點經過掃描狹縫所需的激光脈沖個數N 。待發(fā)的每個脈沖因此都受到之前已發(fā)多個脈沖的調節(jié), 從而減小了偶然性因素的影響。具體算法如下:
式中ΔEs(i)為考慮隨機波動的第i 個脈沖的能量設定值偏差;ks 為隨機波動控制調節(jié)系數;ε為實測能量等效為激光器輸出能量的系數;Em(f )為第f 個脈沖的實測能量;N 為硅片上每個點經過掃描狹縫所需的激光脈沖個數。
超調算法的目的是抑制脈沖能量超調現象。超調相對而言是一種局部行為, 其調節(jié)可以采用加權移動平均。具體算法如下:
式中δEs(i)為考慮超調的第i 個脈沖能量設定值偏差;k o 為超調控制調節(jié)系數;Es(g)為第g 個脈沖的能量設定值;M 為超調移動平均個數, 一般取值為5 。綜合兩部分算法, 可以得到準分子激光器單脈沖能量實時調節(jié)的綜合控制算法:
3、實驗研究與結果分析
為研究準分子激光器的單脈沖能量特性并驗證上述控制算法, 在一臺ArF 準分子激光器上進行了相關實驗, 其波長為193 nm , 標稱脈沖能量5 mJ , 最大重復頻率4 kHz , 功率20 W 。該ArF 準分子激光器上實測的脈沖能量變化曲線如圖3 所示。工作模式為恒電壓控制方式, 高電壓(HV)設定值恒定為1690 V , 重復頻率為4 kHz 。圖3(a)顯示了光刻機步進掃描曝光過程的數據, 每個硅片有70 個曝光場(圖中顯示了其中的20 個), 每個曝光場的脈沖總數為375 , 曝光場之間的時間間隔為100 ms(圖中以符號" +"表示曝光場間隔), 即每個曝光場的掃描時間為93. 75 ms , 步進時間為100 ms 。圖3(b)顯示了單個曝光場的脈沖能量變化細節(jié)。
圖3 實測的脈沖能量變化曲線(恒電壓1690 V)
從圖3 可以清楚地看出, 準分子激光器的單脈沖能量呈現非常明顯的波動現象, 體現在兩個方面:一是能量超調, 二是隨機波動。能量超調以一個曝光場為周期, 因為在曝光場與曝光場之間有時間間隔(圖3 中為100 ms), 激光器處于不放電狀態(tài), 所以每到達下一個曝光場時激光器放電電極之間會有更多的新鮮氣體, 從而在相同的電壓值觸發(fā)下獲得的脈沖能量要高些。此后隨著激光器充放電過程逐漸趨于穩(wěn)定, 實際脈沖能量也逐漸趨向于其標稱能量值, 但由于各種不確定因素的影響, 脈沖能量總是圍繞其標稱能量進行隨機波動。恒電壓控制方式下單個曝光場掃描曝光時的劑量測量值如圖4 所示。圖4(a)～ 圖4(f)對應的劑量需求值分別為5 mJ/cm2 , 10 mJ/cm2 , 20 mJ/cm2 ,30 mJ /cm2 , 40 mJ /cm2 和50 mJ/cm2 , 在其它掃描參量如掃描速度、激光器重復頻率和標稱脈沖能量等不變的情況下, 對應的狹縫脈沖個數N 分別為10 , 20 ,40 , 60 , 80 和100 。從中可以看出, 曝光劑量是多個脈沖能量的累積, 這種累積對隨機波動起到了很好的平滑效應, 而且脈沖個數越大其平滑效應越明顯。
圖4 恒電壓控制方式下的曝光劑量測量值
對多種劑量需求值下的恒電壓控制方式進行了多個曝光場的步進掃描曝光實驗, 所得統(tǒng)計分析結果如表1 所示, 其中Dmax 為最大劑量,Dmin 為最小劑量, σ為劑量精度。從中可以看出, 盡管脈沖累積對隨機波動確實起到了很好的平滑效應, 但脈沖個數增大到一定程度后, 這種平滑效果趨于平緩。更為重要的是, 由于能量超調現象的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 即使在脈沖個數為100 時劑量精度也僅為11. 9 %, 根本不能滿足亞微米光刻的要求, 因而有必要采用高性能的實時算法進行劑量控制。
表1 恒電壓控制方式下的劑量測量值統(tǒng)計分析結果
采用本文提出的實時劑量控制算法獲得的脈沖能量變化曲線如圖5 所示, 即利用本文提出的控制算法進行激光器外部單脈沖高電壓控制, 其余實驗參量與圖3 相同。圖5(a)顯示了光刻機步進掃描曝光過程的數據, 圖5(b)顯示了單個曝光場的脈沖能量變化細節(jié)。劑量控制算法的相關參量為N =20 , M =5 , ks =0. 8 , ko =0. 8 。
從圖5 中可以明顯看出, 采用本文提出的外部高電壓實時劑量控制算法, 不僅明顯減小了單脈沖能量的隨機波動, 而且有效抑制了能量超調現象。這在觀察多個脈沖能量的累積和即觀察曝光劑量時更為顯著, 如圖6 所示, 圖6(a)～ 圖6(f)對應狹縫脈沖個數分別為10 , 20 , 40 , 60 , 80 和100 , 劑量需求值分別為5 mJ/cm2 , 10 mJ /cm2 , 20 mJ/cm2 , 30 mJ /cm2 ,40 mJ /cm2 和50 mJ /cm2 。
圖5 實測的脈沖能量變化曲線(外部高電壓實時劑量控制算法)
圖6 外部高電壓實時控制方式下的劑量測量值
多種劑量需求值時外部高電壓實時控制方式下的劑量測試統(tǒng)計分析結果如表2 所示。從中可以看出, 采用本文提出的外部高電壓實時控制算法, 曝光劑量可以達到相當高的精度, 在脈沖個數N 為20時劑量精度可達0. 89 %, N 大于20 時均完全滿足亞微米光刻的苛刻要求, 且N 越大, 精度越高。
表2 外部高電壓實時控制方式下的劑量統(tǒng)計分析結果
4、結論
提出了一種面向步進掃描投影光刻機的深紫外準分子激光實時曝光劑量控制算法, 并在一臺A rF準分子激光器上開展了相關實驗。研究結論如下:
1) 準分子激光器的單脈沖能量呈現非常明顯的波動現象, 波動幅度可達20 %以上, 這種波動現象主要體現在兩個方面:一是能量超調, 二是隨機波動。
2) 曝光劑量是多個脈沖能量的累積, 盡管累積對隨機波動起到了很好的平滑效應, 但由于超調的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 無法滿足亞微米光刻苛刻的劑量要求。
3) 提出的外部高電壓實時控制算法, 明顯減小了單脈沖能量的隨機波動, 而且有效抑制了能量超調現象, 在脈沖個數較小的情況下即可獲得很高的劑量精度。
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