Актуальность работы.
Основной тенденцией современной микро и наноэлектроники является уменьшение технологической нормы (ТН), т. е. размера элементарного элемента, при увеличении объема производства. С 1979 г по 2009 г ТН уменьшилась с 3 мкм до бОнм, а размер одиночного электрически активного дефекта уменьшился до ЗОнм. За те же 30 лет, вследствие необходимости увеличения производительности, диаметр подложки, представляющей собой кремниевую пластину, на которой коллективным способом создаются микрочипы, увеличился с 50 мм до 300 мм.
Главным технологическим процессом, обеспечивающим производство микрочипов, является фотолитография.
Основным типом дефектов, определяющим выход годных изделий, стали случайные поверхностные дефекты, которые контролируются оптическими системами.
Вследствие выше сказанного изготовители оборудования для производства микроэлектроники были вынуждены создавать специальные микроскопы для контроля поверхностных фотолитографических дефектов, и с течением времени, перейти от работы в видимом спектре излучения к работе в области глубокого ультрафиолета (ГУФ), от прямого наблюдения дефектов оператором, до сложной оптической фильтрации и математического анализа изображения.
В литературе представлены работы С. Авакова, Г. Ковальчука, С. Русецкого, Е. Титко (Беларусь), посвященные вопросам создания алгоритмов и оборудования оптического контроля фотолитографических дефектов. Однако описанные в работах системы контроля дефектов позволяют обнаруживать одиночные дефекты размером от 90 нм, что не соответствует требованиям современного фотолитографического процесса.
Таким образом, разработка оптических систем микроскопов контроля поверхностных фотолитографических дефектов с размером от 30 нм является актуальной задачей, решение которой позволяет обеспечить возможность производственного процесса микросхем.
Одним из приемов оптической фильтрации изображения является наблюдение подложки под разными ракурсами. В большинстве случаев, когда необходимо исследование объекта под разными углами наблюдения, специалисты проводят данные исследования последовательно. Однако, скорость контроля поверхностных фотолитографических дефектов подложки должна быть не менее 3-х пластин в час или 0,2 м /час. Это можно обеспечить только созданием оптической системы, позволяющей одновременно наблюдать объект под разными углами.
Возможны два типа такой системы: высокоапертурный широкопольный объектив, расположенный по нормали к плоскости объекта и работающий косыми пучками, либо объектив, оптическая ось которого расположена под углом к поверхности объекта с коррекцией наклона изображения.
Целями данной диссертационной работы являются: определение принципиальных оптических схем объективов микроскопов для контроля в фотолитографииисследование основных характеристик дифракционно-ограниченных оптических систем, в которых оптическая ось рабочего пучка установлена наклонно к плоскости объекта, включая высокоапертурные широкопольные объективы и оптические системы с коррекцией наклона изображения, а также анализ формирования изображения в фотолитографических системах оптического контроля.
В связи с этим необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Провести анализ параметров оптических систем, необходимых для контроля поверхностных фотолитографических дефектов.
2. Разработать и обосновать модели дифракционно-ограниченных оптических систем, удовлетворяющих требованиям систем контроля дефектов фотолитографии.
3. Разработать базовые модели и провести расчеты высокоапертурных широкопольных объективов.
4. Разработать методику построения оптических систем с коррекцией наклона изображения.
5. Провести математическое моделирование оптической системы с коррекцией наклона изображения.
6. Разработать аппаратуру для контроля оптических систем с коррекцией наклона изображения, работающих в глубоком ультрафиолете.
7. Провести экспериментальное исследование оптической системы с коррекцией наклона изображения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Принципы построения высокоапертурных объективов, установленных по нормали к плоскости объекта и работающих косыми пучками.
2. Оптические системы высокоапертурных широкопольных объективов.
3. Инварианты наклонов меридионального и сагиттального изображений.
4. Теоретические основы коррекции наклона изображения.
5. Метод контроля волновых аберраций с точностью 0,01-Ю, 02А. по всему полю объективов, работающих в ГУФ.
Научная новизна диссертации.
В диссертационной работе обобщены результаты научных исследований и практических разработок, направленных на создание базовых моделей высокоапертурных широкопольных объективов, работающих в ГУФ области 7 спектра, с оптической осью расположенной по нормали к плоскости объекта и работающих косыми пучками, а также объективов с наклонно расположенной оптической осью и коррекцией наклона изображения.
1. Сформулированы принципы построения высокоапертурных оптических систем для оптимальной конструкции схемы на основе компенсации и балансировки аберраций III порядка с использованием апланатических поверхностей.
2. Показано, что в оптических системах (зеркальных или линзовых) с диафрагмой, расположенной внутри объектива, нет места для установки масок, повышающих возможность обнаружения дефектов. Длина системы доходит до 300 мм и диаметр оптических деталей около 200 мм.
3. Доказано, что система с вынесенной апертурной диафрагмой позволяет установить маски, но при этом существенно усложняется система и в три раза увеличивается ее длина.
4. Аналитически показано, что при наличии телецентрического хода лучей наклонные плоские поверхности, образующие клинья, и телескопическая цилиндрическая система, установленные в сходящемся ходе лучей, обеспечивают коррекцию наклона и масштаба изображения.
5. Получены инварианты наклона изображения, выведены формулы для аберраций комы и астигматизма и рассмотрены способы их коррекции. Приведен расчет оптической системы с коррекцией наклона изображения, иллюстрирующий теоретические исследования.
6. Разработана методика расчета оптических систем с коррекцией наклона изображения.
Практическая ценность работы.
1. Предложены и разработаны оптические системы зеркальнолинзовых и линзовых высокоапертурных широкопольных монохроматических объективов фотоэлектрических микроскопов, с вынесенной апертурной диафрагмой (АД) и АД расположенной внутри объектива.
2. Предложена методика расчета оптических систем с объективом, установленным наклонно к объекту, с коррекцией наклона изображения.
3. Проведено проектирование, моделирование и оптимизация оптической системы объектива, установленного наклонно к объекту, с коррекцией наклона изображения.
4. Впервые изготовлены объективы с оптической осью, наклоненной к объекту, и изображением, перпендикулярным оптической оси, и поставлены на серийное производство с литерой Ol.
5. Разработано оборудование для контроля параметров разрабатываемой схемы.
6. Получены практические результаты измерений разработанной схемы.
7. Разработана оптическая система со следующими параметрами: a. Угол между плоскостью предмета и оптической осью объектива а=25°. b. Объектив с тубусом бесконечность, состоящий из проекционной системы с увеличением -1, и дополнительного объектива, работающего с конечного расстояния на бесконечность. Эквивалентное фокусное расстояние всей системы f=37,5 мм с отклонением в меридиональном и сагиттальном сечениях менее 0,5%. c. Поле объектива 9,9(7×7) мм и числовая апертура 0,25. d. Среднеквадратичная деформация волнового фронта (RMS) менее 0,1 X в центре и не более 0,35 X по всему полю. е. Отклонение от телецентричности главных лучей в пространстве предмета не более ±0.2° 8. Разработана аппаратура контроля волновой аберрации с погрешностью измерения порядка 0,01-Ю, 02À-, по полю оптической системы, работающей в ГУФ, с последующим расчетом ЧКХ по результатам измерений.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на следующих международных и российских конференциях: XXXVI Научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава 30 Января — 02 Февраля 2007 г., Санкт-Петербург, всероссийская студенческая олимпиада по прикладной механике, 02 — 05 Апреля 2007 г., Санкт-ПетербургV Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, 15 — 18 Апреля 2008, Санкт-ПетербургXXXVII Научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 29 Января — 01 Февраля 2008, Санкт-ПетербургXXXVII Научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 29 Января — 01 Февраля 2008, Санкт-Петербург.
Материалы диссертации использовались на ОАО «JIOMO» при разработке оптической системы микроскопа контроля поверхностных фотолитографических дефектов по техническому заданию фирмы «Applied Materials"(CUIA), что подтверждают акты внедрения. По теме диссертации опубликовано 6 работ из них 3 статьи в изданиях, находящихся в перечне ВАК и 3 патента РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 56 наименований и 5 приложений, содержит 188 страниц основного текста, 91 рисунок и 4 таблицы.
3.3 Выводы к главе 3.
1. Впервые разработана методика построения оптических систем с коррекцией наклона изображения.
2. Впервые аналитически получены инварианты наклонов меридионального и сагиттального изображений, выведены формулы для аберраций комы и астигматизма и рассмотрены способы их коррекции. Приведен расчет оптической системы с коррекцией наклона изображения, иллюстрирующей теоретические исследования.
3. Аналитически показано, что при наличии телецентрического хода лучей наклонные плоские поверхности, образующие клинья, и телескопическая цилиндрическая система, установленные в сходящемся ходе лучей, обеспечивают коррекцию наклона и масштаба изображения.
4. Разработана комплексная математическая модель коррекции наклона изображения в оптических системах.
Глава 4 Разработка и исследование объектива с коррекцией наклона изображения фотоэлектрического микроскопа для исследования фотолитографических дефектов.
Как уже упоминалось в главе 1, системы автоматизированного контроля фотолитографических дефектов проводят последовательное сканирование поверхности кремниевой пластины, представляющей собой круг диаметром 300 мм. При этом оптическая система подобного прибора состоит из системы формирования изображения поверхности и дальнейших устройств обработки изображения: поляризационных, фазовых и интерференционных методов обработки[47,48]. Также как и в классической микроскопии, первичная система формирует параллельный пучок, пригодный для последующей обработки (микроскоп с тубусом бесконечность)[49,50]. Однако, в этом случае, первичная оптическая система дополнительно должна скорректировать угол наклона плоскости изображения относительно оптической оси и аберрации, возникшие при этом[51].
В данной главе рассматривается разработка и исследование объектива фотоэлектрического микроскопа для контроля фотолитографических дефектов кремниевых пластин, установленных под углом к оптической оси микроскопа, с коррекцией наклона изображения объекта.
4.1 Основные параметры объектива.
1. Угол между плоскостью объекта аЬ и оптической осью объектива 25°, или 0 = 65° (рис. 4. 1).
2. Рабочий спектральный диапазон: X ±-АХ = 263,25 + 0,20 нм.
3. Линейное поле зрениямаксимальное 2у х 2х= 7×7мм2 (аЬ = 7 мм), состоит из 4-х зон с разными апертурами (рис. 4. 2).
4. Апертуры: А = 0,25 для зоны, А поле 1,25×1,25 мм.
А = 0,25 для зоны В поле 2,5×2,5 мм, А = 0,20 для зоны С поле 5×5 мм2 2.
А = 0,15 для зоны Б поле 7×7 мм (рис. 4.2).
Рис. 4.1 Наклон объекта относительно нормали N к оптической оси объектива.
А В х.
С Б.
Рис. 4. 2 Поле зрения по зонам.
5. Изображение наклонного объекта должно быть перпендикулярно оптической оси: 0' = 0.
6. Отношение геометрических размеров изображения и объекта: 2у'2х'.
-= 1 ± 0,004 для всех точек поля.
2у2х.
7. Телецентрический ход главных лучей в пространстве объекта и изображения. Отклонение от телецентричности в пространстве изображения + 0,2°.
8. Качество изображения: значения ЧКХ на частотах и: Зона А: 1/мм мерид. /сагитт.
1000 0/20 500 13/31.
Зона В:
500 12/30.
250 30/41.
250 25/30.
125 50/60.
125 30/30.
62,5 60/60.
9. Эквивалентное фокусное расстояние всей системы: 37,5 мм.
4.2 Оптическая схема объектива.
Объектив построен по принципиальной оптической схеме, приведённой на рис 4.5. Блок схема объектива показана на рис. 4.3 [52].
Зона С:
Зона Б:
Рис. 4.3 Блок схема объектива Объектив состоит из проекционной системы (ПС) 1а, 1Ь с увеличением -1х, состоящей из двух одинаковых 4-хлинзовых компонентов, у которых задний фокус компонента 1а совмещён с передним фокусом компонента 1Ь и с апертурной диафрагмой, а предмет и изображение расположены в фокальных плоскостях компонентов. Это обеспечивает телецентрический ход главных лучей в пространстве предмета и изображения. В параллельном ходе лучей между компонентами устанавливается двухлинзовая система 2 фокусировки объекта.
Коррекция наклона изображения осуществляется блоком коррекции наклона изображения (БКНИ) — 3. принцип его построения описан в главе 3. Он состоит из призменной системы и телескопической цилиндрической системы. БКНИ осуществляет наклон изображения а’Ь', делая угол 0' = 0.
Коллиматорный объектив 4, передняя фокальная плоскость которого совмещена с а’Ь', обеспечивает тубус бесконечность всей системы.
В обратном ходе лучей коллиматорный объектив[53], выполненный из кварцевого стекла, состоит из трёх узлов I, II, III, каждый из которых выполнен из двух одиночных линз, оптические силы которых удовлетворяют условиям: р, + <рн < 0,064,.
Рт =(1−1ДЖ = (0,3 ч-0,4)/р, где (р I, (рц (рш — оптические силы узлов I, II, III соответственно- (р — оптическая сила всего объектива- ¿-/-расстояние между I и III узлами.
При этом в первом оптическом узле первая линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, втора линза — в виде двояковыпуклой, оптические силы линз ф п ф12 удовлетворяют условию: <рп = -(1,5 + 1,65)(р (рп = (0,5 ч- 0,65)(р.
Второй оптический узел выполнен из двух одиночных отрицательных менисков, обращенных выпуклостями друг к другу, с оптическими силами: <ра, =-(0,02- 0,2)ср- (рП1 = -(0,5 0,6)<р.
Третий оптический узел выполнен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, с оптическими силами: (Рип =<�Р<�Ршг =(0,12−0,2)<р.
Оптические узлы I и II образуют систему, близкую к афокальной телескопической системе типа Галилея с увеличением около -1х. Данная система переносит передний фокус узла III, с которым совмещён входной зрачок, в пространство перед объективом на расстояние более 0,5 fгде f' -фокусное расстояние объектива, и одновременно коррегирует аберрации III узла. Т.о. в объективе зрачок вынесен на расстояние более 0,5 f ' перед первой поверхностью, а плоскость изображения бесконечно удалённого объекта расположена на расстоянии 0,5 + 0,6 f' от последней поверхности объектива.
Оптическая схема объектива, его конструктивные параметры, графики аберраций и характеристики качества изображения: RMS, ЧКХ приведены в приложении 4.1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Проведен анализ параметров оптических систем, необходимых для контроля поверхностных фотолитографических дефектов, на основании которого определены требования к параметрам оптической системы контроля качества поверхности кремниевой подложки при изготовлении интегральных схем.
2. Разработаны базовые модели и проведены расчеты высокоапертурных широкопольных зеркально-линзовых и линзовых объективов с апертурой до 0,95, установленных по нормали к плоскости объекта, работающих косыми пучками.
3. Впервые разработана методика построения оптических систем с коррекцией наклона изображения. Разработана комплексная математическая модель коррекции наклона изображения в оптических системах.
4. Впервые аналитически получены инварианты наклонов меридионального и сагиттального изображений.
5. Аналитически показано, что при наличии телецентрического хода лучей наклонные плоские поверхности, образующие клинья, и телескопическая цилиндрическая система, установленные в сходящемся ходе лучей, обеспечивают коррекцию наклона и масштаба изображения.
6. Разработан оригинальный метод контроля объективов, работающих в глубоком ультрафиолете, позволяющий с точностью 0,0 IX измерить разрешающую способность по всему полю объектива.
7. Изготовлены и исследованы объективы с коррекцией наклона изображения, работающие в глубоком ультрафиолете.
8. Полученные научные и технические решения внедрены в серийное производство.
