【行业应用】激光三角法测量技术在光刻机中的应用

摘要：介绍了激光三角法测量原理和分类，对不同类型进行了分析比较。介绍了CCD的激光三角法高度测量系统在光刻机中的应用及在高度测量时实时和映射两种工作模式。在应用中可以针对不同的测量对象表面的光学特征，使用对应的表格，提高其测量的适应性和测量效率。

关键词：光刻；CCD图像传感器；激光三角法

光刻工艺一直以来都是半导体生产中的关键工艺，是微细加工的中心环节之一。现在的光刻工艺已经从早期的微米级发展到纳米级。随着基片的直径越来越大，使得热处理后的畸变越大。另外在夹具中安装的差异、衬底表面和末级透镜之间的距离将有典型值为士10µm的变化，而1µm的高度变化引起的偏转校准的误差在1mm场的边缘处约为20nm。高度校正可以消除聚焦和场尺寸对衬底高度的依赖性。激光三角法测量常应用在高度测量中。

1     激光三角法分类及原理

最简单的三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，从而计算出物点的位移。由于入射和反射光构成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法，按入射光线与被测工件表面法线的关系分为直射式和斜射式。

1.1   直射式

直射式三角法测量等效光路如图1所示。激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。从透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光点位置探测(CCD)敏感面上。但由于传感器激光光束与被测面垂直，因此只有一个准确的调焦位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度。

图1   直射式光路图

1.2   斜射式

激光器发出的光与被测面的法线方向成一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光，如图2。此时应满足的Scheimpflug条件为：tg(θ₁+θ₂)＝βtgθ₃

图2   斜射式光路图

θ₁为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；θ₂为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角。若光点的像在探测器敏感面上移动Y，利用相似三角形的比例关系，则可以计算出物表面沿法线方向的移动距离y。

当θ₂为0°时，为斜入射直接收式，它属于斜入射式传感器的一个特例。

1.3   两种三角位移传感器特性的比较

(1)   斜射式可接收来自被测物体的正反射光，适合测量表面接近镜面的物体。直射式由其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面。

(2)   在被测物体表面发生上下位移时，斜射式入射光光点会照射在物体沿光线方向或前或后不同的点上，因此无法直接知道被测物体某点的位移情况，需要通过标定的方法得出位移。

(3)   直射式的优点是光斑较小，光强集中，而且一般体积较小。斜射式传感器分辨率高于直射式，但它的测量范围较小，体积较大。斜入射直接收式传感器的体积和直入射式相当，并且分辨率高于直射式，较为常用。在具体的应用中，应该根据被测面的粗糙度、工作距离、测最范围、安装位置、精度要求等来决定选择哪种类型。

2     激光三角法在光刻机高度测量中的应用

2.1   系统构成

高度测量系统位于光刻机末级透镜和基片之间，由激光源LD、接受传感器CCD和光学机构以及控制系统组成，如图3。

图3   高度测量系统结构示意图

CCD器件选用日本东芝公司的TCD132D，是一种1024像元的线阵图像传感器，感光单元尺寸为14µmX14µm，像元中心距为14µm，内置了CCD驱动电路、嵌位电路和预放大电路，直接输出台阶状视频信号。主时钟频率典型值为2MHz,CCD时钟频率（即信号输出频率）为1MHz。LD采用共阴极型，可由SHARP公司的IR3COI驱动。

2.2   高度测量系统的光学测量原理

图4是高度测量系统光路原理图。A点为高度基准面上激光的入射点，B点是高度增加Δh后激光的照射点，下面根据此图进行计算。

图4   高度测量系统光路原理图

在三角形ABO中，应用正弦定理得：

根据余弦定理得：

从三角形ACO得：

将式(1)和式(2)代入式(3)得：

从图4中很容易得到：

将式(5)代入式(4)得：

y和z的关系由光轴上距离D和d的比值k决定，K被称为放大系数。

而CCD上距离y可以由其像元像距N_PX乘以像元数目K_PX得到：

由式(6)，式(7)，式(8)推得：

至此，基片高度的偏移Δh和CCD上激光点的偏移有了数学关系，使得可以通过计算像元中心偏移数目来测量高度变化。除非α=45°，否则两者之间的关系是非线性的。

2.3   高度测量系统对不同材料的适应性

高度测量系统针对多种不同反射率的衬底，如：亮铬板、暗铬板、GaAs和SiN等，通过建立激光增益和CCD光积分时间设置表格，使得测量对象范围变广，实用性更强。

不同的材料反射系数不同。85nm厚的铬上涂敷PMMA时，PMMA表面的反射系数约为0.28。以相对光强为0.72的电子束射入PMMA,被铬反射回来，此时反射系数为0.57，给出的电子束相对光强为0.41。在抗蚀剂表面28％被内反射，传输束的相对光强于是变为0.3。然而，由于在PMMA中的折射，高度测量计读出的高度约为铬表面之上PMMA厚度的0.69倍。

2.4   系统的两种工作模式

曝光期间高度传感器可以运行于实时方式，或者高度映射方式。实时模式就是在图形曝光过程中，每次从一个子场到一个子场移动完成后，在开始光刻之前，先对该子场的高度进行检测，测量结果提供给偏转校正等系统用来调整聚焦精度。

高度映射模式就是在基片曝光之前，先对整个基片进行高度测量，通常采用3X3点阵进行测量。对整个基片的表面建立翘变数学模型，送入控制器(DSP)处理，这样通过建立数学模型来模拟映射真实的高度变化情况，具有速度快的优点，提高了效率。读数间的增益调整越大，所需时间越长。在离开衬底边沿尝试取一个读数后，对某个表面获得一个读数所需的时间相对较大。要用高达20s才能在离开某个衬底取读数后对衬底获得一个有效的读数。必须选择一个具有更有限最大增益的表格，以降低在离开衬底边沿尝试取一个读数后对某个表面获得一个读数所需的时间量，提高生产效率。

最大和最小增益以升序安排了10个可用的表格，表格1用于反射性最好的衬底，而表格10用于反射性最差的衬底．推荐的常用衬底的高度测量计表格如表1。

表1 常用衬底的高度测量计设置表格

3    结论

采用了激光三角测量方法，无接触，体积小，精度高。CCD输出信号电平很容易通过更改光积分时间可调，增加了激光二极管自动功率控制电路，进一步增强了对CCD信号输出质量的控制。

激光三角测量法是一种位移测量方法，在机器视觉、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学、半导体设备等领域具有重要的意义和广阔的应用。

参考文献：

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[3]   冯俊艳，冯其波．高精度激光三角位移传感器的技术现状应用光学[J].2004,25(3):33-36.

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