光刻技术中的聚焦控制
一、引言
光刻技术在集成电路量产制造中有着重要作用，随着集成电路产业的快速发展，对光刻机性能的要求也越来越高。
为了保证曝光质量，在光刻机曝光过程中必须使硅片表面位于焦深范围内，否则会严重影响集成电路的生产良率。因此，需采用聚焦测量系统来测量硅片表面高度，在曝光时通过轴向调节承载硅片的工件台的高度，使其处于投影物镜的焦面处。
二、测量原理和系统组成
基于光学三角法的聚焦测量技术是轮廓测量法的一种，这种技术在光刻工艺中应用广泛，其利用激光束、被测表面和探测器之间的光学关系来测量表面的形状和位置变化。基于光学三角法的聚焦测量原理如图1所示。测量光束以较大的角度θ入射到硅片表面，经硅片表面反射后被探测器接收。
图1光学三角法的测量原理
探测器上的图像位置随硅片表面高度偏移而变化，根据几何关系可知，当硅片表面高度变化h时，探测器上的图像位移∆x可表示为
∆x = 2h sin θ
通过测量光束在探测器上的图像位移变化量可计算硅片表面的高度信息。光刻机曝光时，根据获得的硅片形貌实时调整工件台的高度，保证硅片曝光位置始终处在投影物镜的焦面处。
三、聚焦测量的方法
01 轮廓测量法
通过测量光刻胶膜的表面轮廓来间接测量聚焦状态。轮廓测量法使用非接触式测量，不会破坏光刻胶膜，但这种方法的精度会受到光刻胶膜的表面形貌和质量的影响。
02干涉测量法
利用光的干涉现象来测量聚焦状态。干涉测量法能够非常精确地测量聚焦状态，但需要使用高质量的光源和干涉仪，因此成本较高。
03像差测量法
通过测量光刻胶膜上的图像形状来直接测量聚焦状态。像差测量法可以直接获取聚焦信息，但是需要实现在光刻胶膜上形成可测量的图像，因此在实际操作中会有一定难度。
04 数值孔径测量法
通过测量物镜的数值孔径来间接测量聚焦状态。数值孔径测量法的精度较高，但需要使用扫描仪等设备来辅助测量。
05光学传感器测量法
通过在光刻机上安装光学传感器来实时监测聚焦状态。光学传感器能够快速、准确地测量聚焦状态，但需要在光刻机上留出位置安装光学传感器，因此会对光刻机的结构产生一定的影响。
四、 数字无掩膜光刻机的聚焦控制
数字无掩膜光刻机是一种用于信息科学、系统科学与材料科学领域的工艺试验仪器。它采用数字光刻技术，利用光学、化学反应等原理，将数字图像直接转移到光刻胶上，用于制造集成电路、微电子器件等。
数字无掩膜光刻机使用数字光处理（DLP）技术进行曝光投影，与传统掩膜曝光机不同，这种技术不需要提前制作掩膜版。数字光处理使用数字微镜器件（DMD）作为核心元件，DMD通常由数百万个微镜组成阵列，每个微镜的尺寸仅为数十微米，每个微镜可以在不同的角度上反射入射光。通过控制微镜阵列的角度，可以实现入射光的开和关状态，从而达到控制光信号的目的。在光刻技术中，通过将待加工的掩膜版图形以数字图形编程的方式写入到微镜阵列中，从而形成一种代替传统掩膜版的数字掩膜图形来进行投影曝光。基于DMD的光刻系统如图2所示。
图2 DMD光刻系统
数字光刻系统中镜头与工件台的相对关系仅依靠聚焦传感器的测量结果，因此镜头上下调节过程中，聚焦传感器零位必须与镜头的曝光面同时运动且严格保持一致。
五、托托科技数字无掩膜光刻机
托托科技（苏州）有限公司是一家专注于显微光学加工和显微光学检测领域的公司，在基于数字微镜器件的无掩膜光刻技术领域中进行了数年的深入研究和技术积累。
图3 托托科技数字无掩膜光刻机
托托科技数字无掩膜光刻机配备自主研发的高速主动对焦模块，搭配高精度运动电机，最小能够识别几十纳米级的高度变化，同时配合PID控制算法，可以实现光刻过程中的实时跟踪聚焦，保证光刻的精度和良率。
另外由于垂轴运动电机本身的大行程，该主动对焦系统能够适配几十纳米到几毫米以内任意厚度的光刻衬底，具有广泛适应性。图4展示了托托科技数字无掩膜光刻机制备8英寸高精度图形的能力。
图4托托科技展示8英寸光刻晶圆
参考文献：
[图1]王向朝,戴凤钊.集成电路与光刻机[M].北京:科学出版社,2020
[图2]李世光，郭磊，曾海峰，戢逸云，王寅，肖燕青. 光刻技术中的聚焦控制. 激光与光电子学进展. 2022(09): 280-296
