基于四象限光電探測器的標記對準技術

　　摘要：四象限光電探測器已在光電信號檢測、光電定向、光電準直、光電對中、光電自動跟蹤、光電制導等各個技術領域得到了廣泛的應用。本文詳細介紹了用于半導體設備中采用四象限光電探測器的標記對準方案及其實現(xiàn)方法。

　　關鍵詞：四象限光電探測器；標記；對準

　　引言

　　四象限光電探測器是把四個性能完全相同的光電二極管按照直角坐標要求排列而成的光電探測器件，常用于激光制導或激光準直中。目前在光電探測系統(tǒng)中廣為使用的多元非成像光電探測器多為四象限光電探測器件（以下簡稱四象限）。它包括各種規(guī)格的硅光電池以及類型各異的四象限光電二極管，如四象限PIN光電二極管、四象限雪崩光電二極管等。圖1為四象限工作原理。



　　激光束投射到四象限上，激光束斑在四個象限上會引起輸出信號幅度的不同，通過此差異來判斷系統(tǒng)的準直狀況。

　　掩模是光刻工藝和設備必不可少的工具，由石英玻璃制作，是制作集成電路的母板，隨著摩爾定律的作用，特征尺寸的不斷縮小，目前，中芯國際的90nm工藝生產線已經正式量產，并且國際上65nm節(jié)點工藝和設備也已經成熟。因此，掩模的對準要求也越來越高，對于要對準的掩模版，是通過其版上的米字形標記來實現(xiàn)的，該米字形標記是透光的，其余部分鍍鉻，通過其在四象限上所成的像引起的四路輸出電流信號的不同來判斷其偏離以調整使其定位，其形狀如圖2所示。


　　
　　預對準方案

　　在光刻設備中，掩模的預對準是極其關鍵的一步，因為硅片上的圖形是依靠掩模版轉移其上的，對于CD（關鍵尺寸）為100nm的設備，其套刻精度在35nm左右。實現(xiàn)精確的對準是依靠復雜的光學系統(tǒng)—離軸對準系統(tǒng)實現(xiàn)，這里不做討論。

　　使用四象限來完成掩模的預對準可以使系統(tǒng)更經濟、緊湊。該系統(tǒng)的精度要求在7mm，可以用四象限來實現(xiàn)。該預對準系統(tǒng)由光源、透鏡組，掩模版以及四象限組成，如圖3所示，A為LD光源，發(fā)射近紅外準直激光，波長為650nm，帶寬10nm，發(fā)散角0.1~0.2mrad，準直擴束后的光束直徑為5mm，其具體型號為Sanyo（SD650-80G3）。B為直角棱鏡，C為掩模版，D為窄帶濾波片，主要作用為濾去背景雜散光，提高系統(tǒng)信噪比；E為直角棱鏡；F為四象限，其有效直徑為2mm，峰值波長為820nm，具體型號為Centronic（QD7-5）。其輸出功率³40mw，工作溫度范圍在-25℃～+75℃之間。



　　當掩模C沿著x向或者y向運動到直角棱鏡B的下方時，其上的米字型標記被經過準直擴束處理后的LD光源A照明，由于只有米字型標記是透光的，其它部分不透光，所以標記的形狀被投影到四象限F上，直角棱鏡E起倒像作用，主要目的為了節(jié)省空間距離，當投影到四象限上的標記中心與四象限中心重合時，表示標記已經對準，閉環(huán)反饋系統(tǒng)通過反復調節(jié)掩模C直到對準為止。掩模C放置在PI公司的三維微動臺。

　　信號處理算法

　　圖４所示為束斑在四象限上的位置。圖中四象限探測器光敏面的半徑為R。四象限中心與直角坐標的零點O重合。圖中四象限的對稱軸分別與坐標的x、y軸重合。束斑中心為O¢。當O¢位于四象限中心時，四個象限上接收到的光信號強度相等，經計算處理后得到的誤差信號為零。當O¢逐漸偏離Ｏ時，Er逐漸增大。Ex、Ey分別代表Er在x、y方向上的分量。為消除束斑光強（光能量或功率）波動對Er的影響，通常要對Er進行歸一化處理。即在Er計算過程中除以一個與束斑光強度相關的量值。根據(jù)不同的應用目的，束斑半徑r相對于四象限光敏區(qū)半徑R存在一個最佳值ropt。對大多數(shù)應用場合ropt取1/2R。



　　對輸出信號處理的算法是決定整個系統(tǒng)精度的關鍵因素，常用的算法有加減法、對角線法，這里我們采用對角線算法，其表達式為



　　SA、SB、SC、SD分別代表束斑在四個象限上的面積（假定目標像斑光強均勻分布）。本系統(tǒng)的軟件使用Ｃ++語言編寫，最后集成于整個對準程序之中。

　　結語

　　使用四象限探測器來完成掩模的預對準是一種行之有效并且經濟適用的方法，對于實現(xiàn)掩模版的預對準完全可行，通過初步的實驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以完成在10mm的對準精度，在改變環(huán)境為凈化間環(huán)境以及提高安裝精度后，該值可以滿足最終的要求。

參考文獻：
1． 馮龍齡，鄧仁亮．四象限光電跟蹤技術中若干問題的探討．紅外與激光工程，1996，5(1):16~21．
2． 匡萃方，基于激光準直直線度測量方法的研究．光學技術，2003，29(6):699~701
3． 王岱，楊世洪．采用四象限探測器的雙軸跟蹤控制技術．光電工程，2003，30(5) :31~33

作者簡介：
李洪珠（1980- ），男，江蘇徐州人，中國電子科技集團45研究所 上海微高精密機械工程有限公司工程師，研究方向為機電系統(tǒng)設計