基于叠栅条纹的纳米光刻对准理论与应用研究

摘要

近年来,纳米技术得到了迅速发展,在微电子工业、材料制备、航天航空、生物医学展现了广阔的应用前景,成为21世纪科技革命的三大核心技术之一。其中,集成电路产业作为纳米技术发展的核心领域,已经成为衡量国家间经济和信息产业可持续发展水平的重要标志。
　　按照“一代技术、一代设备、一代器件”的发展规律,集成电路特征尺寸的不断缩小,对光刻机的分辨力提出了越来越高的要求。光学投影光刻通过不断增加数值孔径和缩短曝光波长提高分辨力,一直扮演着集成电路制造的核心角色,与此同时也面临诸多技术瓶颈和巨额成本。在这样的形势下,以纳米压印光刻技术为代表的接近接触式光刻技术由于低成本、高分辨力、易操作性等诸多优点,与传统光学投影光刻相比呈现出极大的优势,被国际半导体技术蓝图列为22nm技术节点以下最具潜力的下一代光刻候选技术之一。然而,当前主流的光学投影对准方法很难适应分辨力不断提高的下一代光刻技术。作为光刻工艺过程中最为关键的技术之一,对准技术与套刻精度息息相关,要求对准精度至少达到光刻分辨力的1/10左右。为此,研究满足下一代高分辨力接近接触式光刻的对准方法显得迫在眉睫。
　　本文在光刻对准技术发展现状基础上,结合下一代纳米压印和表面等离子体光刻技术等接近接触式光刻的特点,探索一种基于叠栅条纹的纳米光刻对准方法。本文的主要研究内容包括对准标记的设计、对准偏差的提取算法以及实际应用中可能存在的诸多问题,现归纳如下:
　　1.传统对准方法采用光强信号结合工件台扫描方式以及视频图像等传统方式实现对准存在诸多不足,本文在挖掘其优势的同时将光学干涉测量引入到掩模-硅片对准中,基于光的干涉和衍射理论以及叠栅条纹对微小位移的放大效应,将掩模-硅片之间的对准偏差调制在叠栅条纹的相位信息中。通过解调叠栅条纹的相位,直接获得掩模-硅片之间的对准偏差。并设计了四象限拼接光栅对准标记,建立了掩模-硅片对准偏差的物理模型;
　　2.建立了叠栅条纹倾斜、对准标记以及 CCD摄像机三者之间的关系;并通过数值仿真研究了不同标记倾斜情况对对准精度的影响程度。在此基础上,提出了基于相位斜率和基于空间频率分解的倾斜条纹矫正方法,介绍了两种矫正算法的基本原理和算法流程;通过仿真研究比较了其应用范围和性能表现。结果表明,后者更适合光刻对准中存在微小倾角的叠栅条纹矫正,可实现10-4°(10-6rad)量级矫正精度;
　　3.为了满足光刻对准的实时性要求,提出一种基于相位谱的加窗快速傅里叶变换(FFT)掩模-硅片对准偏差快速提取算法。介绍了算法的实施流程。针对FFT信号分析存在的频谱泄漏问题,从理论上分析了其来源并将加窗算法引入叠栅条纹信号的相位提取。基于Maltlab2012b Window Design&Analysis Tool平台研究了各种可能满足要求的窗口函数的表现,并得出结论Blackman-harris窗的实际表现最佳,由此理论上实现了亚纳米对准精度;
　　4.根据泰伯效应理论,分析了叠栅条纹对比度与泰伯效应的关系,建立了掩模-硅片对准间距优化模型。通过Wolfram Mathematica9.0.1软件编程对模型进行优化找到最佳对准间距,并进行了实验验证;
　　5.在大量理论研究的基础上,搭建了掩模-硅片对准实验系统。以压电陶瓷微动台为基准,采用了不同光栅周期和不同步长验证了基于叠栅条纹对准方法的精度。实验结果表明,对准最大误差低于10nm,误差标准差低于5nm,重复对准精度小于±30nm(3σ);
　　6.最后将基于叠栅条纹的光刻对准方法引入到投影光刻掩模-工件台对准,结合系统参数初步分析了其可行性以及对准精度。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 光刻技术的发展概述

1.3 小结

1.4 光刻对准技术发展现状

1.5 论文研究内容与结构安排

第二章 基于叠栅条纹的光刻对准方法

2.1 引言

2.2 基本原理

2.3本章小结

第三章 叠栅条纹倾斜对对准精度的影响分析

3.1 引言

3.2 光栅相位分析

3.3 叠栅条纹几何结构与相位分析

3.4 不同情况下倾斜叠栅条纹对准精度的影响分析

3.5 本章小结

第四章 叠栅条纹倾斜矫正方法研究

4.1 引言

4.2 掩模对准标记成像分析

4.3 叠栅条纹倾斜与对准标记之间的关系

4.4 叠栅条纹频域分析

4.5 矫正方法与仿真研究

4.6 本章小结

第五章 对准偏差提取算法研究

5.1 引言

5.2 粗对准图像处理

5.3 精对准图像处理

5.4 本章小结

第六章 泰伯效应在光刻对准的应用研究

6.1 引言

6.2 泰伯效应基本原理

6.3 泰伯效应在接近式光刻对准中的应用

6.4 本章小结

第七章 实验研究与误差分析

7.1 引言

7.2 实验

7.3 误差分析

7.4 本章小结

第八章 基于拼接光栅全局叠栅条纹的投影光刻对准方法研究

8.1 引言

8.2 全局叠栅相位对准方法

8.3 精度估计与可行性分析

8.4 本章小结

第九章 总结与展望

9.1 总结

9.2 创新点

9.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果