深紫外準分子激光實時曝光劑量控制演算法研究

知識 06-22

1、引言

曝光劑量是光刻機極為重要的一個特徵 , 是指在曝光過程中矽片單位面積上光刻膠所吸收的特定波長的光能量, 即矽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定性。

目前光刻技術已從步進曝光方式發展為掃描曝光方式, 普遍採用波長248 nm 和193 nm 的深紫外準分子激光。由於預熱、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衝能量波動和平均脈衝能量漂移, 除此之外還有能量超調(o vershot)現象。能量超調是指一組脈衝與一組脈衝之間氣體處於不放電狀態, 導致每一組脈衝的前若干個脈衝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衝, 其累積值就是該點處的曝光劑量。顯然,脈衝能量波動特別是超調現象直接影響最終的曝光劑量, 多個脈衝則能起到平滑效應, 且理論上脈衝個數越大效果越好;但在實際光刻應用中, 單純增加脈衝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。

單脈衝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, 必須採用演算法控制進行補償。為此, 本文提出一種實時劑量控制演算法, 採用閉環反饋控制方式對激光器發出的每個脈衝進行嚴格控制, 以抑制單脈衝能量的隨機波動特別是超調現象;同時儘可能採用少的脈衝個數, 以保證在滿足劑量精度要求的情況下, 儘可能提高光刻生產率和激光器使用效率。

2、實時劑量控制演算法

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。激光器發出的脈衝光束經過光路傳輸系統, 從開口大小可調的狹縫中投影到工件台上, 形成投影光斑。當曝光場前沿與光斑前沿重合時, 掃描開始;此後曝光場勻速經過投影光斑;當曝光場後沿與光斑後沿重合時, 掃描結束。

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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, 激光器的重複頻率f 固定,狹縫等效寬度L 為定值, 工件台以勻速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衝, 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 為脈衝個數, η為光傳輸效率, A 為狹縫等效面積;E(k)為第k 個脈衝的單脈衝能量。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如圖2 所示, 從準分子激光器發出的脈衝激光, 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, 到達能量感測器, 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, 最終投射到矽片表面。光路中安裝有一個能量感測器, 測量每個激光脈衝的能量並結合實時調節演算法, 計算出下一個單脈衝能量的設定值;最後通過能量電壓轉換關係將能量設定值轉換成電壓設定值, 以達到控制激光器單脈衝能量並保證劑量精度的目的。

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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, 能量電壓轉換關係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出一定數量的脈衝, 統計所加電壓, 近似認為在這個範圍內電壓與能量為線性關係, 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係。經過校準後, 若給定某個脈衝能量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激光器單脈衝能量實時控制演算法

實時控制演算法包括隨機波動和能量超調兩部分實時調節演算法。隨機波動實時調節演算法的目的是減小單脈衝能量的隨機波動。待發脈衝能量的設定值偏差源自一組脈衝能量實測值與標稱能量值的偏差累積, 而一組脈衝的個數不超過各點經過掃描狹縫所需的激光脈衝個數N 。待發的每個脈衝因此都受到之前已發多個脈衝的調節, 從而減小了偶然性因素的影響。具體演算法如下:

式中ΔEs(i)為考慮隨機波動的第i 個脈衝的能量設定值偏差;ks 為隨機波動控制調節係數;ε為實測能量等效為激光器輸出能量的係數;Em(f )為第f 個脈衝的實測能量;N 為矽片上每個點經過掃描狹縫所需的激光脈衝個數。

超調演算法的目的是抑制脈衝能量超調現象。超調相對而言是一種局部行為, 其調節可以採用加權移動平均。具體演算法如下:

式中δEs(i)為考慮超調的第i 個脈衝能量設定值偏差;k o 為超調控制調節係數;Es(g)為第g 個脈衝的能量設定值;M 為超調移動平均個數, 一般取值為5 。綜合兩部分演算法, 可以得到準分子激光器單脈衝能量實時調節的綜合控制演算法:

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3、實驗研究與結果分析

為研究準分子激光器的單脈衝能量特性並驗證上述控制演算法, 在一台ArF 準分子激光器上進行了相關實驗, 其波長為193 nm , 標稱脈衝能量5 mJ , 最大重複頻率4 kHz , 功率20 W 。該ArF 準分子激光器上實測的脈衝能量變化曲線如圖3 所示。工作模式為恆電壓控制方式, 高電壓(HV)設定值恆定為1690 V , 重複頻率為4 kHz 。圖3(a)顯示了光刻機步進掃描曝光過程的數據, 每個矽片有70 個曝光場(圖中顯示了其中的20 個), 每個曝光場的脈衝總數為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衝能量變化細節。

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圖3 實測的脈衝能量變化曲線(恆電壓1690 V)

從圖3 可以清楚地看出, 準分子激光器的單脈衝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), 激光器處於不放電狀態, 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下獲得的脈衝能量要高些。此後隨著激光器充放電過程逐漸趨於穩定, 實際脈衝能量也逐漸趨向於其標稱能量值, 但由於各種不確定因素的影響, 脈衝能量總是圍繞其標稱能量進行隨機波動。恆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、激光器重複頻率和標稱脈衝能量等不變的情況下, 對應的狹縫脈衝個數N 分別為10 , 20 ,40 , 60 , 80 和100 。從中可以看出, 曝光劑量是多個脈衝能量的累積, 這種累積對隨機波動起到了很好的平滑效應, 而且脈衝個數越大其平滑效應越明顯。

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圖4 恆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恆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, 儘管脈衝累積對隨機波動確實起到了很好的平滑效應, 但脈衝個數增大到一定程度後, 這種平滑效果趨於平緩。更為重要的是, 由於能量超調現象的存在, 恆電壓控制方式下的劑量精度非常差, 即使在脈衝個數為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, 因而有必要採用高性能的實時演算法進行劑量控制。

表1 恆電壓控制方式下的劑量測量值統計分析結果

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採用本文提出的實時劑量控制演算法獲得的脈衝能量變化曲線如圖5 所示, 即利用本文提出的控制演算法進行激光器外部單脈衝高電壓控制, 其餘實驗參量與圖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衝能量變化細節。劑量控制演算法的相關參量為N =20 , M =5 , ks =0. 8 , ko =0. 8 。

從圖5 中可以明顯看出, 採用本文提出的外部高電壓實時劑量控制演算法, 不僅明顯減小了單脈衝能量的隨機波動, 而且有效抑制了能量超調現象。這在觀察多個脈衝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)對應狹縫脈衝個數分別為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 。

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