光刻对准系统：保证曝光后图形之间的准确套刻

光刻对准系统概览

光刻机的对准系统（Alignment System）负责把掩膜上的图形和晶圆上已经有的图形对准，以保证曝光后图形之间的准确套刻。其主要过程包括掩膜的预对准和定位、晶圆的预对准、掩膜工件台与晶圆工作台之间的对准、掩膜与晶圆的对准四个步骤。

1、对准标识

对准标识（Alignment Mark）是半导体制程中的关键元素，它们是在硅片上预先制作的特殊图案，用于在后续的光刻步骤中精准套刻，不同型号的光刻机可能使用不同的对准标识。

理论上来说，能在对准激光照射下产生衍射的周期性结构都可以用作对准标识。然而，在实际工艺条件下，对准标识还必须满足其他条件:

第一，晶圆上的标识必须不容易被工艺损坏；第二，便于放置在掩膜版上，不影响器件；第三，能有效地被对准光学系统探测到，并提供最大的信号强度。

步骤一：掩膜的预对准与定位

掩膜版的预对准系统包括两个发光二极管及其对应的光探测器。在掩膜上固定的位置设计有预对准标识，发光二极管在掩膜的预对准标识上方照明，光线透过对准标识，被探测器接收，从而完成掩膜的预对准。

下图是用于ASML光刻机的掩膜，其中标出了为预对准系统专门设计的两个预对准标识。

如下图所示，探测器中第2区的信号远强于第4区，则表示对准标识偏右上位置。

只有当探测器和对准标识正对时，四个区域的信号才一样。通过对两个探测器信号的对比，就可以计算出掩膜版X方向的修正量、Y方向的修正量和旋转修正量。

机械手根据修正量调整掩膜版的位置，完成预对准。这种预对准系统一般可以达到±5um左右的对准精度。

步骤二：晶圆的预对准与定位

晶圆的预对准是通过对其边缘的测定来实现的。根据SEMI标准，晶圆边缘必须有一个小缺口（Notch），这个缺口可以是圆弧形的也可以是直线形的。

如图为晶圆边缘位置测量装置示意图，包括转台、发光二极管和CCD传感器。

若对准时，假设晶圆偏离了中心，转动时CCD传感器的输出信号下图（a）所示。

晶圆因偏心而在旋转时边缘光照不均匀，导致CCD传感器输出信号呈现周期性变化，这变化周期与晶圆旋转周期一致。根据CCD的输出信号，系统可以计算出晶圆偏离中心的修正量和缺口相对于探测器的位置。然后，机械手根据这些计算结果调整晶圆位置，直到CCD测出的信号如图（b）所示。

步骤三：掩膜工件台与晶圆工作台之间的对准

掩膜工件台与晶圆工件台之间的对准是依靠所谓的TIS（Transmission Image Sensor）系统来实现的。

TIS系统包括：

设置在掩膜工作台上的TIS标识；光刻机的光学成像系统；晶圆工作台上的TIS传感器。在光源的照射下，TIS标识通过光学成像透镜系统投射在晶圆工件台表面。安置在晶圆工件台上的TIS传感器随工件台的移动可以测量出TIS标识像强度的空间(X Y Z)分布。根据测得的TIS像分布，可以计算出掩膜工件台上TIS标识相对于晶园工件台的位置。

TIS标识中设置有沿X和Y方向的一系列等间距线条。通过测量这些线条在晶圆工件台上所成像的位置和间距，TIS系统不仅能精确确定掩膜版相对于晶圆工件台的位置，而且可以进一步确定投影透镜系统的像差和成像时的畸变。

步骤四：掩膜与晶圆的对准

1.概览

掩膜与掩膜工件台、晶圆与晶圆工件台以及掩膜工件台与晶圆工件台的预对准完成后，晶圆和掩膜就已经有了一个初步的对准，下一步就是掩膜与晶圆的精确对准操作。

掩膜和晶圆对准的方法有多种：按识别对准标识时光学系统的工作方式来划分可以分为亮场、暗场或衍射模式；按对准操作时光线的传输方式及其与曝光系统之间的关系，可以分为透过曝光系统(Through-The-Lens，TTL)、在轴和离轴。

全球的高端光刻机市场长期由阿斯麦公司、尼康公司和佳能公司占据。由于光刻机的发展对套刻精度的要求不断地提高，三家公司的光刻机对准技术也在不断地发展与改进。各公司对准技术演进路线如图所示：

2.ASML对准系统①技术演变过程与TTL技术

ASML对准技术主要经历了四代发展：ASML最初采用的对准技术是同轴TTL，因TTL仅使用一阶衍射光，位置精度不能满足日渐提高的对准需求，为了进一步提高对准精度并改善工艺环节对测量信号的影响，公司设计了ATHENA对准技术。后来，为兼容尼康公司和佳能公司的对准标记，进一步推出了SMASH对准技术。此后，为进一步减小标记非对称性的影响，提高对准精度，ASML开发了ORION对准技术，目前该技术已被应用于ASML推出的极紫外光刻机商用机型中。

ASML各代对准技术的性能参数如表所示：可以看出，为了保证测量的稳定性和高精度，系统测量波长的种类和衍射级次的数量都随着技术更迭而随之增加，光斑尺寸随之减小，同时数值孔径也在逐步增加。

ASML的对准技术主要基于相位光栅位置测量原理（PGA）。如图所示，首先入射光束照射相位光栅生成不同级次的衍射光束，随后入射参考光栅发生干涉。然后采用光电二极管测量光束强度并扫描相位光栅标记，从而获得光栅标记的位置信息。

TTL对准技术

如图为采用PGA方法的TTL对准技术。首先，激光器出射S偏振光，被偏振分束器（PBS）反射后，由投影物镜聚焦成直径 1mm左右的光斑并入射硅片对准标记。紧接着，衍射光经光栅衍射后生成不同的衍射级次，但仅有±1衍射级次能够通过投影物镜继续向前传播，并透过PBS后打在掩膜对准标记上。最后，透过掩膜对准标记的光被分光棱镜分成两束光，其中一束光通过透镜组成像在CCD图像传感器上，另一束则通过透镜导向光电探测器。

2.ASML对准系统②ATHENA对准技术

随着半导体制造技术的发展，TTL对准技术开始面临一些新工艺的挑战。例如，因位置精度与衍射级次成正比，而TTL仅采用±1级衍射光，位置精度受到限制，需要采用更高的衍射级次提高位置精度。基于TTL技术的挑战，阿斯麦公司提出了ATHENA对准技术。

ATHENA技术原理

如图所示，激光光源发出两个对准波长的入射光，入射光经射频调制器调制后，由光纤引入光学系统，通过反射棱镜和PBS合束，然后入射对准标记。经过标记衍射后，两个波长的入射光再次经过PBS，其中S偏振的入射光经过 PBS后被向上反射出去，P偏振的入射光经过PBS后被向下反射出去。每个波长的入射光在各自方向上传播并由空间滤波器滤波，其中每个波长包含了±1~±7的衍射级次。这些衍射级次经过光楔后传播方向彼此分开。在像面的不同位置上，正负衍射级次干涉形成干涉条纹，随后进入detector从而获得位置信息。

ATHENA技术优势

ATHENA对准技术相比于TTL拥有明显的优势：

衍射级次方面，ATHENA使用了7个衍射级次，由于高衍射级次的测量周期小，分辨率高，灵敏度高，所以测量精度得到了提高。针对TTL系统需要和投影物镜协同设计的问题，ATHENA将对准光路与投影物镜光路分开，可保证对准系统和投影物镜的独立研发。在工艺稳定性方面，ATHENA可针对不同的工艺选择合适的波长和衍射级次，减小工艺对测量精度的影响。2.ASML对准系统③SMASH及ORION对准技术

随着光刻机技术的进一步发展，由于ASML对准系统需要兼容主流公司的对准标记，而不同厂家光刻机使用的对准标记形状完全不同，需要提出一种可拆卸或可更换参考光栅的设计。基于该问题，阿斯麦提出了基于自参考干涉的SMASH对准技术。

SMASH对准技术取消了参考光栅，并通过自参考干涉仪生成两个旋转180°光栅标记的像，可以兼容周期在1.6 μm~16μm范围内且满足180°旋转对称的任何对准标记。做到了对准标记的高度兼容。

SMASH技术原理

SMASH技术的测量原理如图。光源在物镜的作用下照射对准标记，对准标记将入射光衍射为±1~±11衍射级次，随后进入自参考干涉仪。自参考干涉仪形成输入信号的两个图像，最后通过点探测器测量所有衍射级干涉生成的信号。

SMASH技术的优势：与TTL和ATHENA相比，由于SMASH的对准结构中没有参考光栅，使得标记设计更加灵活，并且兼容现有各种对称对准标记。此外，更大的NA使得系统可以接受更高衍射级次，并提高对准精度。

SMASH 技术面临的挑战：

随着技术节点不断缩小，为提高对准精度需减小标记周期，当标记周期只有1μm左右时，衍射光束便超出SMASH系统的捕获范围。另一方面，当标记因工艺步骤导致非对称性时，会产生对准位置偏差，标记非对称性问题逐渐成为制约对准精度的主要因素。自参考干涉仪的原理：

通常由两个屋脊棱镜和一个PBS组成。入射光进入自参考干涉仪后经PBS分为P偏振光和S偏振光，并各自沿光路在屋脊棱镜中反射三次后经PBS分光面出射。此时，两束光波面旋转180°，但是由于偏振方向正交，需经过偏振片后发生干涉。最后通过扫描标记获得周期性变化的测量信号。

ORION对准技术

基于此，2017年ASML推出了ORION对准技术，为面向7nm技术节点的浸没式光刻机NXT:2000i实现1.4nm套刻精度提供了技术支撑。至今为止，ORION被应用于NXT:2050、NXE:3400C等型号光刻机。相较于SMASH，ORION技术在以下方面进一步优化：

引入更多的测量通道，波长从4个扩展为12个，增加系统的稳定性；NA从0.6→0.7，可以适用于更小周期的标记，提高测量精度；改进了机械设计，系统更加稳定，减小振动的影响；采用了优化波长权重法减小标记非对称性的影响。

本篇内容节选自华福电子外发报告：《光刻机行业深度报告——博采众星之光，点亮皇冠明珠》