1 引言

　　硅片調焦調平測量系統在光刻機中用來測量硅片表面相對于投影物鏡的高度和轉角(z和θx、θy)，與工件臺垂向3個執行器構成反饋系統，實時控制硅片的垂向位置，保證硅片當前場在曝光過程中始終處于投影物鏡的焦深范圍內[1]，因此，調焦調平測量系統的性能直接影響了光刻機的曝光質量。為了驗證調焦調平測量系統的性能，在它集成到光刻機之前，必須模擬其工作環境對其關鍵性指標進行檢測。工作環境的模擬包括硅片在曝光過程中的三自由度的運動和溫度、濕度、氣壓等條件。由于調焦調平測量系統的精度、重復性要求非常高，因此，測試平臺沿z和θx、θy方向需要具有更高的運動精度和高于調焦調平測量系統的測量精度，并且整個平臺必須具有很好的穩定性。

　　2 硅片調焦調平測量原理

　　硅片調焦調平測量系統采用光學成像的傳感原理，測量硅片相對于投影物鏡的高度和轉角。如圖1所示，光源發出的光分為測量光束和參考光束，經光闌后分別形成多束光。測量光束聚焦成像后斜入射到硅片表面，經硅片反射后，由光學放大系統成像在光電探測器上[2];參考光束聚焦成像后斜入射到投影物鏡，反射后同樣成像在光電探測器上。光電探測器實現光信號向電信號的轉換，并最終獲得硅片相對于投影物鏡的高度變化量。利用多點高度值可以計算出硅片的轉角。參考光束通過補償調焦調平測量系統自身位置的漂移，提高系統的測量精度和穩定性。現有步進掃描投影光刻機調焦調平測量系統的精度優于20 nm，測量范圍大于500 μm。

　　3 測試平臺原理

　　測試平臺在模擬光刻機的工作環境下，采用激光干涉儀作為主要測量儀器。高精度三軸(z和θx、θy)運動臺模擬光刻機工件臺的垂向運動，由激光干涉儀和硅片調焦調平測量系統同時對硅片的運動量進行測量，通過比較測量結果來評價調焦調平測量系統的性能。

　　由于硅片表面反射率較小，對垂直入射的激光束不能完全反射，因而不能作為激光干涉儀的測量面[3]，故以承片臺上表面代替，記為參考面。調焦調平測量系統的測量面是硅片上表面，如圖2所示。測量面和參考面之間存在著高度差，但由于硅片和承片臺靠真空吸附在一起，它們之間沒有相對位移，把承片臺和硅片的位移量作為測量基準，則測量面和參考面之間的高度差不影響系統測量的準確性。

　　在調焦調平測量系統的測試范圍內，驅動三軸運動臺上下移動，在任意位置等臺子穩定后同時讀取調焦調平測量系統和激光干涉儀的讀數，通過比較測量結果評價調焦調平測量系統沿z向的測量精度。測量系統中三束激光的位置關系固定不變，根據干涉儀測得的三點相對高度能夠計算出承片臺的轉角θx、θy。同時，三軸運動臺具有很高的運動精度，其偏轉量可以作為激光干涉儀測量值的參照。對轉角θx和θy進行測量時，驅動三軸運動臺使硅片偏轉，通過比較調焦調平測量系統所測得硅片的轉角和激光干涉儀測得的承片臺的轉角，可以檢測調焦調平測量系統沿θx和θy方向的測試范圍和測量精度。

　　4 測試平臺系統結構

　　測試平臺由測量單元、運動單元、減震單元和微環境單元四部分組成。

　　測量單元包括模擬物鏡、激光干涉儀、支架、承片臺和硅片。模擬物鏡固定在支架上，其底端安裝1個與實際物鏡底端鏡片反射率相同的反射鏡，用于模擬實際物鏡最底端鏡片對調焦調平測量系統參考光的反射功能[4]。測量承片臺運動量的3個激光干涉儀沿軸向均布于模擬物鏡周圍。作為激光干涉儀測量面的承片臺，采用上表面鍍有高反射率介質膜的微晶玻璃材料加工而成，通過中間的2個氣環抽取真空將測試用硅片吸附于承片臺上表面，防止測試過程中三軸運動臺的快速移動引起硅片相對于承片臺的位移。

　　運動單元只有1個高精度三軸運動臺，用于驅動硅片，其內部的3個運動執行器采用壓電陶瓷制作，并配有3個并聯的電容傳感器為執行器提供閉環測量信號，三軸運動臺沿θx和θy方向的運動精度高于調焦調平測量系統的測量精度。

　　減震單元位于最底端，包括氣浮減震臺和大理石板。采用氣浮主動減震可以消除地基震動對測量系統的影響，提高測試平臺的穩定性[5]。

　　微環境單元由布置在測試平臺周圍的散熱片和用于將測試平臺密封的玻璃罩構成，為測試平臺提供所需要的溫度、濕度、氣壓等條件。

　　5 測試平臺控制結構

　　測試平臺控制系統主要由VME機箱、工控機和三軸運動控制器3部分組成，如圖4所示。VME機箱是整個系統的核心控制部件，其內部的3個干涉儀數據采集卡實時采集激光干涉儀所測得的數據。調焦調平測量系統控制卡用于控制調焦調平測量系統內部傳感器的數據采集和計算。PPC板是整個VME機箱的主CPU板，負責對機箱內各板卡進行設置，同時將它們采集到的數據向外界傳送。工控機用來監控測試平臺的數據，并對各控制器進行設置。激光干涉儀的測量精度受環境因素影響很大，為了補償由環境變化引起的測量誤差，干涉儀光路附近布置了高精度的溫度和氣壓傳感器，工控機把傳感器測得的當前環境溫度和氣壓值轉換成環境補償系數來修正激光干涉儀的測量值。

　　三軸運動控制器控制三軸運動臺沿z和θx、θy方向運動，同時把三軸運動臺的當前位置信息傳送給工控機。在實際測試過程中，系統以該值作為激光干涉儀測量值的參照。

　　6 測試平臺控制模型

　　驅動三軸運動臺將硅片調整到最佳焦平面位置附近，建立如圖5所示的坐標系，使xoy面和承片臺上表面重合，z軸通過硅片中心。把激光干涉儀計數值清零，則測試過程中干涉儀的讀數h即為測量點的z坐標值。當干涉儀在測量系統中安裝好后，三束測量光的位置關系便隨之固定，承片臺上下移動或偏轉時，測量點S1、S2、S3的z、y坐標值始終保持不變。

　　根據干涉儀的安裝位置及光軸在干涉儀上的布置形式，可以確定三光斑的x、y坐標值。設參考面(即承片臺上表面)所在平面的方程為：z=ax+by+c，若承片臺運動到任一位置時干涉儀在參考面上的3個測量點的坐標值分別為：S1(x1，y1，z1)、S2(x2,y2，z2)和S3(x3，y3，z3),則參考面中心點的高度和參考面的轉角應分別為：

　　由上式可以根據干涉儀的測量值計算出承片臺沿z和θy、θx方向的運動量。

　　7 測試結果分析

　　在任意位置對激光干涉儀的測量值和三軸運動臺的位移量進行比較，以評估測試平臺性能。首先在假定的最佳焦平面處將激光干涉儀計數值清零，然后驅動三軸運動臺沿z向運動50 μm、θx向偏轉100 mrad、θx向偏轉-100 mrad，激光干涉儀的測量值和運動臺的位移量如圖7所示：

　　由以上圖表可知：干涉儀測得的承片臺運動量"Laser"曲線和三軸運動臺的位移量"Stage"曲線在一定誤差范圍內相吻合。測試平臺沿z向的測量精度小于±4 nm，沿θx和θy方向的測量精度小于±O.05 urad，遠遠高于調焦調平測量系統的測量精度，其測量結果可以作為調焦調平測量系統性能的評估依據。

　　8 結束語

　　該平臺在設計時預留了離軸對準模塊的安裝接口和水平位移平臺的安裝空間，同時，對承片臺2個相鄰側面也進行了拋光鍍膜，可以作為激光干涉儀的測量面。對離軸對準模塊進行測試時，用激光干涉儀能夠精確測量承片臺沿x向和y向的運動量。測試平臺在滿足需求的同時還可以進行功能擴展，是整個光刻機研制過程中一個重要的輔助系統。