1、引言
式中D 為曝光劑量;T 為曝光時(shí)間;I 為曝光光強(qiáng), 是時(shí)間t 的函數(shù)。曝光劑量直接影響光刻機(jī)的性能指標(biāo), 如關(guān)鍵尺寸(Critical dimension , CD)、關(guān)鍵尺寸均勻性、生產(chǎn)效率等, 必須加以嚴(yán)格控制, 才能實(shí)現(xiàn)最佳的曝光均勻性和穩(wěn)定性 。
目前光刻技術(shù)已從步進(jìn)曝光方式發(fā)展為掃描曝光方式, 普遍采用波長(zhǎng)248 nm 和193 nm 的深紫外準(zhǔn)分子激光 。由于預(yù)熱、氣體退化或更新、以及運(yùn)行時(shí)間等因素影響, 準(zhǔn)分子激光器總會(huì)存在單脈沖能量波動(dòng)和平均脈沖能量漂移, 除此之外還有能量超調(diào)(o vershot)現(xiàn)象。能量超調(diào)是指一組脈沖與一組脈沖之間氣體處于不放電狀態(tài), 導(dǎo)致每一組脈沖的前若干個(gè)脈沖在相同的高電壓下輸出能量值要高很多, 超調(diào)幅度可達(dá)20 % 。掃描曝光時(shí), 曝光場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)勻速經(jīng)過(guò)曝光狹縫, 從而接收到一定數(shù)量的脈沖, 其累積值就是該點(diǎn)處的曝光劑量 。顯然,脈沖能量波動(dòng)特別是超調(diào)現(xiàn)象直接影響最終的曝光劑量, 多個(gè)脈沖則能起到平滑效應(yīng), 且理論上脈沖個(gè)數(shù)越大效果越好;但在實(shí)際光刻應(yīng)用中, 單純?cè)黾用}沖個(gè)數(shù)往往通過(guò)調(diào)整衰減片角度來(lái)實(shí)現(xiàn), 其結(jié)果是降低光刻生產(chǎn)率且增加激光器能耗。
單脈沖能量波動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象是準(zhǔn)分子激光器的固有特性, 通過(guò)改善激光器本身性能特別是從光學(xué)上改善其性能尚不足以消除這種現(xiàn)象及其不利影響, 必須采用算法控制進(jìn)行補(bǔ)償 。為此, 本文提出一種實(shí)時(shí)劑量控制算法, 采用閉環(huán)反饋控制方式對(duì)激光器發(fā)出的每個(gè)脈沖進(jìn)行嚴(yán)格控制, 以抑制單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng)特別是超調(diào)現(xiàn)象;同時(shí)盡可能采用少的脈沖個(gè)數(shù), 以保證在滿足劑量精度要求的情況下, 盡可能提高光刻生產(chǎn)率和激光器使用效率。
2、實(shí)時(shí)劑量控制算法
2. 1光刻機(jī)掃描曝光模型
掃描曝光過(guò)程的抽象模型如圖1 所示。激光器發(fā)出的脈沖光束經(jīng)過(guò)光路傳輸系統(tǒng), 從開口大小可調(diào)的狹縫中投影到工件臺(tái)上, 形成投影光斑。當(dāng)曝光場(chǎng)前沿與光斑前沿重合時(shí), 掃描開始;此后曝光場(chǎng)勻速經(jīng)過(guò)投影光斑;當(dāng)曝光場(chǎng)后沿與光斑后沿重合時(shí), 掃描結(jié)束。
在掃描曝光過(guò)程中, 激光器的重復(fù)頻率f 固定,狹縫等效寬度L 為定值, 工件臺(tái)以勻速v 經(jīng)過(guò)掃描狹縫, 則曝光場(chǎng)中每個(gè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)都接收到相同數(shù)量的脈沖, 其個(gè)數(shù)N 為
2.2光刻機(jī)劑量控制器結(jié)構(gòu)
掃描投影光刻機(jī)劑量控制系統(tǒng)如圖2 所示, 從準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的脈沖激光, 先經(jīng)過(guò)底端照明光路(包括光束擴(kuò)充鏡組、定位定向鏡組、縮放錐形鏡組等)和可變透過(guò)率衰減片, 到達(dá)能量傳感器, 再經(jīng)過(guò)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, 最終投射到硅片表面。光路中安裝有一個(gè)能量傳感器, 測(cè)量每個(gè)激光脈沖的能量并結(jié)合實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)算法, 計(jì)算出下一個(gè)單脈沖能量的設(shè)定值;最后通過(guò)能量電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系將能量設(shè)定值轉(zhuǎn)換成電壓設(shè)定值, 以達(dá)到控制激光器單脈沖能量并保證劑量精度的目的。
劑量控制器的結(jié)構(gòu)如圖2 中虛框所示, 其中, 能量電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系是通過(guò)校準(zhǔn)和標(biāo)定流程來(lái)獲得的。激光器一般有三個(gè)指標(biāo):最小、最大和標(biāo)稱能量, 校準(zhǔn)時(shí)使激光器分別以這三個(gè)量值發(fā)出一定數(shù)量的脈沖, 統(tǒng)計(jì)所加電壓, 近似認(rèn)為在這個(gè)范圍內(nèi)電壓與能量為線性關(guān)系, 通過(guò)在兩極值點(diǎn)間線性插值, 得到一組電壓與能量的匹配關(guān)系。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后, 若給定某個(gè)脈沖能量E , 則其對(duì)應(yīng)的電壓值V 為
2.3激光器單脈沖能量實(shí)時(shí)控制算法
實(shí)時(shí)控制算法包括隨機(jī)波動(dòng)和能量超調(diào)兩部分實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)算法。隨機(jī)波動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)算法的目的是減小單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng)。待發(fā)脈沖能量的設(shè)定值偏差源自一組脈沖能量實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱能量值的偏差累積, 而一組脈沖的個(gè)數(shù)不超過(guò)各點(diǎn)經(jīng)過(guò)掃描狹縫所需的激光脈沖個(gè)數(shù)N 。待發(fā)的每個(gè)脈沖因此都受到之前已發(fā)多個(gè)脈沖的調(diào)節(jié), 從而減小了偶然性因素的影響。具體算法如下:
式中ΔEs(i)為考慮隨機(jī)波動(dòng)的第i 個(gè)脈沖的能量設(shè)定值偏差;ks 為隨機(jī)波動(dòng)控制調(diào)節(jié)系數(shù);ε為實(shí)測(cè)能量等效為激光器輸出能量的系數(shù);Em(f )為第f 個(gè)脈沖的實(shí)測(cè)能量;N 為硅片上每個(gè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)掃描狹縫所需的激光脈沖個(gè)數(shù)。
超調(diào)算法的目的是抑制脈沖能量超調(diào)現(xiàn)象。超調(diào)相對(duì)而言是一種局部行為, 其調(diào)節(jié)可以采用加權(quán)移動(dòng)平均。具體算法如下:
式中δEs(i)為考慮超調(diào)的第i 個(gè)脈沖能量設(shè)定值偏差;k o 為超調(diào)控制調(diào)節(jié)系數(shù);Es(g)為第g 個(gè)脈沖的能量設(shè)定值;M 為超調(diào)移動(dòng)平均個(gè)數(shù), 一般取值為5 。綜合兩部分算法, 可以得到準(zhǔn)分子激光器單脈沖能量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的綜合控制算法:
3、實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析
為研究準(zhǔn)分子激光器的單脈沖能量特性并驗(yàn)證上述控制算法, 在一臺(tái)ArF 準(zhǔn)分子激光器上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn), 其波長(zhǎng)為193 nm , 標(biāo)稱脈沖能量5 mJ , 最大重復(fù)頻率4 kHz , 功率20 W 。該ArF 準(zhǔn)分子激光器上實(shí)測(cè)的脈沖能量變化曲線如圖3 所示。工作模式為恒電壓控制方式, 高電壓(HV)設(shè)定值恒定為1690 V , 重復(fù)頻率為4 kHz 。圖3(a)顯示了光刻機(jī)步進(jìn)掃描曝光過(guò)程的數(shù)據(jù), 每個(gè)硅片有70 個(gè)曝光場(chǎng)(圖中顯示了其中的20 個(gè)), 每個(gè)曝光場(chǎng)的脈沖總數(shù)為375 , 曝光場(chǎng)之間的時(shí)間間隔為100 ms(圖中以符號(hào)" +"表示曝光場(chǎng)間隔), 即每個(gè)曝光場(chǎng)的掃描時(shí)間為93. 75 ms , 步進(jìn)時(shí)間為100 ms 。圖3(b)顯示了單個(gè)曝光場(chǎng)的脈沖能量變化細(xì)節(jié)。
對(duì)多種劑量需求值下的恒電壓控制方式進(jìn)行了多個(gè)曝光場(chǎng)的步進(jìn)掃描曝光實(shí)驗(yàn), 所得統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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, 盡管脈沖累積對(duì)隨機(jī)波動(dòng)確實(shí)起到了很好的平滑效應(yīng), 但脈沖個(gè)數(shù)增大到一定程度后, 這種平滑效果趨于平緩。更為重要的是, 由于能量超調(diào)現(xiàn)象的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 即使在脈沖個(gè)數(shù)為100 時(shí)劑量精度也僅為11. 9 %, 根本不能滿足亞微米光刻的要求, 因而有必要采用高性能的實(shí)時(shí)算法進(jìn)行劑量控制。
采用本文提出的實(shí)時(shí)劑量控制算法獲得的脈沖能量變化曲線如圖5 所示, 即利用本文提出的控制算法進(jìn)行激光器外部單脈沖高電壓控制, 其余實(shí)驗(yàn)參量與圖3 相同。圖5(a)顯示了光刻機(jī)步進(jìn)掃描曝光過(guò)程的數(shù)據(jù), 圖5(b)顯示了單個(gè)曝光場(chǎng)的脈沖能量變化細(xì)節(jié)。劑量控制算法的相關(guān)參量為N =20 , M =5 , ks =0. 8 , ko =0. 8 。
從圖5 中可以明顯看出, 采用本文提出的外部高電壓實(shí)時(shí)劑量控制算法, 不僅明顯減小了單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng), 而且有效抑制了能量超調(diào)現(xiàn)象。這在觀察多個(gè)脈沖能量的累積和即觀察曝光劑量時(shí)更為顯著, 如圖6 所示, 圖6(a)～ 圖6(f)對(duì)應(yīng)狹縫脈沖個(gè)數(shù)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 。
多種劑量需求值時(shí)外部高電壓實(shí)時(shí)控制方式下的劑量測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2 所示。從中可以看出, 采用本文提出的外部高電壓實(shí)時(shí)控制算法, 曝光劑量可以達(dá)到相當(dāng)高的精度, 在脈沖個(gè)數(shù)N 為20時(shí)劑量精度可達(dá)0. 89 %, N 大于20 時(shí)均完全滿足亞微米光刻的苛刻要求, 且N 越大, 精度越高。
4、結(jié)論
提出了一種面向步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)的深紫外準(zhǔn)分子激光實(shí)時(shí)曝光劑量控制算法, 并在一臺(tái)A rF準(zhǔn)分子激光器上開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)論如下:
1) 準(zhǔn)分子激光器的單脈沖能量呈現(xiàn)非常明顯的波動(dòng)現(xiàn)象, 波動(dòng)幅度可達(dá)20 %以上, 這種波動(dòng)現(xiàn)象主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是能量超調(diào), 二是隨機(jī)波動(dòng)。
2) 曝光劑量是多個(gè)脈沖能量的累積, 盡管累積對(duì)隨機(jī)波動(dòng)起到了很好的平滑效應(yīng), 但由于超調(diào)的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 無(wú)法滿足亞微米光刻苛刻的劑量要求。
3) 提出的外部高電壓實(shí)時(shí)控制算法, 明顯減小了單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng), 而且有效抑制了能量超調(diào)現(xiàn)象, 在脈沖個(gè)數(shù)較小的情況下即可獲得很高的劑量精度。
曝光劑量是光刻機(jī)極為重要的一個(gè)特征 , 是指在曝光過(guò)程中硅片單位面積上光刻膠所吸收的特定波長(zhǎng)的光能量, 即硅片面上某一點(diǎn)處曝光光強(qiáng)對(duì)曝光時(shí)間的積分:
式中D 為曝光劑量;T 為曝光時(shí)間;I 為曝光光強(qiáng), 是時(shí)間t 的函數(shù)。曝光劑量直接影響光刻機(jī)的性能指標(biāo), 如關(guān)鍵尺寸(Critical dimension , CD)、關(guān)鍵尺寸均勻性、生產(chǎn)效率等, 必須加以嚴(yán)格控制, 才能實(shí)現(xiàn)最佳的曝光均勻性和穩(wěn)定性 。
目前光刻技術(shù)已從步進(jìn)曝光方式發(fā)展為掃描曝光方式, 普遍采用波長(zhǎng)248 nm 和193 nm 的深紫外準(zhǔn)分子激光 。由于預(yù)熱、氣體退化或更新、以及運(yùn)行時(shí)間等因素影響, 準(zhǔn)分子激光器總會(huì)存在單脈沖能量波動(dòng)和平均脈沖能量漂移, 除此之外還有能量超調(diào)(o vershot)現(xiàn)象。能量超調(diào)是指一組脈沖與一組脈沖之間氣體處于不放電狀態(tài), 導(dǎo)致每一組脈沖的前若干個(gè)脈沖在相同的高電壓下輸出能量值要高很多, 超調(diào)幅度可達(dá)20 % 。掃描曝光時(shí), 曝光場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)勻速經(jīng)過(guò)曝光狹縫, 從而接收到一定數(shù)量的脈沖, 其累積值就是該點(diǎn)處的曝光劑量 。顯然,脈沖能量波動(dòng)特別是超調(diào)現(xiàn)象直接影響最終的曝光劑量, 多個(gè)脈沖則能起到平滑效應(yīng), 且理論上脈沖個(gè)數(shù)越大效果越好;但在實(shí)際光刻應(yīng)用中, 單純?cè)黾用}沖個(gè)數(shù)往往通過(guò)調(diào)整衰減片角度來(lái)實(shí)現(xiàn), 其結(jié)果是降低光刻生產(chǎn)率且增加激光器能耗。
單脈沖能量波動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象是準(zhǔn)分子激光器的固有特性, 通過(guò)改善激光器本身性能特別是從光學(xué)上改善其性能尚不足以消除這種現(xiàn)象及其不利影響, 必須采用算法控制進(jìn)行補(bǔ)償 。為此, 本文提出一種實(shí)時(shí)劑量控制算法, 采用閉環(huán)反饋控制方式對(duì)激光器發(fā)出的每個(gè)脈沖進(jìn)行嚴(yán)格控制, 以抑制單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng)特別是超調(diào)現(xiàn)象;同時(shí)盡可能采用少的脈沖個(gè)數(shù), 以保證在滿足劑量精度要求的情況下, 盡可能提高光刻生產(chǎn)率和激光器使用效率。
2、實(shí)時(shí)劑量控制算法
2. 1光刻機(jī)掃描曝光模型
掃描曝光過(guò)程的抽象模型如圖1 所示。激光器發(fā)出的脈沖光束經(jīng)過(guò)光路傳輸系統(tǒng), 從開口大小可調(diào)的狹縫中投影到工件臺(tái)上, 形成投影光斑。當(dāng)曝光場(chǎng)前沿與光斑前沿重合時(shí), 掃描開始;此后曝光場(chǎng)勻速經(jīng)過(guò)投影光斑;當(dāng)曝光場(chǎng)后沿與光斑后沿重合時(shí), 掃描結(jié)束。
圖1步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)掃描曝光過(guò)程抽象模型
在掃描曝光過(guò)程中, 激光器的重復(fù)頻率f 固定,狹縫等效寬度L 為定值, 工件臺(tái)以勻速v 經(jīng)過(guò)掃描狹縫, 則曝光場(chǎng)中每個(gè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)都接收到相同數(shù)量的脈沖, 其個(gè)數(shù)N 為
曝光場(chǎng)中第i 點(diǎn)獲得的總能量即為曝光劑量Di :
其中N 為脈沖個(gè)數(shù), η為光傳輸效率, A 為狹縫等效面積;E(k)為第k 個(gè)脈沖的單脈沖能量。曝光劑量的性能一般用劑量精度σ來(lái)衡量:
其中Dr 為劑量需求值;max 表示取最大值;Di 為曝光場(chǎng)中第i 點(diǎn)的實(shí)際劑量值。光刻分辨力為100 nm時(shí)的劑量精度要求不超過(guò)1 %。
2.2光刻機(jī)劑量控制器結(jié)構(gòu)
掃描投影光刻機(jī)劑量控制系統(tǒng)如圖2 所示, 從準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的脈沖激光, 先經(jīng)過(guò)底端照明光路(包括光束擴(kuò)充鏡組、定位定向鏡組、縮放錐形鏡組等)和可變透過(guò)率衰減片, 到達(dá)能量傳感器, 再經(jīng)過(guò)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, 最終投射到硅片表面。光路中安裝有一個(gè)能量傳感器, 測(cè)量每個(gè)激光脈沖的能量并結(jié)合實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)算法, 計(jì)算出下一個(gè)單脈沖能量的設(shè)定值;最后通過(guò)能量電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系將能量設(shè)定值轉(zhuǎn)換成電壓設(shè)定值, 以達(dá)到控制激光器單脈沖能量并保證劑量精度的目的。
圖2 步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)劑量控制器結(jié)構(gòu)
劑量控制器的結(jié)構(gòu)如圖2 中虛框所示, 其中, 能量電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系是通過(guò)校準(zhǔn)和標(biāo)定流程來(lái)獲得的。激光器一般有三個(gè)指標(biāo):最小、最大和標(biāo)稱能量, 校準(zhǔn)時(shí)使激光器分別以這三個(gè)量值發(fā)出一定數(shù)量的脈沖, 統(tǒng)計(jì)所加電壓, 近似認(rèn)為在這個(gè)范圍內(nèi)電壓與能量為線性關(guān)系, 通過(guò)在兩極值點(diǎn)間線性插值, 得到一組電壓與能量的匹配關(guān)系。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后, 若給定某個(gè)脈沖能量E , 則其對(duì)應(yīng)的電壓值V 為
其中EN 為標(biāo)稱能量實(shí)測(cè)均值,V N 為標(biāo)稱能量對(duì)應(yīng)的電壓實(shí)測(cè)均值,Emax 為最大能量實(shí)測(cè)值,Emin 為最小能量實(shí)測(cè)值, Vmax 為最大電壓實(shí)測(cè)值,Vmin 為最小電壓實(shí)測(cè)值, ΔE 為實(shí)測(cè)最大與最小能量差值;ΔV為最大與最小能量對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)電壓差值。
2.3激光器單脈沖能量實(shí)時(shí)控制算法
實(shí)時(shí)控制算法包括隨機(jī)波動(dòng)和能量超調(diào)兩部分實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)算法。隨機(jī)波動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)算法的目的是減小單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng)。待發(fā)脈沖能量的設(shè)定值偏差源自一組脈沖能量實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱能量值的偏差累積, 而一組脈沖的個(gè)數(shù)不超過(guò)各點(diǎn)經(jīng)過(guò)掃描狹縫所需的激光脈沖個(gè)數(shù)N 。待發(fā)的每個(gè)脈沖因此都受到之前已發(fā)多個(gè)脈沖的調(diào)節(jié), 從而減小了偶然性因素的影響。具體算法如下:
式中ΔEs(i)為考慮隨機(jī)波動(dòng)的第i 個(gè)脈沖的能量設(shè)定值偏差;ks 為隨機(jī)波動(dòng)控制調(diào)節(jié)系數(shù);ε為實(shí)測(cè)能量等效為激光器輸出能量的系數(shù);Em(f )為第f 個(gè)脈沖的實(shí)測(cè)能量;N 為硅片上每個(gè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)掃描狹縫所需的激光脈沖個(gè)數(shù)。
超調(diào)算法的目的是抑制脈沖能量超調(diào)現(xiàn)象。超調(diào)相對(duì)而言是一種局部行為, 其調(diào)節(jié)可以采用加權(quán)移動(dòng)平均。具體算法如下:
式中δEs(i)為考慮超調(diào)的第i 個(gè)脈沖能量設(shè)定值偏差;k o 為超調(diào)控制調(diào)節(jié)系數(shù);Es(g)為第g 個(gè)脈沖的能量設(shè)定值;M 為超調(diào)移動(dòng)平均個(gè)數(shù), 一般取值為5 。綜合兩部分算法, 可以得到準(zhǔn)分子激光器單脈沖能量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的綜合控制算法:
3、實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析
為研究準(zhǔn)分子激光器的單脈沖能量特性并驗(yàn)證上述控制算法, 在一臺(tái)ArF 準(zhǔn)分子激光器上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn), 其波長(zhǎng)為193 nm , 標(biāo)稱脈沖能量5 mJ , 最大重復(fù)頻率4 kHz , 功率20 W 。該ArF 準(zhǔn)分子激光器上實(shí)測(cè)的脈沖能量變化曲線如圖3 所示。工作模式為恒電壓控制方式, 高電壓(HV)設(shè)定值恒定為1690 V , 重復(fù)頻率為4 kHz 。圖3(a)顯示了光刻機(jī)步進(jìn)掃描曝光過(guò)程的數(shù)據(jù), 每個(gè)硅片有70 個(gè)曝光場(chǎng)(圖中顯示了其中的20 個(gè)), 每個(gè)曝光場(chǎng)的脈沖總數(shù)為375 , 曝光場(chǎng)之間的時(shí)間間隔為100 ms(圖中以符號(hào)" +"表示曝光場(chǎng)間隔), 即每個(gè)曝光場(chǎng)的掃描時(shí)間為93. 75 ms , 步進(jìn)時(shí)間為100 ms 。圖3(b)顯示了單個(gè)曝光場(chǎng)的脈沖能量變化細(xì)節(jié)。
圖3 實(shí)測(cè)的脈沖能量變化曲線(恒電壓1690 V)
從圖3 可以清楚地看出, 準(zhǔn)分子激光器的單脈沖能量呈現(xiàn)非常明顯的波動(dòng)現(xiàn)象, 體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是能量超調(diào), 二是隨機(jī)波動(dòng)。能量超調(diào)以一個(gè)曝光場(chǎng)為周期, 因?yàn)樵谄毓鈭?chǎng)與曝光場(chǎng)之間有時(shí)間間隔(圖3 中為100 ms), 激光器處于不放電狀態(tài), 所以每到達(dá)下一個(gè)曝光場(chǎng)時(shí)激光器放電電極之間會(huì)有更多的新鮮氣體, 從而在相同的電壓值觸發(fā)下獲得的脈沖能量要高些。此后隨著激光器充放電過(guò)程逐漸趨于穩(wěn)定, 實(shí)際脈沖能量也逐漸趨向于其標(biāo)稱能量值, 但由于各種不確定因素的影響, 脈沖能量總是圍繞其標(biāo)稱能量進(jìn)行隨機(jī)波動(dòng)。恒電壓控制方式下單個(gè)曝光場(chǎng)掃描曝光時(shí)的劑量測(cè)量值如圖4 所示。圖4(a)～ 圖4(f)對(duì)應(yīng)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、激光器重復(fù)頻率和標(biāo)稱脈沖能量等不變的情況下, 對(duì)應(yīng)的狹縫脈沖個(gè)數(shù)N 分別為10 , 20 ,40 , 60 , 80 和100 。從中可以看出, 曝光劑量是多個(gè)脈沖能量的累積, 這種累積對(duì)隨機(jī)波動(dòng)起到了很好的平滑效應(yīng), 而且脈沖個(gè)數(shù)越大其平滑效應(yīng)越明顯。
圖4 恒電壓控制方式下的曝光劑量測(cè)量值
對(duì)多種劑量需求值下的恒電壓控制方式進(jìn)行了多個(gè)曝光場(chǎng)的步進(jìn)掃描曝光實(shí)驗(yàn), 所得統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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, 盡管脈沖累積對(duì)隨機(jī)波動(dòng)確實(shí)起到了很好的平滑效應(yīng), 但脈沖個(gè)數(shù)增大到一定程度后, 這種平滑效果趨于平緩。更為重要的是, 由于能量超調(diào)現(xiàn)象的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 即使在脈沖個(gè)數(shù)為100 時(shí)劑量精度也僅為11. 9 %, 根本不能滿足亞微米光刻的要求, 因而有必要采用高性能的實(shí)時(shí)算法進(jìn)行劑量控制。
表1 恒電壓控制方式下的劑量測(cè)量值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果
采用本文提出的實(shí)時(shí)劑量控制算法獲得的脈沖能量變化曲線如圖5 所示, 即利用本文提出的控制算法進(jìn)行激光器外部單脈沖高電壓控制, 其余實(shí)驗(yàn)參量與圖3 相同。圖5(a)顯示了光刻機(jī)步進(jìn)掃描曝光過(guò)程的數(shù)據(jù), 圖5(b)顯示了單個(gè)曝光場(chǎng)的脈沖能量變化細(xì)節(jié)。劑量控制算法的相關(guān)參量為N =20 , M =5 , ks =0. 8 , ko =0. 8 。
從圖5 中可以明顯看出, 采用本文提出的外部高電壓實(shí)時(shí)劑量控制算法, 不僅明顯減小了單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng), 而且有效抑制了能量超調(diào)現(xiàn)象。這在觀察多個(gè)脈沖能量的累積和即觀察曝光劑量時(shí)更為顯著, 如圖6 所示, 圖6(a)～ 圖6(f)對(duì)應(yīng)狹縫脈沖個(gè)數(shù)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 。
圖5 實(shí)測(cè)的脈沖能量變化曲線(外部高電壓實(shí)時(shí)劑量控制算法)
圖6 外部高電壓實(shí)時(shí)控制方式下的劑量測(cè)量值
多種劑量需求值時(shí)外部高電壓實(shí)時(shí)控制方式下的劑量測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2 所示。從中可以看出, 采用本文提出的外部高電壓實(shí)時(shí)控制算法, 曝光劑量可以達(dá)到相當(dāng)高的精度, 在脈沖個(gè)數(shù)N 為20時(shí)劑量精度可達(dá)0. 89 %, N 大于20 時(shí)均完全滿足亞微米光刻的苛刻要求, 且N 越大, 精度越高。
表2 外部高電壓實(shí)時(shí)控制方式下的劑量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果
4、結(jié)論
提出了一種面向步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)的深紫外準(zhǔn)分子激光實(shí)時(shí)曝光劑量控制算法, 并在一臺(tái)A rF準(zhǔn)分子激光器上開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)論如下:
1) 準(zhǔn)分子激光器的單脈沖能量呈現(xiàn)非常明顯的波動(dòng)現(xiàn)象, 波動(dòng)幅度可達(dá)20 %以上, 這種波動(dòng)現(xiàn)象主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是能量超調(diào), 二是隨機(jī)波動(dòng)。
2) 曝光劑量是多個(gè)脈沖能量的累積, 盡管累積對(duì)隨機(jī)波動(dòng)起到了很好的平滑效應(yīng), 但由于超調(diào)的存在, 恒電壓控制方式下的劑量精度非常差, 無(wú)法滿足亞微米光刻苛刻的劑量要求。
3) 提出的外部高電壓實(shí)時(shí)控制算法, 明顯減小了單脈沖能量的隨機(jī)波動(dòng), 而且有效抑制了能量超調(diào)現(xiàn)象, 在脈沖個(gè)數(shù)較小的情況下即可獲得很高的劑量精度。
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