CN103207531A

CN103207531A - 一种步进扫描投影光刻机掩模台硅片台扫描运动同步误差校正系统

Info

Publication number: CN103207531A
Application number: CN2013101384945A
Authority: CN
Inventors: 李兰兰; 胡松; 赵立新; 马平; 刘旗; 李金龙; 钟玲娜
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2013-04-21
Filing date: 2013-04-21
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-04-21
Also published as: CN103207531B

Abstract

本发明公开了一种适用于步进扫描投影光刻机的掩模台硅片台扫描运动同步误差校正系统，包括运动轨迹规划模块、运动控制模块、运动执行模块、同步误差校正模块。本发明的优点是，采用轨迹规划模块对扫描曝光过程中硅片台及掩模台的加速度、速度以及位置轨迹进行规划并数字化，此模块能针对不同的工件台的运动需求进行相应的轨迹规划，具有良好的移植性；针对步进扫描投影光刻机在扫描曝光过程中同步误差的特性，通过减小硅片台跟踪误差以及掩模台跟踪误差中同频部分信号的相位差来达到减小同步误差的目的，从同步误差的特性出发分析出误差校正方法；在同步误差校正模块中采用预测模块对跟踪误差中的频率信号进行预估计，有利于加快系统的运行速度。

Description

一种步进扫描投影光刻机掩模台硅片台扫描运动同步误差校正系统

技术领域

本发明涉及微电子专用设备技术领域，尤其是一种步进扫描投影光刻机掩模台硅片台扫描运动同步误差校正系统，其主要用于步进扫描投影光刻机中实现扫描曝光过程中硅片台与掩模台同步误差的校正。

背景技术

步进扫描投影光刻技术是IC加工中的一项前沿技术，它利用掩模台和硅片台的同步运动，将掩模上的图形通过光学系统投影到硅片上，再经过定型、显影等工艺，最终在硅片上复制出具有缩小倍率的图形。扫描曝光与步进曝光不同，它利用窄条狭缝像场的匀速直线扫描来实现大芯片尺寸像场内的连续移动曝光，由于像场均分可减小投影误差及像差；加之扫描中逐个小像场的连续自动调平调焦可充分利用镜头的有效焦深，更好地控制并校正了大像场内硅片的局部不平度并扩大和改善了光刻工艺范围。

步进扫描投影光刻机扫描曝光原理图见图1。置于掩模台上的掩模和置于硅片台上的硅片同时以指定的速度v_r和v_w沿相反方向移动到投影物镜系统的上方和下方，掩模上特定区域的图形在照明光束照射下，经过投影物镜投影到硅片上，实现掩模图形的转移。

掩模台和硅片台在扫描曝光过程中的同步误差不仅会导致硅片上图形的变化和错位，而且会降低图形对比度，最终造成光刻图形缺陷。

通常步进扫描投影光刻机的同步误差特性由移动平均误MA和移动标准偏差MSD表示，移动平均偏差即同步偏差的移动平均值，反映了掩模特征图形与其理想位置的平均偏差，这一偏差将导致曝光图形的总体错位，在工艺上将主要影响光刻的套刻精度。移动标准偏差即光阑内所有点同步偏差的均方差，反映了因扫描不同步引起位置抖动的均方差，这种由于扫描曝光过程中掩模台硅片台相对位置的高频率变换将导致成像模糊，在工艺上将主要影响光刻的曝光分辨率。在离散采样的条件下，MA和MSD可以定义如下：

对于硅片上的特殊成像点x，设在某一采样时刻的硅片台与掩模台的同步位置误差为e(i)，则移动平均偏差MA为x位于曝光光阑范围内同步误差的平均，MSD为同步误差的标准差。

MA = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} e (i) - - - (1)

MSD = \sqrt{\frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} [MA - {e (i)]}^{2}} - - - (2)

式中N为曝光点在整个曝光范围内运动期间的采样点个数。

从同步扫描精度指标的定义看出，MA和MSD均为位置同步误差e(i)统计计算的结果。

下面从步进扫描曝光过程说明同步误差的形成原理。对于步进扫描投影光刻机，硅片上曝光区域通常被划分为若干个子场，光刻机的扫描曝光是通过对硅片上各子场的连续扫描曝光实现的。掩模台和硅片台从一个子场到另一个子场间的运动为步进运动，到达该子场位置则进行扫描运动。图1步进扫描投影光刻机扫描曝光原理图，当某一子场曝光结束，硅片台以步进方式运动，以便把下一个待曝光的子场移动到靠近光轴位置。在曝光过程中，只有掩模台硅片台的同步误差小于或等于某一规定值时，才能得到所需要的曝光结果。曝光误差由曝光设备和工艺共同决定。某一子场的扫描位置终点正是下一个子场的扫描位置的起始点，因而该子场的位置误差也就自然被带到了下一个子场，再加上下一个子场扫描的位置误差，这就形成了误差累积。

在一定的产率前提下，如何控制和减小步进扫描投影光刻机扫描曝光中的同步误差，进而提高产品的良好率，是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是控制和减小步进扫描投影光刻机扫描曝光中的同步误差。

本发明的技术方案为：一种步进扫描投影光刻机掩模台硅片台扫描运动同步误差校正系统，包括运动轨迹规划模块、运动控制模块、运动执行模块、同步误差校正模块，其中，

所述的运动轨迹规划模块的功能为：根据掩模台和硅片台扫描运动过程中的轨迹特性将扫描过程中的加速度、速度、以及位置轨迹数字化供掩模台和硅片台的运动控制模块使用。

运动控制模块包括掩模台运动控制模块和硅片台运动控制模块，所述的运动控制模块的功能为：根据接收的跟踪误差信号控制运动执行模块按照规划的轨迹运动。

运动执行模块包括掩模台运动执行模块和硅片台运动执行模块，所述的运动执行模块的功能为：掩模台运动执行模块接收并执行掩模台运动控制模块的输出的指令以及同步误差校正模块输出的误差校正指令驱动掩模台运动；硅片台运动执行模块接收并执行硅片台运动控制模块的指令驱动硅片台运动。

同步误差校正模块包括预测模块和同频鉴相模块，所述的同步误差校正模块的功能为：对硅片台跟踪误差和掩模台跟踪误差所包含的各频率信号进行预测估计，并对硅片台跟踪误差和掩模台跟踪误差中同频部分信号求出其相位差，最终将相位差信号转化为误差补偿信号。具体的，同步误差校正模块接收掩模台跟踪误差和硅片台跟踪误差，分别经预测模块中的掩模台跟踪误差预测模块和硅片台跟踪误差预测模块进行预测估计，提取各跟踪误差信号中的信号的主要频率；接着将两跟踪信号中提取出来的主要频率信号经同频鉴相模块求出其相位差，此相位差信息经误差补偿模块得到掩模台的校正信号，用于硅片台及掩模台同步运动误差的校正。

作为对本发明的改进，系统中的同步误差校正模块中掩模台的跟踪误差a经过预测模块r进行预测，对于误差信号中的主要频率成分进行预估计，假设掩模台的跟踪误差信号由n个频率已知但相位和幅值信号未知的信号组成：

a (t) = \underset{i = 1 . . . n}{Σ} x_{i} \sin (2 π f_{i} t) + y_{i} \cos (2 π f_{i} t) - - - (3)

a(t)为掩模台跟踪误差信号，t为时间；

f_i为跟踪误差信号的某一频率值；

x_i和y_i为频率为f_i的误差信号正弦和余弦部分的幅值；

某一时刻的系数x_i和y_i由过去的m（m的最小取值为m=2n）组采样数据进行预估计：

(\begin{matrix} \sin (f_{1} t_{1}) & \cos (f_{1} t_{1}) & . . . & \sin (f_{n} t_{1}) & \cos (f_{n} t_{1}) \\ \sin (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{1} t_{2}) & . . . & \cos (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{n} t_{2}) \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ \sin (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{1} t_{m}) & . . . & \cos (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{m} t_{m}) \end{matrix}) (\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{y}}_{1} \\ . \\ . \\ . \\ {\hat{x}}_{n} \\ {\hat{y}}_{n} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a (t_{1}) \\ a (t_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ a (t_{m}) \end{matrix}) - - - (4)

为频率为f_i的误差信号正弦和余弦部分的幅值的估计值，t₁，t₂，…t_m为采样时间点；

a(t₁)，a(t₂)，…，a(t_m)为m次采样的误差值；

令

A = (\begin{matrix} \sin (f_{1} t_{1}) & \cos (f_{1} t_{1}) & . . . & \sin (f_{n} t_{1}) & \cos (f_{n} t_{1}) \\ \sin (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{1} t_{2}) & . . . & \cos (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{n} t_{2}) \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ \sin (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{1} t_{m}) & . . . & \cos (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{n} t_{m}) \end{matrix}),

\hat{p} = (\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{y}}_{1} \\ . \\ . \\ . \\ {\hat{x}}_{n} \\ {\hat{y}}_{n} \end{matrix}),

a_{s} = (\begin{matrix} a (t_{1}) \\ a (t_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ a (t_{m}) \end{matrix})

则

A \hat{P} = a_{s} - - - (5)

可得

由此求得预估计时刻信号。

硅片台的跟踪误差信号b与掩模台的跟踪误差信号a一样经预测模块w，对其主要频率成分进行预估计。

预估计的掩模台跟踪误差

以及预估计的硅片台跟踪误差

经同频鉴相模块，对跟踪误差中同频部分的相位进行鉴相，最终得到的相位差信息由误差补偿模块生成误差校正信号c至掩模台运动执行模块。

本发明的有益效果是，采用轨迹规划模块对扫描曝光过程中硅片台及掩模台的加速度、速度以及位置轨迹进行规划并数字化，此模块能针对不同的工件台的运动需求进行相应的轨迹规划，具有良好的移植性；针对步进扫描投影光刻机在扫描曝光过程中同步误差的特性，通过减小硅片台跟踪误差以及掩模台跟踪误差中同频部分信号的相位差来达到减小同步误差的目的，从同步误差的特性出发分析出误差校正方法；在同步误差校正模块中采用预测模块对跟踪误差中的频率信号进行预估计，这样有利于加快系统的运行速度。

附图说明

图1为步进扫描投影光刻机扫描曝光原理图；

附图标记：图中A1为光线，A2为掩模，A3为投影物镜，A4为硅片，A5为曝光场；

图2为步进扫描投影光刻机掩模台硅片台同步误差校正系统框图；

附图标记：

1是轨迹规划模块；

2同步误差校正模块；

3是运动控制模块；

3a是掩模台运动控制模块；

3b是硅片台运动控制模块；

4是运动执行模块；

4a是掩模台运动执行模块；

4b是硅片台运动执行模块；

a是掩模台跟踪误差；

b是硅片台跟踪误差；

是预估计的掩模台跟踪误差；

是预估计的硅片台跟踪误差；

预测模块r为掩模台跟踪误差预测模块；

预测模块w为硅片台跟踪误差预测模块；

c是误差校正信号；

图3为同步误差校正模块框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明中的步进扫描投影光刻机掩模台硅片台同步误差校正系统包括运动轨迹规划模块1、同步误差校正模块2、运动控制模块3、运动执行模块4，其组成框图如图2所示。

该系统中运动轨迹规划模块1根据掩模台和硅片台扫描运动过程中的轨迹特性将扫描过程中的加速度、速度、以及位置轨迹数字化供掩模台和硅片台的运动控制模块使用；同步误差校正模块2对硅片台跟踪误差和掩模台跟踪误差所包含的各频率信号进行预测估计，并对硅片台跟踪误差和掩模台跟踪误差中同频部分信号进行鉴相求出其相位差，最终得到误差校正信号；运动控制模块3根据接收的跟踪误差信号控制运动执行模块按照规划的轨迹运动；运动执行模块4接收并执行运动控制模块以及同步误差校正模块的指令驱动硅片台和掩模运动。

同步误差校正模块2为整个系统的核心部分，主要功能是从接收到的硅片台跟踪误差信号和掩模台跟踪误差信号中提取出其中同频部分的相位差，其系统组成框图如图3所示。

结合图2和图3，整个误差校正系统的功能实现方法如下：

1）系统启动后，运动控制模块3中的掩模台运动控制模块3a和硅片台运动控制模块3b将加载轨迹规划模块1中根据掩模台和硅片台运动特性需求而规划的运动轨迹数据。将此目标运动数据和系统传感器采样到的运动数据进行比较得到差值，并将其转化为驱动运动执行模块的信号。

2）运动执行模块4中的掩模台运动执行模块4a接收到掩模台运动控制模块3a输出的驱动信号以及同步误差校正模块2输出的误差校正信号c执行相应的运动；硅片台运动执行模块4b接收到硅片台运动控制模块3b输出的驱动信号执行相应的运动。

3）掩模台和硅片台的位置信息由位置检测模块反馈到输入端同规划的轨迹相减得到掩模台跟踪误差a和硅片台跟踪误差b。

4）同步误差校正模块接收掩模台跟踪误差a和硅片台跟踪误差b，分别经预测模块中的预测模块r和预测模块w进行预测估计，提取各跟踪误差信号中的信号的主要频率；接着将两跟踪信号中提取出来的主要频率信号经同频鉴相模块求出其相位差，此相位差信息经误差补偿模块得到掩模台的校正信号c。

虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员将会意识到，在不背弃权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种步进扫描投影光刻机掩模台硅片台扫描运动同步误差校正系统，其特征在于，包括运动轨迹规划模块、运动控制模块、运动执行模块、同步误差校正模块，其中：

所述的运动轨迹规划模块，根据掩模台和硅片台扫描运动过程中的轨迹特性将扫描过程中的加速度、速度以及位置轨迹数字化供掩模台和硅片台的运动控制模块使用；

所述的运动控制模块，包括硅片台运动控制模块和掩模台运动控制模块，所述的运动控制模块根据接收的跟踪误差信号控制运动执行模块按照规划的轨迹运动；

所述的运动执行模块，包括硅片台运动执行模块和掩模台运动执行模块，所述的掩模台运动执行模块接收并执行掩模台运动控制模块的输出的指令以及同步误差校正模块输出的误差校正指令驱动掩模台运动；硅片台运动执行模块接收并执行硅片台运动控制模块的指令驱动硅片台运动；

所述的同步误差校正模块，包括预测模块、同频鉴相模块和误差补偿模块，所述的同步误差校正模块对硅片台跟踪误差和掩模台跟踪误差所包含的各频率信号进行预测估计，并对硅片台跟踪误差和掩模台跟踪误差中同频部分信号进行鉴相求出其相位差，最终将相位差信号转化为误差补偿信号，具体的，同步误差校正模块接收掩模台跟踪误差和硅片台跟踪误差，分别经预测模块中的掩模台跟踪误差预测模块和硅片台跟踪误差预测模块进行预测估计，提取各跟踪误差信号中的信号的主要频率；接着将两跟踪信号中提取出来的主要频率信号经同频鉴相模块求出其相位差，此相位差信息经误差补偿模块得到掩模台的校正信号，用于硅片台及掩模台同步运动误差的校正。

2.如权利要求1所述步进扫描投影光刻机掩模台硅片台扫描运动同步误差校正系统，其特征在于，同步误差校正模块中掩模台的跟踪误差a经过预测模块r进行预测，对于误差信号中的主要频率成分进行预估计，假设掩模台的跟踪误差信号由n个频率已知但相位和幅值信号未知的信号组成：

a (t) = \underset{i = 1 . . . n}{Σ} x_{i} \sin (2 π f_{i} t) + y_{i} \cos (2 π f_{i} t)

a(t)为掩模台跟踪误差信号，t为时间；

f_i为跟踪误差信号的某一频率值；

x_i和y_i为频率为f_i的误差信号正弦和余弦部分的幅值；

某一时刻的系数x_i和y_i由过去的m组采样数据进行预估计：

(\begin{matrix} \sin (f_{1} t_{1}) & \cos (f_{1} t_{1}) & . . . & \sin (f_{n} t_{1}) & \cos (f_{n} t_{1}) \\ \sin (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{1} t_{2}) & . . . & \cos (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{n} t_{2}) \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ \sin (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{1} t_{m}) & . . . & \cos (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{m} t_{m}) \end{matrix}) (\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{y}}_{1} \\ . \\ . \\ . \\ {\hat{x}}_{n} \\ {\hat{y}}_{n} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a (t_{1}) \\ a (t_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ a (t_{m}) \end{matrix})

m的最小取值为m=2n，t₁，t₂，…t_m为采样时间点；

和为频率为f_i的误差信号正弦和余弦部分的幅值的估计值；

a(t₁)，a(t₂)，…，a(t_m)为m次采样的误差值；

令

A = (\begin{matrix} \sin (f_{1} t_{1}) & \cos (f_{1} t_{1}) & . . . & \sin (f_{n} t_{1}) & \cos (f_{n} t_{1}) \\ \sin (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{1} t_{2}) & . . . & \cos (f_{1} t_{2}) & \cos (f_{n} t_{2}) \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ \sin (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{1} t_{m}) & . . . & \cos (f_{1} t_{m}) & \cos (f_{n} t_{m}) \end{matrix}),

\hat{p} = (\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{y}}_{1} \\ . \\ . \\ . \\ {\hat{x}}_{n} \\ {\hat{y}}_{n} \end{matrix}),

a_{s} = (\begin{matrix} a (t_{1}) \\ a (t_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ a (t_{m}) \end{matrix})

则

A \hat{P} = a_{s}

可得

由此求得预估计时刻信号；

硅片台的跟踪误差信号b与掩模台的跟踪误差信号a一样经预测模块w，对其主要频率成分进行预估计；

预估计的掩模台跟踪误差以及预估计的硅片台跟踪误差