深紫外准分子激光实时曝光剂量控制算法研究

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，即硅晶片表面某一点的曝光光强度时间的积分：其中D为曝光剂量，T是曝光时间，I是曝光光强度，它是时间t的函数。曝光剂量直接影响光刻机的性能指标，如临界尺寸（CD），临界尺寸均匀性，生产效率等，必须严格控制曝光量，以达到曝光均匀性和稳定性。目前，光刻技术已经从逐步曝光方法发展到扫描曝光方法，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（overshot）外，总是具有单脉冲能量波动和平均脉冲能量漂移。能量超调是指气体在一组脉冲和一组脉冲之间处于非放电状态，从而导致每组脉冲的第一脉冲的输出能量值处于相同的高电压，并且超调范围可以达到20％。 。在扫描曝光期间，曝光场中的每个点均以恒定速度穿过曝光缝隙，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，会直接影响最终的暴露剂量。多个脉冲可以具有平滑效果。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。通常通过调整衰减器的角度来获得脉冲数，这会导致光刻生产率降低和激光能量消耗增加。单脉冲能量波动和过冲是准分子激光器的固有特性。改善激光器的性能，尤其是光学性能不足以消除这种现象及其不利影响。必须使用算法控制进行补偿。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方法严格控制激光器发射的每个脉冲，以抑制单脉冲能量的随机波动，特别是过冲现象，并使用尽可能少的脉冲。为了确保光刻生产率和激光使用效率在满足剂量精度要求的同时尽可能地提高。 2实时剂量控制算法2.1光刻机扫描曝光模型of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，并从激光束投射到工件台上。开口尺寸可调的狭缝形成一个投影点。当曝光场的前边缘与点的前边缘重合时，扫描开始，然后曝光场以恒定的速度穿过投影点。当曝光场的后边缘与点的后边缘重合时，扫描结束。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，等效缝隙宽度L是固定值，并且工件台以均匀速度v通过扫描缝隙，然后曝光场在中间的每个点穿过狭缝时接收到相同数量的脉冲，并且数量N是在曝光场中第i个点获得的总能量，即曝光剂量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。光刻分辨率为100nm时，剂量精度要求不超过1％。 2.2光刻机剂量控制器的结构扫描投影光刻机剂量控制系统如图2所示。准分子激光器发射的脉冲激光首先通过底部照明光路（包括光束扩展镜组，定位和定向镜组，变焦锥）。透镜组等）和可变透射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），掩模和投影物镜，最后投影到硅片表面。能量传感器安装在光路中，该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的设定值。最后，通过能量-电压转换关系将能量设定值转换为电压设定值。 ，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剂量控制器的结构剂量控制器的结构如图2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。校准时，使激光器以这三个值发射一定数量的脉冲，并对施加的电压进行计数。大约认为电压和能量在此范围内是线性的。在两个极限点之间进行线性插值，获得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是最小能量测量值，Vmax是电压测量值，Vmin是最小电压测量值，Delta，E是所测量的最小能量差，Delta，V是对应于最小能量的测量电压差。 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狭缝所需的激光脉冲数N。因此，要发送的每个脉冲都由之前已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，ε是测得的能量系数等效于激光输出能量，Em（f）是测得的第f个脉冲的能量，N是硅晶片上每个点穿过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现象。相对而言，过冲是一种局部行为，其调整可以使用加权移动平均值。具体算法如下：其中delta，Es（i）是考虑过冲的第i个脉冲能量设定值的偏差，ko是过冲控制调整系数，Es（g）是第g个脉冲能量设定值，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，可以获得用于准分子激光单脉冲能量实时调整的综合控制算法：3''实验研究和结果分析是为了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，对ArF准分子激光器进行了相关实验。波长为193nm，标称脉冲能量为5mJ，重复频率为4kHz，功率为20W。在ArF准分子激光器上测得的脉冲能量变化曲线如图3所示。工作模式为恒压控制，高压（HV）设置值恒定为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。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为93.75ms，步长为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）