CN117406317A - 基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，将所述二维平面光栅的栅线方向调整至与晶圆卡盘的工作方向一致，通过改变二维平面光栅的栅线分布，使得反射光变为携带位移信号的(‑1，‑1)级次的反射光。在保证晶圆卡盘原有工作状态的情况下，对光栅结构进行优化，设计更高衍射效率偏振无关的光栅，并为之设计制作流程，提高光栅的制作精度从而提高光栅周期一致性，最终达到提高定位精度的效果。经过二维光栅方程的计算，携带位移信号的(‑1，‑1)级次的反射光同样满足自准直衍射条件。相较于现有技术，本发明的制造方法可以减小光栅制作的难度，提高光栅周期的一致性从而提高整体定位系统的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，特别涉及一种基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法。
背景技术
随着半导体芯片最小线宽不断下探，性能不断提升，基本符合摩尔定律的趋势，这是半导体光刻工艺、材料科学等多种因素的共同作用，但其中最为关键的一点应归功于光刻机极高的定位精度。目前主流的光刻机晶圆台精密器件主要依托光栅干涉仪，而计量光栅作为光栅位移编码器中的核心元件，其制作精度将直接影响到系统的定位精度，进而影响光刻机的工作状态，如果想要发展高精度的光栅机，就需要设计一种既能满足现在工作需求，又能够减少光栅制作难度的高精度新型光栅。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，解决了相关技术中，无法满足高精度的定位精度的问题。
本发明的技术方案为：提供一种基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，将所述二维平面光栅的栅线方向调整至与晶圆卡盘的工作方向一致，通过改变二维平面光栅的栅线分布，使得反射光变为携带位移信号的(-1，-1)级次的反射光。
进一步，所述二维平面光栅的入射方位角为斜45°入射，且入射角为自准直角度。
进一步，所述二维平面光栅的反射光为(-1，-1)级次的衍射光。
进一步，所述二维平面光栅的(-1，-1)级反射光满足TE、TM偏振均具有高衍射效率。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明的基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，将所述二维平面光栅的栅线方向调整至与晶圆卡盘的工作方向一致，可以有效的减少制造时间，从而减少环境对其影响；通过改变二维平面光栅的栅线分布，使得原本的携带位移信号的(-1，0)级次的反射光变为携带位移信号的(-1，-1)级次的反射光，在保证晶圆卡盘原有工作状态的情况下，对光栅结构进行优化，设计更高衍射效率偏振无关的光栅，并为之设计制作流程，提高光栅的制作精度从而提高光栅周期一致性，最终达到提高定位精度的效果。经过二维光栅方程的计算，携带位移信号的(-1，-1)级次的反射光同样满足自准直衍射条件。相较于现有技术，本发明的制造方法可以减小光栅制作的难度，提高光栅周期的一致性从而提高整体定位系统的测量精度。
本发明的基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，与现有技术相比，现有技术中光栅的栅线方向与晶圆卡盘的工作方向呈45°夹角，而本申请的二维平面光栅的栅线方向平行于晶圆卡盘的工作方向，缩短了扫描-步进的时间，降低了环境波动带来的光栅周期一致性误差，因此非常有利于提高二维平面光栅的定位精度。同时，dx＝√2d0，意味着步进的次数会更进一步减少，直写时间也更短。同时光栅周期越大，对于直写激光点阵的聚焦要求越低，利用同样的焦面跟踪系统将得到更高的栅线控制精度。这样既不改变光刻机高精度定位系统的使用状态，同时降低了二维平面光栅的制造难度，提高了光栅周期一致性，因此是对ASML光刻机系统中二维平面光栅制造方法的重要改进。
附图说明
图1为现有技术的二维平面光栅制造方法示意图。
图2为图1中二维平面光栅的栅线俯视图。
图3为本发明的二维平面光栅制造方法示意图。
图4为图2中二维平面光栅的栅线俯视图。
图5为本发明实施例中的二维平面金属介质光栅的结构示意图。
图6为图5中单个光栅的俯视图。
图7为本发明实施例中另一二维平面金属光栅的结构示意图。
图8为图7中单个光栅的俯视图。
具体实施方式
下为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例为高精度二维平面光栅的制造方法，解决半导体光刻系统相关器件的制造难题，尤其是定位精度的难题。
当前，光刻机晶圆卡盘通常采用多轴双频激光干涉仪测量其六自由度位移，通过多个干涉仪的读数解算晶圆卡盘六自由度位移，然而激光干涉仪容易受到环境影响，并且较重的反射镜会影响晶圆卡盘的运动性能。因此逐渐采用光栅干涉仪来代替激光干涉仪，这主要在于光栅干涉仪光路短，稳定性好并且安装便利，但是对于光栅干涉仪而言，实现多自由度的测量，亚纳米的精度以及大行程的测量，仍然面向不小的挑战。
二维光栅相较于一维光栅而言，在XY方向上均呈现周期性结构，因可以更容易满足精密位移测量中单点多自由度的测量需求，并且采用littrow角度入射到二维光栅上，入射光和反射光处于同一平面上，满足光栅的自准直条件，可以有效的减少阿贝误差。
参照图1和图2，图1和图2为现有技术，1为光栅栅线方向，2为晶圆卡盘，a为光线入射角度，b为测量光线方向与晶圆卡盘运动方向为45°的关系，d0为光栅沿光入射方位角上的周期，x和y分别代表着晶圆卡盘的运动方向。目前高端光刻机的主要供货商ASML指出，二维平面光栅及其读数系统分布在晶圆卡盘(chuck)的四个角落，为了提高卡盘的热膨胀稳定性，测量方向与晶圆卡盘中心正切。这意味着测量方向不是晶圆卡盘的运动方向，而是与两个方向X-Y夹45°角。为了满足切向测量的要求，激光入射平面与光栅周期方向一致，当波长为λ的激光束以littrow角入射到反射式的二维平面光栅上，满足自准直衍射条件，即衍射角与入射角相同，根据二维光栅方程计算可得，自准直条件为sinθ＝λ/2d0。利用激光直写技术制造二维平面光栅时，扫描步进的方向为L型基片的对角方向。因此，该方案一个显而易见的问题是，相比栅线与X-Y方向一致的情况，需要扫描的距离和步进次数都增加了，这会延长制造时间，引入更多运动控制误差以及环境影响，从而导致光栅周期一致性的降低。
本发明的基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，将所述二维平面光栅的栅线方向调整至与晶圆卡盘的工作方向一致，通过改变二维平面光栅的栅线分布，使得反射光变为携带位移信号的(-1，-1)级次的反射光。
参考图3和图4所示，图3和图4为本实施例的图，1为光栅栅线方向，2为晶圆卡盘，a为光线入射角度，b为测量光线方向与晶圆卡盘运动方向为45°的关系，dx,dy分别代表着二维光栅在X-Y方向上的周期，d代表着光栅沿光入射方位角上的周期，x和y分别代表着晶圆卡盘的运动方向；激光面与运动方向呈现45°的夹角，带入二维光栅方程中，当衍射角与入射角相同时候，入射角满足sinθ＝λ/√2dx,仍然满足自准直条件，而此时周期满足d＝我们将光栅周期方向改为与运动方向一致，同时X-Y方向周期变为原来的倍,并且在使用时选择45°方位角。这样在使用激光直写制作大尺寸光栅的时候，可以有效的减少二维平面光栅的制造难度，提高光栅周期的一致性。
本实施例公开的基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，是对于现在光刻机定位系统的改进，从二维光栅制造方法出发，通过改变二维平面光栅的栅线方向，优化大尺寸光栅的制作工艺，在不改变光刻机原有的工作状态的情况下，X-Y方向的周期变为原有光栅周期的√2倍，就是在进行扫描干涉光刻的时候，步长变为原来的√2倍，可以减少光刻的时间从而减少环境带来的影响，除此之外制作的过程中的周期变大，也意味着对焦面的聚焦难度降低，进一步提高光栅的制作精度。在这之后，设计与之对应的二维平面光栅，也就是采用斜45°方位角并且满足自准直条件时，使得(-1，-1)级衍射级次作为测量光，在满足光栅自准直条件的同时，采用不同的光栅参数，使得光栅同时具备高衍射效率和偏振无关特性，有利于后期信号的采集和分析。并且设计的二维平面光栅，光栅结构稳定，制作成本较低，是一种非常适用于精密位移测量的理想衍射光学元件。综上所述，该方案是对于光刻机定位系统中二维平面光栅的制造方法的优化，不仅在制作方面减少了环境带来的影响，并且在结构方面也提出了新的优化结构，这是对光刻机定位系统的巨大改进。
在一些实施例中，所述二维平面光栅的入射方位角为斜45°入射，且入射角为自准直角度。
在一些实施例中，所述二维平面光栅的反射光为(-1，-1)级次的衍射光。
在一些实施例中，所述二维平面光栅的(-1，-1)级反射光满足TE、TM偏振均具有高衍射效率。
示例性的，下文给出了两种具体的二维平面光栅，以便于理解本发明的技术方案。
请参阅图5和图6，本实施例展示了一种基于圆台阵列的斜45°方位角反射式二维金属介质光栅，其中，3代表入射光束，4代表出射光束，5代表折射率为n1＝1的均匀空气层，6代表层光栅区域(折射率为n2＝1.49)，7代表调制连接层区域(折射率为n3＝1.456)，8代表光栅的高反射层区域(折射率为n4＝0.056440+i4.2698)，dx,dy分别代表着二维光栅在X-Y方向上的周期，d-代表着光栅沿光入射方位角上的周期，f-代表光栅的占空比，θ-代表光的入射角度，h1-代表反射层的厚度，h2-代表调制层的厚度，h3-代表光栅层表面圆柱的高度；反射层材料为金属银，厚度为h1。调制层材料为SiO2，厚度为h2，表面结构为圆台状，材料为PMMA,深度为h3，周期为d，占空比为f,在斜45入射的情况下该光栅结构具有626-635纳米的波长带宽，光栅的周期d为1190-1208纳米，占空比f为0.45-0.465，调制层的深度h2为250～300纳米，光栅深度h3为745-800纳米。
在本实施例中，具体的，光栅的周期光栅在d为1201纳米,反射层Ag层的厚度h1为200纳米,中间调制层SiO2层的厚度h2为268纳米,表面光栅层的厚度h3为778纳米,且圆柱的占空比f＝0.46。当入射光波长为632纳米，入射方位角度为斜45°时，(-1，-1)级次的反射光TE的效率为95.04％，TM的衍效率为95.01％，其中的平衡率为99.99％。在实际应用中超高的衍射效率和偏振无关特性将有利于提高信号的对比度，并且降低频噪音带来的影响。而足量的带宽，可以降低光栅的制造难度。
利用微光学技术制造圆柱结构的二维金属介质光栅，首先在干燥、清洁的石英玻璃基片上使用电子束蒸发镀膜的方式镀上银膜，其次再使用化学沉积的方式在Ag膜的表面进行化学沉积Sio2，接下来在表面旋涂上正光刻胶(950PMMAA7)，然后采用电子束直写的方式，采用合适的加速电压和电子束流对其进行曝光。接着显影之后会在表面形成圆柱槽形的光刻胶光栅。至此就可以得到高密度的二维圆柱结构的光栅，在制作的过程中，需要严格控制光刻胶的厚度，曝光剂量以及显影定影的时间，并且使用椭偏仪去精准的测量基底上各膜层的厚度和表面的平整度，使得在多膜层的情况下能保证光栅结构的制作精度。
请参照图7和图8，本实施例提供一种基于圆台阵列的斜45°方位角反射式二维金属光栅，其中，3代表入射光束，4代表出射光束，5代表折射率为n1＝1的均匀空气层，6代表层光栅区域(折射率为n2＝0.14447+i11.366)，9代表光栅基底区域(折射率为n2＝0.14447+i11.366)，dx1,dy1分别代表着二维光栅在X-Y方向上的周期，d1-代表着光栅沿光入射方位角上的周期，f-代表光栅的占空比，-代表光的入射角度，α-代表圆台的倾斜角度，h-代表光栅深度；二维金属介质光栅基底是石英，表面是金属银，表面结构为圆台状，高度为h，周期为d1，占空比为f,在斜45入射的情况下该光栅结构具有1547-1560纳米的波长带宽，光栅的周期dx1为1120～1140纳米，占空比f为0.18-0.2，光栅深度h为1310-1360纳米。
在本实施例中，具体的，光栅的周期d1为1593纳米，占空比f为0.135，光栅高度h为1340纳米，当入射光波长为1550纳米，入射方位角度为斜45时，(-1，-1)级次的反射光TE的效率为83.4％，TM的衍效率为82.4％，其中的平衡率为98.8％。同样能够实现高衍射效率以及偏振无关特性。
利用微光学技术制造圆柱结构的二维金属光栅，首先在干燥、清洁的石英玻璃基片上旋涂上正光刻胶(950PMMAA7)，然后采用电子束直写的方式，采用合适的加速电压和电子束流对其进行曝光。接着显影后，在基底表面形成圆柱结构的光刻胶光栅。最后将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中以一定角度进行一段时间的等离子体刻蚀(或使用反应离子束刻蚀)，把光栅图案转移到石英上，再用丙酮、酒精将基底表面剩余的光刻胶去除，就得到高密度深刻蚀圆柱结构的光栅，在此之后需要在光栅的表面进行镀上Ag膜，在制作的过程中，需要严格控制光刻胶的厚度，曝光剂量，以及刻蚀速率和刻蚀时间，使得在较大光栅深度的情况下能保持光栅槽型的圆柱形状。
在设计不同的结构的光栅时，选择合适的光栅周期，表面材料以及各种光栅槽型，并通过严格耦合波理论【M.G.Moharam etal.J.Opt.Soc.Am.A,12,1077(1995)】计算得出光栅在不同波段的衍射效率。然后采用模拟退火算法【W.Goffe et al.,J.Econometrics60,65-99(1994)】进行优化，从而得到在斜45°入射下(-1，-1)级高效率衍射偏振无关光栅。
表1给出了本发明中关于图5和图6中对应二维金属介质光栅的一系列实施例，表中d-代表光栅周期，f-代表光栅的占空比，θ-代表光的入射角度，h1-代表反射层的厚度，h2-代表调制层的厚度，h3-代表光栅层表面圆柱的高度，η为出射光的衍射效率。在制作本发明用于斜45°方位角入射光栅的过程中，只需适当的选择光栅的周期d、占空比f、反射层的厚度h1、调制层的厚度h2、光栅层的深度h3就可以在一定的带宽内得到高效率衍射。
表2给出了本发明中关于图7和图8中对应二维金属光栅的一系列实施例，给出了本发明的一系列实施例，表中d1为光栅周期，f1为光栅占空比，θ为光栅的倾斜角，h为介质折射率为n2的光栅深度，η为出射光的衍射效率。在制作本发明用于斜45°方位角入射光栅的过程中，只需适当的选择光栅的周期d1、占空比f1、倾斜角θ、光栅深度h就可以在一定的带宽内得到高效率衍射。
表1.不同参数的金属介质光栅的衍射效率数值表
表2.不同参数的金属圆台光栅的衍射效率数值表
Claims (4)
1.基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，其特征在于，
将所述二维平面光栅的栅线方向调整至与晶圆卡盘的工作方向一致，通过改变二维平面光栅的栅线分布，使得反射光变为携带位移信号的(-1，-1)级次的反射光。
2.根据权利要求1所述的基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，其特征在于，所述二维平面光栅的入射方位角为斜45°入射，且入射角为自准直角度。
3.根据权利要求1所述的基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，其特征在于，所述二维平面光栅的反射光为(-1，-1)级次的衍射光。
4.根据权利要求1所述的基于光刻机晶圆卡盘定位系统的二维平面光栅制造方法，其特征在于，所述二维平面光栅的(-1，-1)级反射光满足TE、TM偏振均具有高衍射效率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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