硅片调焦调平测量系统测试平台

1 引言

硅片调焦调平测量系统在光刻机中用来测量硅片表面相对于投影物镜的高度和转角（z和θx、θy)，与工件台垂向3个执行器构成反馈系统，实时控制硅片的垂向位置，保证硅片当前场在曝光过程中始终处于投影物镜的焦深范围内[1]，因此，调焦调平测量系统的性能直接影响了光刻机的曝光质量。为了验证调焦调平测量系统的性能，在它集成到光刻机之前，必须模拟其工作环境对其关键性指标进行检测。工作环境的模拟包括硅片在曝光过程中的三自由度的运动和温度、湿度、气压等条件。由于调焦调平测量系统的精度、重复性要求非常高，因此，测试平台沿z和θx、θy方向需要具有更高的运动精度和高于调焦调平测量系统的测量精度，并且整个平台必须具有很好的稳定性。

2 硅片调焦调平测量原理

硅片调焦调平测量系统采用光学成像的传感原理，测量硅片相对于投影物镜的高度和转角。如图1所示，光源发出的光分为测量光束和参考光束，经光阑后分别形成多束光。测量光束聚焦成像后斜入射到硅片表面，经硅片反射后，由光学放大系统成像在光电探测器上[2]；参考光束聚焦成像后斜入射到投影物镜，反射后同样成像在光电探测器上。光电探测器实现光信号向电信号的转换，并最终获得硅片相对于投影物镜的高度变化量。利用多点高度值可以计算出硅片的转角。参考光束通过补偿调焦调平测量系统自身位置的漂移，提高系统的测量精度和稳定性。现有步进扫描投影光刻机调焦调平测量系统的精度优于20 nm，测量范围大于500 μm。

3 测试平台原理

测试平台在模拟光刻机的工作环境下，采用激光干涉仪作为主要测量仪器。高精度三轴（z和θx、θy)运动台模拟光刻机工件台的垂向运动，由激光干涉仪和硅片调焦调平测量系统同时对硅片的运动量进行测量，通过比较测量结果来评价调焦调平测量系统的性能。

由于硅片表面反射率较小，对垂直入射的激光束不能完全反射，因而不能作为激光干涉仪的测量面[3]，故以承片台上表面代替，记为参考面。调焦调平测量系统的测量面是硅片上表面，如图2所示。测量面和参考面之间存在着高度差，但由于硅片和承片台靠真空吸附在一起，它们之间没有相对位移，把承片台和硅片的位移量作为测量基准，则测量面和参考面之间的高度差不影响系统测量的准确性。

在调焦调平测量系统的测试范围内，驱动三轴运动台上下移动，在任意位置等台子稳定后同时读取调焦调平测量系统和激光干涉仪的读数，通过比较测量结果评价调焦调平测量系统沿z向的测量精度。测量系统中三束激光的位置关系固定不变，根据干涉仪测得的三点相对高度能够计算出承片台的转角θx、θy。同时，三轴运动台具有很高的运动精度，其偏转量可以作为激光干涉仪测量值的参照。对转角θx和θy进行测量时，驱动三轴运动台使硅片偏转，通过比较调焦调平测量系统所测得硅片的转角和激光干涉仪测得的承片台的转角，可以检测调焦调平测量系统沿θx和θy方向的测试范围和测量精度。

4 测试平台系统结构

测试平台由测量单元、运动单元、减震单元和微环境单元四部分组成，如图3所示。

测量单元包括模拟物镜、激光干涉仪、支架、承片台和硅片。模拟物镜固定在支架上，其底端安装1个与实际物镜底端镜片反射率相同的反射镜，用于模拟实际物镜最底端镜片对调焦调平测量系统参考光的反射功能[4]。测量承片台运动量的3个激光干涉仪沿轴向均布于模拟物镜周围。作为激光干涉仪测量面的承片台，采用上表面镀有高反射率介质膜的微晶玻璃材料加工而成，通过中间的2个气环抽取真空将测试用硅片吸附于承片台上表面，防止测试过程中三轴运动台的快速移动引起硅片相对于承片台的位移。

运动单元只有1个高精度三轴运动台，用于驱动硅片，其内部的3个运动执行器采用压电陶瓷制作，并配有3个并联的电容传感器为执行器提供闭环测量信号，三轴运动台沿θx和θy方向的运动精度高于调焦调平测量系统的测量精度。

减震单元位于最底端，包括气浮减震台和大理石板。采用气浮主动减震可以消除地基震动对测量系统的影响，提高测试平台的稳定性[5]。

微环境单元由布置在测试平台周围的散热片和用于将测试平台密封的玻璃罩构成，为测试平台提供所需要的温度、湿度、气压等条件。

5 测试平台控制结构

测试平台控制系统主要由VME机箱、工控机和三轴运动控制器3部分组成，如图4所示。VME机箱是整个系统的核心控制部件，其内部的3个干涉仪数据采集卡实时采集激光干涉仪所测得的数据。调焦调平测量系统控制卡用于控制调焦调平测量系统内部传感器的数据采集和计算。PPC板是整个VME机箱的主CPU板，负责对机箱内各板卡进行设置，同时将它们采集到的数据向外界传送。工控机用来监控测试平台的数据，并对各控制器进行设置。激光干涉仪的测量精度受环境因素影响很大，为了补偿由环境变化引起的测量误差，干涉仪光路附近布置了高精度的温度和气压传感器，工控机把传感器测得的当前环境温度和气压值转换成环境补偿系数来修正激光干涉仪的测量值。

三轴运动控制器控制三轴运动台沿z和θx、θy方向运动，同时把三轴运动台的当前位置信息传送给工控机。在实际测试过程中，系统以该值作为激光干涉仪测量值的参照。

6 测试平台控制模型

驱动三轴运动台将硅片调整到最佳焦平面位置附近，建立如图5所示的坐标系，使xoy面和承片台上表面重合，z轴通过硅片中心。把激光干涉仪计数值清零，则测试过程中干涉仪的读数h即为测量点的z坐标值。当干涉仪在测量系统中安装好后，三束测量光的位置关系便随之固定，承片台上下移动或偏转时，测量点S1、S2、S3的z、y坐标值始终保持不变，如图6所示。

根据干涉仪的安装位置及光轴在干涉仪上的布置形式，可以确定三光斑的x、y坐标值。设参考面(即承片台上表面)所在平面的方程为：z=ax+by+c，若承片台运动到任一位置时干涉仪在参考面上的3个测量点的坐标值分别为：S1(x1，y1，z1)、S2(x2,y2，z2)和S3(x3，y3，z3),则参考面中心点的高度和参考面的转角应分别为：

由上式可以根据干涉仪的测量值计算出承片台沿z和θy、θx方向的运动量。

7 测试结果分析

在任意位置对激光干涉仪的测量值和三轴运动台的位移量进行比较，以评估测试平台性能。首先在假定的最佳焦平面处将激光干涉仪计数值清零，然后驱动三轴运动台沿z向运动50 μm、θx向偏转100 mrad、θx向偏转-100 mrad，激光干涉仪的测量值和运动台的位移量如图7所示：

由以上图表可知：干涉仪测得的承片台运动量"Laser"曲线和三轴运动台的位移量"Stage"曲线在一定误差范围内相吻合。测试平台沿z向的测量精度小于±4 nm，沿θx和θy方向的测量精度小于±O．05 urad，远远高于调焦调平测量系统的测量精度，其测量结果可以作为调焦调平测量系统性能的评估依据。

8 结束语

硅片调焦调平测量系统测试平台是用于对光刻机调焦调平测量系统的关键指标进行测试。为了便于功能扩展，该平台在设计时预留了离轴对准模块的安装接口和水平位移平台的安装空间，同时，对承片台2个相邻侧面也进行了抛光镀膜，可以作为激光干涉仪的测量面。对离轴对准模块进行测试时，用激光干涉仪能够精确测量承片台沿x向和y向的运动量。测试平台在满足需求的同时还可以进行功能扩展，是整个光刻机研制过程中一个重要的辅助系统。