介紹

在摩爾定律引導(dǎo)下，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）也在不斷更新?lián)Q代。隨著集成電路產(chǎn)品技術(shù)需求的提升，光刻技術(shù)也不斷地提高分辨率，以制作更精細(xì)的器件尺寸。

傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中鏡頭和晶圓之間的介質(zhì)是空氣，而浸潤(rùn)式光刻技術(shù)則是把空氣換成了液體，比如水，這是利用了光通過(guò)液體后波長(zhǎng)縮短從而提高分辨率的原理。

隨著浸潤(rùn)式光刻技術(shù)的發(fā)展和成熟度越來(lái)越高，目前其精度已然達(dá)到 28 nm 生產(chǎn)工藝節(jié)點(diǎn)，其各項(xiàng)主要性能也得到業(yè)界認(rèn)可，如表 1 所示。

光刻機(jī)由眾多復(fù)雜的系統(tǒng)組成，其中自動(dòng)聚焦系統(tǒng)（如圖 1）保證了晶圓在曝光時(shí)能夠處于最佳聚焦范圍內(nèi)，從而確保曝光時(shí)聚焦的精度。

浸潤(rùn)式光刻機(jī)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)掃描長(zhǎng)度可以達(dá)到 328 mm，而12 寸晶圓直徑為 300 mm，但由于掃描結(jié)果和判斷準(zhǔn)則限制，實(shí)際自動(dòng)聚焦系統(tǒng)只能認(rèn)定 292 mm 范圍內(nèi)的結(jié)果為有效數(shù)據(jù)。

而晶圓的曝光區(qū)域?yàn)橹睆?294 mm 的圓（3mm去邊），如此則存在了一個(gè)1 mm 的環(huán)形盲區(qū)是自動(dòng)聚焦系統(tǒng)無(wú)法偵測(cè)的。

這就大大增加了產(chǎn)品的邊緣缺陷風(fēng)險(xiǎn)， 一旦在此盲區(qū)內(nèi)存在了顆粒或者光刻膠殘留，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品邊緣曝光時(shí)出現(xiàn)離焦，從而影響良率（如圖 2）。

一方面是設(shè)備本身設(shè)計(jì)缺陷，即使邊緣存在離焦，它也無(wú)法報(bào)警預(yù)知，只能通過(guò)后期產(chǎn)品缺陷監(jiān)測(cè) 才有可能看到問(wèn)題。

另一方面缺少有效的監(jiān)控手段，低效的人為采樣監(jiān)控，可能導(dǎo)致有問(wèn)題的產(chǎn)品無(wú)法發(fā)現(xiàn)，最終影響芯片良率。

優(yōu)化管理方案

如圖 3 為典型的缺陷圖，針對(duì)問(wèn)題，我們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)收集和數(shù)據(jù)分析，提出了以下幾種改善方案，事實(shí)證明針對(duì)邊緣缺陷問(wèn)題可以做到有效地監(jiān)控管理。

1.1 擴(kuò)邊法

常規(guī)晶圓表面平坦度（檢測(cè)范圍為 147 mm 以內(nèi)，通過(guò)擴(kuò)邊將平坦度的計(jì)測(cè)掃描范圍擴(kuò)大至149mm，結(jié)果發(fā)現(xiàn)邊緣出現(xiàn)明顯差異，如圖所示。

在正常狀態(tài)下，如圖 4（a），平坦度最大值為 60.8 nm，而當(dāng)我們擴(kuò)邊以后，如圖 4（b），發(fā)現(xiàn)邊緣出現(xiàn)了紅色點(diǎn)，最大值達(dá)到 154 nm，而經(jīng)過(guò)清掃后邊緣結(jié)果變好，如圖 4（c）。

這說(shuō)明邊緣位置一旦有顆?；蚬饪棠z殘留時(shí)，僅靠常規(guī)檢驗(yàn)方式可能帶來(lái)“誤判”。因此需要通過(guò)擴(kuò)邊加大計(jì)測(cè)范圍，給予工程師更準(zhǔn)確的依據(jù)。

1.2 平移法

前面我們提到過(guò)浸潤(rùn)式光刻機(jī)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng) 在設(shè)計(jì)上改變了原有的矩陣排布，可以在做位置校準(zhǔn)的同時(shí)一并進(jìn)行自動(dòng)聚焦測(cè)量，縮短了晶圓作業(yè)時(shí)間。

1.2.1 在線監(jiān)控

順著這樣的設(shè)計(jì)思路，我們嘗試建立新的監(jiān)控方法，將原本的位置對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記向左或向右任意一個(gè)方向移動(dòng) 1 mm。

這樣的話自動(dòng)聚焦系統(tǒng)也會(huì)相應(yīng)的向左或向右移動(dòng)了 1mm，如此就間接的擴(kuò)大了邊緣的監(jiān)控范圍（146 mm → 147 mm），從而可以做到時(shí)時(shí)監(jiān)控到 147 mm 邊緣離焦情況。

當(dāng)然兩邊都要監(jiān) 控的話可以建兩個(gè)方向的監(jiān)控機(jī)制。如圖 5 所示，實(shí)驗(yàn)顯示在新的監(jiān)控試驗(yàn)下，也是可以有效地發(fā)現(xiàn)邊緣離焦現(xiàn)象。

1.2.2 最佳聚焦法

如果說(shuō)前面提到的方法是線上監(jiān)控的話，那么最佳聚焦法是設(shè)備技術(shù)人員用來(lái)監(jiān)控機(jī)臺(tái)性能的手段。

因此我們嘗試微調(diào)最佳聚焦計(jì)測(cè)法的條件，將邊緣曝光區(qū)域里的標(biāo)記向外移動(dòng) 1 mm，如圖 6 所示。

這就類似前面提到的移動(dòng)校準(zhǔn)標(biāo)記一樣，這樣就能使得自動(dòng)聚焦系統(tǒng)也向同方向移動(dòng)，達(dá)到監(jiān)控更邊 緣的效果。

一方面最佳聚焦計(jì)測(cè)法更貼合產(chǎn)品的聚焦情況，另一方面該方法的更改更方便。如圖 7 所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)收取數(shù)據(jù)驗(yàn)證此方法同樣可以有效地監(jiān)控到邊緣的情況。

1.3 密集法

該方法是將每個(gè)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的掃描間距變小，比如原來(lái)每個(gè)傳感器監(jiān)控范圍為 4 mm，只能監(jiān)控到 146 mm，現(xiàn)在掃描范圍改成原來(lái)的一半即2mm，如圖 8 所示。

這樣設(shè)計(jì)正好兼顧了 147 mm 的曝光邊緣帶。該方法在軟件端就可以設(shè)定，無(wú)需硬件改動(dòng)，這樣就能夠得到147 mm處的聚焦數(shù)據(jù)。

但是這種方法會(huì)增加晶圓作業(yè)時(shí)間，降低產(chǎn)能。

1.4 比對(duì)法

浸潤(rùn)式光刻機(jī)在每次跑產(chǎn)品時(shí)都會(huì)形成對(duì)應(yīng)的聚焦圖像，如圖 9 所示。

一般情況下產(chǎn)品的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)不在晶圓中心，這就類似于平移法一樣，產(chǎn)品的條件已經(jīng)提供了平移的設(shè)定，那么我們可以定期監(jiān)控邊緣情況即可。

通過(guò)選定某一天的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，之后每日監(jiān)控并與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)做差分，可以得到邊緣聚焦情 況的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，如圖 10 所示。

清掃方案升級(jí)

有效地監(jiān)控可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，將隱患降至最低，避免大批量的產(chǎn)品受到影響。而一旦提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，接下來(lái)就需要進(jìn)行曝光臺(tái)邊緣清理。

曝光臺(tái)清掃分為自動(dòng)清掃和手動(dòng)清掃兩種，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的清掃經(jīng)驗(yàn)積累，針對(duì)不同的污染源，我們制定了不同的手動(dòng)清理方案，如表2 所示。

同時(shí)針對(duì)清掃工具，我們和廠商研究討論，對(duì)傳統(tǒng)的清掃材質(zhì)進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，降低了曝光臺(tái)的損壞率，延長(zhǎng)了關(guān)鍵部品的壽命，節(jié)省了成本，改造前后對(duì)比如表 3 所示，新舊磨石如圖 11 所示。

在這里，我們通過(guò)開(kāi)發(fā)了小程序，如圖 12 所示， 將機(jī)臺(tái)原來(lái)的自動(dòng)清掃功能（所謂原來(lái)的自動(dòng)清掃還是需要人為借機(jī)后操作）做了一定更改。

變成了定期自動(dòng)觸發(fā)清掃曝光臺(tái)，當(dāng)然也可以設(shè)定條件觸發(fā)，避免機(jī)臺(tái)正在曝光時(shí)候進(jìn)行清掃。

總結(jié)

以上四種管理方案的提出，改善了最初無(wú)法監(jiān)控的狀況，而且四種方法可以交替使用，比對(duì)法我們可以作為每日監(jiān)控的窗口，從而及時(shí)判斷線上產(chǎn)品的情況；

監(jiān)控平移法可以作為線上監(jiān)控手段，如果監(jiān)控專用的晶圓緊張，我們可以選擇最佳聚焦計(jì)測(cè)平移法、擴(kuò)邊法以及密集法進(jìn)行交替使用。

這些監(jiān)控手段極大地改善了浸潤(rùn)式光刻機(jī)因晶圓邊緣缺陷缺少管理而影響良率的現(xiàn)狀，有效地對(duì)設(shè)備本身缺陷進(jìn)行了彌補(bǔ)，減少了更多的產(chǎn)品遭受離焦影響。

即延長(zhǎng)了設(shè)備零部件的使用壽命，為公司節(jié)省了人力物力，也大大提升了大宗產(chǎn)品良率。

后續(xù)針對(duì)邊緣缺陷問(wèn)題，我們對(duì)現(xiàn)有的清掃曝光臺(tái)的方案進(jìn)行了歸納總結(jié)，針對(duì)不同的污染源制定了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

同時(shí)，和廠商一起對(duì)清掃工具進(jìn)行了改造升級(jí)，降低了曝光臺(tái)的損耗率，延長(zhǎng)了部 品的壽命。

另外，通過(guò)增加定時(shí)自動(dòng)清掃程序，降低了大規(guī)模清掃風(fēng)險(xiǎn)。有效的監(jiān)控可以幫助我們?yōu)楹罄m(xù)動(dòng)作的判斷提供保障，確保我們能夠在短時(shí) 間內(nèi)做出正確的決定。