超精密掩模台位移测量系统热漂移研究

云攀攀，张文涛，王献英

（1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.上海微电子装备（集团）股份有限公司，上海 201203）

0 引言

随着信息技术产业的快速发展，现代工业领域对高端半导体集成电路的需求日益增长。国内的高端半导体器件主要依赖于进口，2018年国内的集成半导体器件进口总值超过了3千亿美元。光刻机是超大规模集成电路制造环节的核心设备，也是技术含量最高的设备[1]。

由于光刻机所涉及的技术难度较大，研发成本极高，国内的光刻机设备制造商较少。目前，国内SMEE公司研制的SSA600型光刻机代表了国内最高水平，可实现90nm制程，与国际先进水平相比差距较大。高端光刻机的研制已上升为国家战略需求，“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”科技重大专项（02专项）明确将28nm浸没式扫描光刻机作为专项的标志性目标成果[2]。光刻机包含了多项先进技术，其中精密位移测量技术应用于掩模台和工件台的位置测量，其测量性能决定了光刻机的套刻精度，也决定了光刻质量。

光栅位移测量系统以光栅栅距作为测量基准，可实现纳米以上量级分辨力。其测量过程中光程固定不变，而且光程很短。在工作中受环境影响较小，弥补了激光干涉仪位移测量方案的不足[3]。

本文针对28nm浸没式扫描光刻机掩模台的光栅干涉仪位移测量系统，搭建了一套热漂移测试平台，开展了系统热漂移研究，并进行了热漂移测试实验和结果分析。

1 系统原理与热漂移误差分析

1.1 系统原理

光栅和读数头是光栅干涉仪测量系统的核心元件。光栅采用反射式二维光栅，栅距为1μm。读数头主要由分光镜、角锥棱镜、检偏器、反射镜、光纤耦合器等器件组成。该读数头采用在X向和Y向分别布置两个对称角锥棱镜和检偏器的测量方案。通过X向和Y向的二次衍射光相互干涉形成拍频信号，从而实现4倍光学细分。对称式光路的设计可有效的削弱死程误差带来的影响。此外，利用分光镜分出的一束双频激光作为参考光信号，可用于补偿光纤传输引起的相位误差。

以Y向为例，其读数头的光学元件布局以及光路如图1所示。双频激光器输入固定频差的双频正交偏振激光，频率为f1、f2，频差为20MHz，波长为632.99nm。经过分光镜后，分为参考光和测量光，参考光（f1、f2）通过分光镜以及光纤耦合器后，由光纤传导至相位计数卡内，f1与f2的差频作为参考量并进行相位计数，经过电子细分后，记其相位计数值为Nr。

测量光垂直入射至二维光栅表面A点，在X向、Y向上分别发生衍射。沿Y方向，取其+/-1级的衍射光。经过角锥棱镜反射和检偏器后，Y+/-1级衍射光只保留频率为f1的光束，并入射至光栅表面B点，在B点发生二次衍射。

X向与Y向同理。在A点发生衍射后X向仅取其+1级衍射光，并只保留频率为f2的光束。在B点发生二次衍射后，通过光纤耦合器，X向+1级与Y向+1级的二次衍射光发生干涉形成拍频信号，记其相位计数值为N1；X向+1级与Y向-1级的二次衍射光发生干涉形成拍频信号，记其相位计数值为N2。当光栅与读数头发生相对移动时，由于多普勒频移效应[4]，衍射光的相位会发生改变，可得相位计数值与位移之间的表达式如下：

图1 光栅干涉仪位移测量系统原理示意图Fig.1 Schematic diagram of grating interferometer displacement measurement system

其中，SX，SY为光栅在X向，Y向的位移变化量，式中P为光栅栅距，R为电子细分数，L为光学细分数倍数。根据相位计数卡输出的相位计数值，即可计算出光栅的位移量。

通过上式，可得系统分辨力RS表达式：

其中：P=1μm；R=2π/2048；L=4；带入上式可得Rs=0.12nm，即系统的理论分辨力为0.12nm。

1.2 热漂移误差分析

光栅干涉仪位移测量系统在工作过程中，温度的波动能够引起光学元件的热膨胀，使材料产生热形变。同时，温度的变化也会引起光学元件折射率的变化。用光热膨胀系数综合反映这两种变化的敏感程度大小，并进行折射元件和衍射元件的温度特性分析[5]。

设光学元件的热膨胀系数用αg表示，折射率随温度的变化率用dn/dT表示，空气中薄透镜的焦距用fr表示，则热膨胀系数可用如下表达式表示：

其中，r1，r2为透镜表面的曲率半径，当温度的变化量为ΔT时，透镜面形以及材料折射率会发生改变，其表达式为：

折射透镜的光热膨胀系数Xfr可以表示：

通过以上各式，分析可得折射透镜的光热膨胀系数由光学元件自身的热膨胀系数和折射率随温度的变化率决定。同理，可以推导出衍射透镜的光热膨胀系数。记衍射透镜的光热膨胀系数为Xfd，rp表示波带周期的半径，衍射透镜的焦距为fd，其表达式：

通过以上各式可知，衍射透镜的光热膨胀系数由光学元件自身的热膨胀系数决定。为了避免光栅的热膨胀对测量精度的影响，该系统的所用光栅采用热膨胀系数小于2×10-8/K的玻璃基底。故系统的热漂移误差主要来源于读数头内的折射光学元件。

2 热漂移测试实验

2.1 实验平台搭建

为了测试该光栅干涉仪位移测量系统的热漂移误差，搭建了一套热漂移测试平台。其3D设计模型如图2所示。

将读数头固定在装置内部，光栅安装在读头上方，其测量工作间距为20mm。光栅通过水平方向和垂直方向的3个弹性柱塞进行压紧，使读数头与光栅之间保持相对固定。装置使用低膨胀系数的殷钢材料和高精密机床加工制造而成。

基于该实验装置，搭建了如图3所示的热漂移测试平台，整个测试平台处于环境可控的无尘实验室里，将装置的整体框架布置在高性能隔振平台上，使框架与隔振器形成一个稳定的系统基准。将高精度温度传感器布置在读数头附近，实时采集测量过程中的温度数据。

图2 实验装置3D设计模型Fig.2 Experimental device 3D design model

图3 光栅干涉仪位移测量系统热漂移测试平台Fig.3 Grating interferometer displacement measurement system thermal drift test platform

图4 温度测量数据Fig.4 Temperature measurement data

2.2 实验与结果分析

通过对热漂移误差的分析可知，衍射透镜的光热膨胀系数只与光学材料的热膨胀系数有关。本系统所用的二维光栅选用了低膨胀系数的玻璃材料作为基底，其热膨胀系数小于2×10-8/K。为了排除固定装置自身的热膨胀带来的影响，采用热膨胀系数很低的殷钢材料。

热漂移实验过程如下，设置采样频率为10Hz，采样时间为5h，其温度结果如图4所示。由图可知在5个小时的采样时间内，温度整体单调下降了0.14K。

图5 X向位移测量数据Fig.5 X-Direction displacement measurement data

图6 Y向位移测量数据Fig.6 Y-Direction displacement measurement data

在5小时的采样时间内，同时测得X向位移数据如图5所示，Y向位移数据如图6所示，位移有明显的漂移趋势。通过移动平均（Moving Average，MA）算法处理之后，可得X向位移的热漂移量为2.5nm，Y向位移的热漂移量为5.8nm。

设位移热漂移系数为D，温度变化量为ΔT，则由热漂移引起的位移变化量ΔS：

通过热漂移测试数据，分析可得系统在X向的热漂移系数为17.86nm/K，在Y向的热漂移系数为41.43nm/K。28nm浸没式扫描光刻机的整机环境下，掩模台的测量环境的温度波动可控制在5mK以内。带入上式可得在整机环境下，系统的热漂移在X向可控制在0.09nm以内，Y向可控制在0.21nm以内，其量级均小于1nm，满足掩模台亚纳米位移测量精度需求。

3 结束语

光栅干涉仪位移测量系统采用外差对称式四倍光学细分的光路设计和栅距为1μm的二维光栅，配合使用2048倍电子细分的相位计数卡，其系统分辨力达到了0.12nm。通过热漂移测试实验，在掩模台整机工作环境下，系统位移测量热漂移量级在亚纳米级别，满足掩模台测量精度需求。为实现系统更高的测量精度，接下来将对该系统开展更多的测试与误差研究，诸如系统稳定性，环境鲁棒性以及光纤误差等方面。