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DUV准分子激光器实时曝光剂量控制算法研究

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-07-11 0:05:10 * 浏览: 4
1简介曝光剂量是光刻机的一个非常重要的功能,它是指曝光过程中硅晶片每单位面积光刻胶吸收的光能的特定波长,即硅晶片表面上某一点到曝光的时间积分:其中D是曝光剂量,T是曝光时间,I是曝光强度,它是时间t的函数。曝光剂量直接影响光刻机的性能指标,必须严格控制临界尺寸(Criticaldimension,CD),临界尺寸均匀性,生产效率等,以实现曝光的均匀性和稳定性。当前的光刻技术已经从逐步曝光发展到扫描曝光,并且通常使用波长为248nm和193nm的深紫外准分子激光器。由于预热,气体降解或更新以及工作时间等因素,准分子激光器除能量过冲外,总是具有单脉冲能量波动和平均脉冲能量漂移。能量超调意味着在一组脉冲和一组脉冲之间不释放气体,导致在相同的高压下每组脉冲的前几个脉冲的输出能量值要高得多,并且超调幅度可以达到20%。在扫描曝光期间,曝光场中的每个点均以均匀的速度穿过曝光缝隙,从而接收一定数量的脉冲,并且累积值是该点处的曝光剂量。显然,脉冲能量的波动,尤其是过冲,直接影响最终的暴露剂量。多个脉冲可以起到平滑作用。从理论上讲,脉冲数越大,效果越好。但是,在实际的光刻应用中,只需增加脉冲数即可。通常通过调节衰减器的角度来获得脉冲数。结果是降低光刻生产率并增加激光能量消耗。单脉冲能量波动和超调现象是准分子激光器的固有特性。通过改善激光器本身的性能,尤其是在光学方面,消除这种现象及其不利影响是不够的,必须通过算法控制对其进行补偿。为此,本文提出了一种实时剂量控制算法,该算法使用闭环反馈控制来严格控制激光器发射的每个脉冲,以抑制单脉冲能量(尤其是过冲)中的随机波动,同时使用尽可能少的脉冲。为了确保在满足剂量精度要求的同时尽可能提高光刻生产率和激光使用效率。 2实时剂量控制算法2.1光刻机扫描曝光模型扫描曝光过程的抽象模型如图1所示。激光发射的脉冲光束通过光路传输系统,并从开口尺寸可调的狭缝投射出来在工件台上形成一个投影光斑。当曝光场的前边缘与光斑的前边缘重合时,扫描开始。之后,曝光场以均匀的速度穿过投影光斑。图1步进扫描投影光刻机的扫描曝光过程的抽象模型在扫描曝光过程中,激光的重复频率f是固定的,缝隙L的等效宽度是固定值,并且工件台通过以均匀的速度v扫描狭缝,然后曝光场中心的每个点通过狭缝时都接收相同数量的脉冲,数量N是在曝光场的第i个点获得的总能量,是曝光剂量Di:其中N是脉冲数,eta,是光传输效率,A是狭缝的等效面积,E(k)是第k个脉冲的单脉冲能量。曝光剂量的性能通常由剂量精度sigma来衡量:其中Dr是剂量需求值,max表示该值,而Di是曝光场中第i个点的实际剂量值。当光刻分辨率为100nm时,剂量精度要求不应超过1%。 2.2光刻机的剂量控制器结构剂量控制系统扫描投影光刻机的主干如图2所示。准分子激光器发射的脉冲激光首先通过底端照明光路(包括扩束镜组,定位定向镜组,变焦圆锥透镜组等),以及可变透射率衰减器,到达能量传感器,然后通过顶部照明光路(包括光能均匀棒,扫描狭缝,照明透镜组等),标线片和投影物镜,最后投影到硅晶片表面。在光路中安装了能量传感器,该能量传感器测量每个激光脉冲的能量,并结合实时调整算法以计算下一个单脉冲能量设置值,最后通过能量转换将能量设置值转换为电压设置值能量电压转换关系,以达到控制激光单脉冲能量并确保剂量精度的目的。图2步进扫描投影光刻机的剂量控制器结构剂量控制器的结构如图2中的虚线所示,其中能量-电压转换关系是通过校准和校准过程获得的。激光器通常具有三个指标:最小和标称能量,在校准时,激光器会用这三个值发射一定数量的脉冲,并对施加的电压进行计数,近似得出电压和能量呈线性关系在此范围内。两个极端之间的线性插值给出了电压和能量之间的一组匹配关系。校准后,如果给定一定的脉冲能量E,则其对应的电压值V为其中EN为标称能量的测量平均值,VN为与标称能量对应的电压测量平均值,Emax为测量能量值, Emin是最小测量的能量值,Vmax是测量的电压值,Vmin是最小的测量电压值,Delta,E是测量的最小能量差,Delta,V是对应于最小能量的测量的电压差。 2.3激光单脉冲能量实时控制算法实时控制算法包括随机波动和能量超调实时调整算法两部分。随机波动的实时调整算法的目的是减少单脉冲能量的随机波动。从一组脉冲能量的测量值与标称能量值之间的偏差的累积中得出要发送的脉冲能量的设定值的偏差,并且一组脉冲的数量不超过该数量每个点穿过扫描缝所需的N个激光脉冲。因此,要发送的每个脉冲都由之前发送的多个脉冲进行调整,从而减少了意外因素的影响。具体算法如下:其中,Delta,Es(i)是考虑了随机波动的第i个脉冲的能量设定值的偏差,ks是随机波动控制调整系数,epsilon,是等于激光的输出能量Em(f)是第f个脉冲的测量能量,N是通过硅晶片上每个点扫描狭缝所需的激光脉冲数。过冲算法的目的是抑制脉冲能量过冲。过冲是相对本地的行为,其调整可以使用加权移动平均值。具体算法如下:其中,δEs(i)是考虑过冲的第i个脉冲的能量设定值的偏差,ko是过冲控制的调整系数,Es(g)是能量设定值对于第g个脉冲,M是过冲移动平均值的个数,一般值为5。结合算法的两个部分,可以实时调整准分子激光器单脉冲能量的综合控制算法可以获得:3实验研究与结果分析为研究准分子激光器的单脉冲能量特性并验证上述控制算法,在ArF准分子激光器上进行了相关实验,波长为193nm,标称脉冲能量为5mJ,重复频率为4kHz,功率是20W。在ArF准分子激光器上测量的脉冲能量变化曲线在图2中示出。 3.工作方式为恒压控制,高压(HV)设定值恒定为1690V,重复频率为4kHz。图3(a)显示了光刻机的步进扫描曝光过程的数据。每个硅晶片具有70个曝光场(图中显示20个)。每个曝光场中的脉冲总数为375,曝光场之间的时间间隔为100ms(图中的符号“ +”表示曝光场间隔),即每个曝光场的扫描时间是93.75ms,步长是100ms。图3(b)显示了单个曝光场的脉冲能量变化的细节。图3实测脉冲能量变化曲线(恒压1690V)