步進式重復曝光光刻機出現于上世紀80年代早期，從那時起直至90年代后期出現第一臺準分子激光光刻機商品為止，各種各樣的G線、I線光刻機統治了集成電路制造中的光刻工藝。在此期間，日本Nikon公司成為世界上占據第一位的步進光刻機供貨商。

國內各大合資集成電路制造廠商，除天津Motorola以ASML公司光刻機為主外，其他都是使用Nikon系列光刻機，另外有一些研究單位也使用Nikon公司的G線,1線光刻機。熟悉和掌握與之相配合的掩模版設計技術，是更好地使用這類設備的關鍵。

1.Nikon系列光刻機對準機制

國內設備研究人員比較熟悉ASML公司的光刻機，關于該類光刻機的對準機制，或許可參考文獻[1]。與ASML光刻機相比，Nikon系列光刻機在對準技術方面有較大的差別，有自己的特色。

在Nikon系列光刻機的對準方案中，用到三類對準標記:對版標記、硅片粗對標記和硅片精對標記。此外，還有與各類標記相對應的傳感器和固定在硅片臺上的基準標記集(稱FiducialMark).

用作標準的計A坐標系

硅片臺是Stepper的核心構件之一，在硅片臺上固定的激光干涉計反射鏡面和FiducialMark，構成了計量坐標系的基礎要素。具體地說，兩反射鏡面垂直，指標X,Y兩個方向;FiducialMark可用于指示坐標原點;兩坐標軸上的刻度由激光干涉計的激光波長決定。

FiducialMark包括對版用十字叉絲、硅片粗對和精對用標記的刻劃圖案。機器初始化時，硅片臺向Home位置移動，判測Home位置的光禍開關的一剎那，將干涉計讀數清零，我們就取此時對版用十字叉絲的中心為坐標原點，此后任一時刻干涉計讀數都將是那時十字叉絲中心在計量坐標系中的坐標值。附帶指出，取其它點為坐標原點并不影響后面的討論;由于光禍響應的原因，某次初始化后確立的計量坐標系，與前一次確立的不一定重復。

Nikon系列光刻機的基本定位策略是:在硅片平面上(如果實物不在硅片平面，則一律取其透過鏡頭系統在硅片平面的投影)，同類的FiducialMark、探測傳感器、對版或對硅片標記相互對準。舉例來說，將FiducialMark中的X精對標記移至與LSAX(LSA指LaserStepAlignment)傳感器中心重合的位置，記錄此時干涉計讀數Wx(系所謂的Baseline之一)，又將硅片上的某個X精對標記也移至與1SAX傳感器中心重合，記錄此時干涉計讀數Wxi，用這個讀數減去基線值Wx，就得到硅片上這一點到FiduxialMark上標記點的X距離，依此類推，硅片上若干標記點到FiducialMark的X距離都可以類似地得到，從而硅片上各點之間的X位置關系就得到確定，Y方向也是如此，通過這種方法完成硅片上各采樣點間位置關系的測量。

掩模版臺坐標系的校準

掩模版臺坐標系的要素是掩模版XY和日標記探測器。移動硅片臺至干涉計達到特定讀數，此時對版用十字叉絲透過曝光鏡頭后的像在XY探測器附近，微動硅片臺執行搜索，直至XY探測器與十字叉絲中心重合，記錄XY探測器位置的坐標值。

在所記錄的坐標值基礎上疊加特定數值，得到0探測器的位置，將十字叉絲移到此位置。由于傳感器安裝精度的緣故，日探N器未必能“看到”十字叉絲，此時調整B探測器的位置使之與對版標記中心重合，實現B探測器對Y探測器的校準。

調整0探測器的位置，采用了偏折光路的技術，并不實際移動傳感器;在中心重合方面，采用了接收信號的雙倍頻判斷技術。

掩模版自身坐標系與版臺坐標系的重合

版自身坐標系取決于電子束制版設備，其要素是其上的X,Y,B對準標記。掩模版載版后，X.Y,B標記(與FiducialMark十字叉絲類似，由于投影倍率的關系在尺寸上大5倍)即處于各自探測器下方，X,Y.B三軸方式微動掩模版，使得各傳感器接收信號合格，實現版坐標系與版臺坐標系重合。

采用上述步驟后，通過圖像分析技術進行掩模版旋轉量檢查。若掩模版旋轉量過大，則要重復進行版臺坐標系調整和對版的動作，直至旋轉量達到要求。

由于在版坐標系中，各對準標記到版中心的距離已知(固定值，參見后文中對版標記坐標)，在本重合步驟后，可求版中心在計量坐標系中的坐標值，當干涉計讀數為此值時，版中心準確投影到對版用十字叉絲中心。

硅片臺坐標系校準

Nikon系列光刻機的硅片對準分為粗對和精對兩步。粗對采用與版對準類似的技術，而精對采用衍射光柵。

就粗對而言，硅片臺坐標系的要素是硅片粗對X,Y,B標記的探測顯微鏡。校準動作為:以FiducialMark中的粗對標記讀取Y顯微鏡位置坐標;沿X方向移動63.5m至日顯微鏡下，偏折光路校準B顯微鏡位置;讀X顯微鏡位置坐標。

就精對而言，硅片臺坐標系的要素是LSAX，LSAY傳感器，以FiducialMark中的LSA標記讀取兩傳感器位置坐標。

硅片測量

載片后要進行硅片校準和測量，前者是指旋轉硅片使得硅片上的口粗對準標記與Y粗對標記校準，即Y-B連線與計量坐標系X軸平行，后者則要完成對于已經存留于硅片上的曝光陣列的測量與補償。

對于Nikon系列光刻機，第一次曝光不執行對準，但留下足夠的標記供后續曝光使用。由于后續曝光亦可留下標記供更后的曝光使用，因此以后的工序也不存在標記模糊的問題，而ASML光刻機如果不采取特殊措施，則對準標記隨工藝進展而損失的間題會較嚴重。

一般第一片曝光硅片可由人工幫助找到硅片上的粗對標記，光刻機記錄人工施加的移動量后，以后各片自動按所記錄移動量移動到粗對標記附近，進行標記搜索，進而完成Y-0標準和X標記坐標值讀取，結合曝光文件中關于步長、曝光陣列、各粗對標記的設計坐標值、精對標記的設計坐標值等數據，可以大致確定精對標記所在位置，進人下一步(精對過程)。

按照前面所提到的減基線值的測量方法，測量多個精對標記的位置值多點采樣統計計算硅片已曝光陣列的脹縮和旋轉(稱作EGA,EnhancedGlobalAlignment技術)。在FiducialMark標記集中對版標記和硅片精對標記間存在固定的常數距離，它實際上構成了版坐標系與硅片坐標系二者的連結，至此可計算得到補償后每個曝光Shot的中心坐標，最終完成所有曝光前的對準工作。

經過以上各步的對準操作，可得到的套刻精度是(某次實測值),X方向3a值為0.078Km,Y方向0.082um,

2.NikonG線與I線光刻機兼容掩模版的設計原則

根據前文所述，在一塊掩模版上，除了所設計的電路層圖形外，還應當在合適的位置放置版對準標記、硅片粗對標記和硅片精對標記，此外在版邊緣的非關鍵區域，還可能刻寫版名、號碼，以及供自動判別用的條碼。

設電路部分的尺寸(coresize)是11OOOFemX11000tm，劃片槽寬80tem，硅片對準標記將放置于劃片槽內。

為每一塊掩模版添加各類對準標記，使所制得的掩模版既可以在I線光刻機上，也可以在G線光刻機上使用。兼容掩模版的標記放置位置總結如下表，所有數據以1xn為單位，且均是硅片平面上的尺寸，實際制版時翻1800，尺寸放大5倍。

上表所列每一種標記，都包含一定的圖案細節，由于篇幅所限，本文就不再畫出了，僅在上表中給出標記圖案幾何中心的坐標值。關于各對準標記的圖形，可參考Nikon光刻機用戶說明書中的相關部分。我們實際所設計的掩模版是I線和G線光刻機都能使用的兼容版，在標記圖形上與說明書中的不太一樣。

掩模版設計時所應遵循的原則如下:(1)當我們說圖形為暗時，是指圖形區域有鉻，不透光，反之則稱圖形為亮。應準備亮、暗兩套對版標記;(2)對于電路圖形為亮的版，將它與“亮”對版標記數據合成，制圖形亮版;反之，與“暗”對版標記數據合成，制圖形暗版。以對版用十字標記為例，任一層次的掩模版，不管原電路圖形是暗是亮，都應保證最后得到的版上，存在由鉻區構成的十字圖形;(3)各層次對版圖形的坐標完全相同。在上表中除G線XY對版標記Rxy與I線的Ry合用一種圖形外，總計含6種對版記號;(4)一般每一層次都應準備一套硅片對準標記供后面的套刻采用，當然最后一層版除外。不同層次的硅片對準標記的位置要彼此錯開;(5)粗對標記WY與We的放置，應使得其間距為63.6mm，當一只眼晴看到WY標記時，另一只眼睛正好看到(隔過幾個Shot后的)We標記，可以驗證上表中各wy、W。標記所對應的坐標滿足這種關系;(6)LSA標記應盡量近軸放置;(7)如果可能，每一種硅片標記應當既有“亮”，也有“暗”，這樣在硅片對準時，既有凸標記，也有凹標記。經過上述工藝步驟后，凸、凹標記可能是一個清楚，一個不模糊，哪一個好用就用哪一個。

3.總結

本文探討了Nikon系列光刻機的對準技術，由于Nikon系列光刻機存在許多型號，不同型號和配置的機器，在對準方法上都略不相同，所以本文中的介紹僅僅是概括性的。為了說明對準技術，本文用到了五個平面坐標系:作為標準的計量坐標系，版臺、硅片臺坐標系，版自身、硅片自身坐標系。其中前面三個屬于機器對準機構，后兩個是要進行對準的對象。這五個坐標系大體上也適用于描述ASML系列光刻機的對準。無論是建立光刻機模型，還是說明對準原理，這五個坐標系的概念都是重要的。所謂對準，就是五個坐標系間相互關系的研究;在坐標系間校準、重合方案上使用不同的技術導致不同的對準方案。

本文還給出了在兼容掩模版上放置各類對準記號的原則，我們針對不同電路所制的多套掩模版都遵循了這種原則，得到的所有掩模版都已成功地應用于科研和生產之中。

文章編號:1003一8213(2002)03一0044一04

（文章來源:嚴利人 《Nikon光刻機對準機制和標記系統研究》 科學網科學網轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）