光刻機的匹配和調(diào)整

1、光刻機的匹配和調(diào)整周虎明 韓雋(中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035)摘要：光刻機的匹配使用是半導(dǎo)體工藝大生產(chǎn)線上提高生產(chǎn)效率的一項重要措施。光刻機的匹配主要包括場鏡誤差的匹配和隔柵誤差的匹配，如何調(diào)整相同型號光刻機的匹配使用將是本文論述的重點。 關(guān)鍵詞：套刻精度；誤差；匹配；調(diào)整中圖分類號：TN305 文獻標識碼：A1引言在超大規(guī)模集成電路圓片工藝生產(chǎn)線上，往往投入多臺光刻機同時使用，有相同型號的多臺光刻機，也有不同型號光刻機同時運行。同時隨著不同工藝平臺的發(fā)展(例如：從2m生產(chǎn)平臺逐步升級為1.2m，10m，08m，05m生產(chǎn)平臺)。光刻機性能也不斷地產(chǎn)生相應(yīng)的升級；

2、G-線，I-線。為了提高生產(chǎn)效率，光刻機的匹配使用是十分重要的。匹配使用的另一個好處是充分發(fā)揮不同光刻機的作用，特別發(fā)揮價格昂貴的高性能光刻機的作用。因為一般來說，在一定的設(shè)計規(guī)則下，IC圓片生產(chǎn)過程中有三分之一左右是關(guān)鍵層次，其余為次關(guān)鍵層次和非關(guān)鍵層次。以08lm單多晶雙金屬CMOS工藝電路為例，關(guān)鍵層次：有源區(qū)、多晶層、接觸孔、通孔這些層次的線寬為08m，而其他光刻層次如：金屬層，阱，場，注入等為1.11.3m，還有非關(guān)鍵層次如PAD等可大于1.5m。這樣在匹配使用光刻機時可考慮關(guān)鍵層次用I-線光刻機曝光，而其他非關(guān)鍵層次用G-線光刻機。所謂光刻機的匹配使用是指同一產(chǎn)品不同的工藝圖層可以

3、分別在不同型號或同一型號不同系列的光刻機上進行光刻，而不影響光刻工藝的質(zhì)量。亦即保證達到各個工藝圖層所要求的套刻精度和線寬控制要求。為達此目標，必須對工藝線上同時使用的光刻機進行各種誤差的匹配調(diào)整。這包括了場鏡誤差(Intraheld Error)的匹配，隔柵誤差(Grid Error)的匹配，線寬控制的匹配以及其它使用方面的匹配等，以下將分別論述如何對這些誤差進行匹配和調(diào)整。2場鏡誤差的匹配場鏡誤差是指一個曝光視場內(nèi)產(chǎn)生的成像誤差。在分析場鏡誤差時，把硅片工作臺設(shè)定在靜止位置，那么產(chǎn)生場鏡誤差主要由于兩部分的誤差引起的：即掩膜版承版臺系統(tǒng)和鏡頭部分。掩膜版承版臺系統(tǒng)主要負責(zé)掩膜版的對位，由此

4、會產(chǎn)生以下幾方面的誤差：掩膜版的平移誤差(ReticleTranslationError)掩膜版的旋轉(zhuǎn)誤差(ReticleRotationError)掩膜版的傾斜誤差(TrapzoidError)掩膜版的對位誤差(AlignmentError)鏡頭本身產(chǎn)生以下幾個方面的誤差：鏡頭倍率誤差(MagnifiationError)鏡頭失真誤差(AnamorphismError)鏡頭固有誤差(ResidualsError)為了校準每一臺光刻機，首先選定一臺光刻機作為參照樣機，并把該機調(diào)整到最佳狀態(tài)，然后選定一塊參照掩膜版，在校準各臺光刻機時均采用這塊參照版校準基準片(亦稱作黃金片goldwafer)。

5、這種片子屬于一種在整個平面上帶有從參照掩膜上曝光下來有非常密集的各種分辨率圖形和套刻圖形陣列的刻蝕片，它作為一個標準片在每臺光刻設(shè)備上經(jīng)歷光刻和曝光、顯影后，各種分辨率圖形和設(shè)備各項誤差指標就可以測出，用于分析、比較和優(yōu)化產(chǎn)生出每臺光刻機透鏡和片子步進組合的特性、匹配矢量圖，進而得出匹配校正誤差。對于每一臺設(shè)備場鏡誤差的各個可校正的誤差可以設(shè)置補償值(offset)來匹配，這個校正值的取得可作為和參照設(shè)備相對應(yīng)校正誤差的差值。場鏡誤差的匹配性最終反映在民機場內(nèi)套刻誤差的差異性上，因為每種透鏡均有一個特征畸變圖形，其位置誤差作為曝光像場位置的一種函數(shù)。如果器件的每一層都在同一臺光刻機上曝光，則由

6、于僅有的位置誤差相對于下一層的關(guān)系，相對來說其誤差便不很重要。如果下一層曝光在另外一臺光刻機上曝光。則有可能產(chǎn)生一個相反方向的距透鏡中心的徑向?qū)收`差，這種畸變的誤匹配會使得異機套刻誤差比單臺設(shè)備運行時產(chǎn)生的套刻誤差大50-100。為了檢查場鏡誤差匹配的情況，檢測場內(nèi)套刻偏差是一種綜合性驗收。在標準片上曝光成像最大像場，然后比較像場內(nèi)四個角和中心的套刻偏差情況，盡量取得和參照樣機像場套刻偏差相一致，越是接近，則匹配的效果就越好。通常來說光刻機設(shè)備主控計算機內(nèi)都具備有根據(jù)曝光片自身檢測和計算鏡頭畸變產(chǎn)生的誤差分量和軟件校正方法。這樣取得和參照樣機誤差相一致性的校正就更為方便一些。3隔柵誤差的匹配

7、隔柵誤差的匹配是指片內(nèi)套刻精度的匹配，而隔柵誤差可校正部分主要有以下幾種類型：平移誤差(TranslationError，如圖(1)a所比例誤差(Scale Error，如圖(1)b所示)正交性誤差(Orthogonality，如圖(1)c所 旋轉(zhuǎn)誤差(RotationError，如圖(1)d所示) Nikon系列光刻機中，掩膜版的直角坐標系統(tǒng)、硅片的直角坐標系統(tǒng)、硅片上曝光成像圖形的坐標系統(tǒng)以及硅片工作臺的直角坐標系統(tǒng)，它們之間的相互關(guān)系如(圖2)所示，掩膜版坐標系統(tǒng)的原點是掩膜版的中心，硅片坐標系統(tǒng)的原點是硅片的中心位置，而硅片上曝光成像圖形的中心，亦即該坐標系統(tǒng)的原點是掩膜版中心在硅片上

8、投影成像點的位置。而硅片工作臺坐標系統(tǒng)的原點是工作臺激光測量系統(tǒng)計數(shù)器初始化時復(fù)位清零點位置，根據(jù)光刻機中不同的硬件設(shè)置位置而異。同類型光刻機的起始位置應(yīng)是相同方向的。為了確定上述幾個坐標系統(tǒng)之間相互位置的關(guān)系，在光刻機中工作臺上設(shè)置有一個特定的檢測系統(tǒng)(1NSITU)，在檢測系統(tǒng)上設(shè)置了幾組基準標記(FiducialMark)，每臺設(shè)備中各基準標記相對于曝光軸之間的距離是一組設(shè)備常數(shù)，在設(shè)備出廠前作為機器常數(shù)存放在相應(yīng)的軟件文件中。但由于硬件安裝、環(huán)境變化等多方面原因會造成實際位置和設(shè)備常數(shù)之間有一個偏差值，即所謂的基準補償值(BaselineOffset)，通過標準片在不同設(shè)備上曝光的位置

9、可以求出隔柵誤差的各種差異，進而根據(jù)匹配要求，適當加入-定量的基準補償值進而達到最佳的隔柵誤差匹配。用標準片在參照機上曝光隔柵圖形作為標準誤差，則其它與之相匹配的設(shè)備曝光的隔柵作為匹配誤差。其計算原理和方法如下：比例誤差匹配x方向比例誤差：Sx(x'x-1)×106(ppm) (1)y方向比例誤差：Sy：(y'/y-1) ×106(ppm) (2)正交性誤差 (rad)=dxmLm ×10 6(3) 旋轉(zhuǎn)誤差（rad）=dymLm ×10 6(4)在上述隔柵誤差進行匹配校正以后，最終驗證隔柵誤差的匹配應(yīng)反映在套刻精度的匹配。用標準片在不同

10、設(shè)備上按(圖6)的矩陣進行二次曝光，一般選九個曝光像場(如圖6)中所標序號，分別讀取x，y方向套刻精度，并按公式(5)公式(6)計算出每臺設(shè)備x，y方向的套刻精度Rx和Ry：由于每臺設(shè)備已調(diào)整在機器指標范圍內(nèi)，所以對于同一類型光刻機匹配時，套刻精度的離散度相對較小，亦即d值相對較小，基本上沒有調(diào)整的余地，而均值誤差I(lǐng)王I或I歹I各臺設(shè)備之間會有一定的偏差，這主要是各臺設(shè)備中用于對位的傳感器物理位置的偏差引起，當然還有其它方面的一些因素造成。但通過軟件校正方式適當加入傳感器基準位置的偏置嘲舶皂達到平均誤差值的盡量匹配。4線寬控制的匹配線寬控制是光刻質(zhì)量的關(guān)鍵，光刻機特睦影響成像線寬的因素主要包括

11、以下幾個方面曝光系統(tǒng)的光強均勻性曝光劑量的控制版臺系統(tǒng)對線寬的影響光刻機調(diào)焦特'陛對線寬的影響硅片找平系統(tǒng)特陛對線寬的影響在利用I線光刻制造亞微米設(shè)計尺寸的半導(dǎo)體器件時，獲得穩(wěn)定的線寬控制(CD)是非常重要的。多臺光刻機匹配使用時，為了求得線寬控制的均一性，對上述各種影響線寬的因素進行最佳匹配是-項比較冗長和煩瑣的調(diào)整工作。這時能借助設(shè)備自身配備的分析軟件對標準片曝光后進行各項數(shù)據(jù)分析，從而得出各項校正系數(shù)，進而獲得較佳的匹配效果。 5 硅片預(yù)對位的匹配硅片進行第二次曝光前，必須通過預(yù)對位標記的定位確定硅片的x，y坐標系統(tǒng)和工作臺的坐標系統(tǒng)之間的關(guān)系，以便套刻對位，求出硅片上每個曝光在

12、工作臺坐標系統(tǒng)中精確的曝光點位置。對于同一臺設(shè)備來說，預(yù)對位的重復(fù)性一般來說是較好的，但對不同設(shè)備混合使用，由于各臺設(shè)備中預(yù)對位傳感器位置的差異及預(yù)對位機械結(jié)構(gòu)定位的差異，假如有N臺曝光設(shè)備，則有N(N-1)2種可能的設(shè)備組合，大大增加了預(yù)對位重復(fù)性的難度，這就必須進行預(yù)對位匹配的調(diào)整。用標準硅片在參照機上做第一次曝光，然后在其它匹配機上作第二次曝光的預(yù)對位，按照(圖7)所示求出預(yù)對位時工作臺坐標系統(tǒng)的x、y偏差值以及旋轉(zhuǎn)的偏差值。校正方法有兩種如果偏差值在軟件允許補償?shù)姆秶鷥?nèi)則用軟件方法校正如果偏差值超出軟件補償范圍則調(diào)整預(yù)對位機械結(jié)構(gòu)位置，然后再用軟件方法再次校正，以便保證所有硅片能進入預(yù)

13、對位標記的掃描范圍之內(nèi)。6小結(jié)光刻機的匹配調(diào)整是-項非常復(fù)雜的工作，在進行調(diào)整時，以下幾點準則應(yīng)當遵循：匹配使用的光刻機，首先應(yīng)該是各單臺光刻機調(diào)整到設(shè)備本身的最佳狀態(tài)，各項技術(shù)指標必須在設(shè)備規(guī)定的范圍之內(nèi)。 設(shè)備進行匹配調(diào)整時，凡是能通過軟件修正量的改變能實現(xiàn)的盡量使用軟件方式來調(diào)整，因為軟件調(diào)整是可改變的，可恢復(fù)的。而機器硬件調(diào)整的可恢復(fù)性比較差，特別是有嚴格精度要求的，基本上沒有硬件調(diào)整的余地。關(guān)鍵圖層通常參照分辨率，但是特性尺寸方面的非關(guān)鍵層次并不意味著套刻指標方面也是非關(guān)鍵的。套刻的三個基本組成部分是對準標記檢測能力，工作臺定位精度和重復(fù)精度，以及用于曝光套刻工藝的兩臺設(shè)備間鏡頭畸變

14、的差別。隨著工藝中金屬層的增加，對于測量對位標記的誤差不斷加大，這樣光學(xué)曝光像場畸變就成為影響套刻的三個基本組成部分中最關(guān) 鍵的因素。在光刻機匹配使用時，對相應(yīng)的光刻工藝，比如顯影時間、光刻膠厚度、光刻膠類型等引起足夠的重視。 隨著超大規(guī)模集成電路圖形密度的增大，鄰近效應(yīng)已成為光學(xué)刻的關(guān)鍵問題之-。例如在乎整硅片上對051xm圖形采用054NA和傳統(tǒng)的單層I線抗蝕工藝時，密集圖形和孤立圖形間的線寬差異大約為0081xm，在本文論述中各種誤差進行匹配調(diào)整時必須充分認識到這種線寬誤差對整體匹配的影響。 本文重點討論了同類型光刻機的匹配調(diào)整。在實際應(yīng)用中，GCA85005E光刻機之間的匹配使用，NIKON光