光刻机的匹配和调整

光刻机的匹配和调整周虎明韩隽(中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035)摘要：光刻机的匹配使用是半导体工艺大生产线上提高生产效率的一项重要措施。光刻机的匹配主要包括场镜误差的匹配和隔栅误差的匹配，如何调整相同型号光刻机的匹配使用将是本文论述的重点。关键词：套刻精度；误差；匹配；调整中图分类号：TN305文献标识码：A1引言在超大规模集成电路圆片工艺生产线上，往往投入多台光刻机同时使用，有相同型号的多台光刻机，也有不同型号光刻机同时运行。同时随着不同工艺平台的发展(例如：从2μm生产平台逐步升级为1.2μm，1．0μm，0．8μm，0．5μm生产平台)。光刻机性能也不断地产生相应的升级；G-线，I-线。为了提高生产效率，光刻机的匹配使用是十分重要的。匹配使用的另一个好处是充分发挥不同光刻机的作用，特别发挥价格昂贵的高性能光刻机的作用。因为一般来说，在一定的设计规则下，IC圆片生产过程中有三分之一左右是关键层次，其余为次关键层次和非关键层次。以0．8μlm单多晶双金属CMOS工艺电路为例，关键层次：有源区、多晶层、接触孔、通孔这些层次的线宽为0．8μm，而其他光刻层次如：金属层，阱，场，注入等为1.1~1.3μm，还有非关键层次如PAD等可大于1.5μm。这样在匹配使用光刻机时可考虑关键层次用I-线光刻机曝光，而其他非关键层次用G-线光刻机。所谓光刻机的匹配使用是指同一产品不同的工艺图层可以分别在不同型号或同一型号不同系列的光刻机上进行光刻，而不影响光刻工艺的质量。亦即保证达到各个工艺图层所要求的套刻精度和线宽控制要求。为达此目标，必须对工艺线上同时使用的光刻机进行各种误差的匹配调整。这包括了场镜误差(IntraheldError)的匹配，隔栅误差(GridError)的匹配，线宽控制的匹配以及其它使用方面的匹配等，以下将分别论述如何对这些误差进行匹配和调整。2场镜误差的匹配场镜误差是指一个曝光视场内产生的成像误差。在分析场镜误差时，把硅片工作台设定在静止位置，那么产生场镜误差主要由于两部分的误差引起的：即掩膜版承版台系统和镜头部分。掩膜版承版台系统主要负责掩膜版的对位，由此会产生以下几方面的误差：●掩膜版的平移误差(ReticleTranslationError)●掩膜版的旋转误差(ReticleRotationError)●掩膜版的倾斜误差(TrapzoidError)●掩膜版的对位误差(AlignmentError)镜头本身产生以下几个方面的误差：●镜头倍率误差(MagnifiationError)●镜头失真误差(AnamorphismError)●镜头固有误差(ResidualsError)为了校准每一台光刻机，首先选定一台光刻机作为参照样机，并把该机调整到最佳状态，然后选定一块参照掩膜版，在校准各台光刻机时均采用这块参照版校准基准片(亦称作黄金片goldwafer)。这种片子属于一种在整个平面上带有从参照掩膜上曝光下来有非常密集的各种分辨率图形和套刻图形阵列的刻蚀片，它作为一个标准片在每台光刻设备上经历光刻和曝光、显影后，各种分辨率图形和设备各项误差指标就可以测出，用于分析、比较和优化产生出每台光刻机透镜和片子步进组合的特性、匹配矢量图，进而得出匹配校正误差。对于每一台设备场镜误差的各个可校正的误差可以设置补偿值(offset)来匹配，这个校正值的取得可作为和参照设备相对应校正误差的差值。场镜误差的匹配性最终反映在民机场内套刻误差的差异性上，因为每种透镜均有一个特征畸变图形，其位置误差作为曝光像场位置的一种函数。如果器件的每一层都在同一台光刻机上曝光，则由于仅有的位置误差相对于下一层的关系，相对来说其误差便不很重要。如果下一层曝光在另外一台光刻机上曝光。则有可能产生一个相反方向的距透镜中心的径向对准误差，这种畸变的误匹配会使得异机套刻误差比单台设备运行时产生的套刻误差大50％-100％。为了检查场镜误差匹配的情况，检测场内套刻偏差是一种综合性验收。在标准片上曝光成像最大像场，然后比较像场内四个角和中心的套刻偏差情况，尽量取得和参照样机像场套刻偏差相一致，越是接近，则匹配的效果就越好。通常来说光刻机设备主控计算机内都具备有根据曝光片自身检测和计算镜头畸变产生的误差分量和软件校正方法。这样取得和参照样机误差相一致性的校正就更为方便一些。3隔栅误差的匹配隔栅误差的匹配是指片内套刻精度的匹配，而隔栅误差可校正部分主要有以下几种类型：●平移误差(TranslationError，如图(1)a所●比例误差(ScaleError，如图(1)b所示)●正交性误差(Orthogonality，如图(1)c所●旋转误差(RotationError，如图(1)d所示)Nikon系列光刻机中，掩膜版的直角坐标系统、硅片的直角坐标系统、硅片上曝光成像图形的坐标系统以及硅片工作台的直角坐标系统，它们之间的相互关系如(图2)所示，掩膜版坐标系统的原点是掩膜版的中心，硅片坐标系统的原点是硅片的中心位置，而硅片上曝光成像图形的中心，亦即该坐标系统的原点是掩膜版中心在硅片上投影成像点的位置。而硅片工作台坐标系统的原点是工作台激光测量系统计数器初始化时复位清零点位置，根据光刻机中不同的硬件设置位置而异。同类型光刻机的起始位置应是相同方向的。为了确定上述几个坐标系统之间相互位置的关系，在光刻机中工作台上设置有一个特定的检测系统(1NSITU)，在检测系统上设置了几组基准标记(FiducialMark)，每台设备中各基准标记相对于曝光轴之间的距离是一组设备常数，在设备出厂前作为机器常数存放在相应的软件文件中。但由于硬件安装、环境变化等多方面原因会造成实际位置和设备常数之间有一个偏差值，即所谓的基准补偿值(BaselineOffset)，通过标准片在不同设备上曝光的位置可以求出隔栅误差的各种差异，进而根据匹配要求，适当加入-定量的基准补偿值进而达到最佳的隔栅误差匹配。用标准片在参照机上曝光隔栅图形作为标准误差，则其它与之相匹配的设备曝光的隔栅作为匹配误差。其计算原理和方法如下：●比例误差匹配x方向比例误差：Sx(x'／x-1)×106(ppm)…(1)y方向比例误差：Sy：(y'/y-1)×106(ppm)…(2)●正交性误差ωω(μrad)=dx[μm]／L[μm]×106…(3)●旋转误差θθ（μrad）=dy[mμ]／L[μm]×106…(4)在上述隔栅误差进行匹配校正以后，最终验证隔栅误差的匹配应反映在套刻精度的匹配。用标准片在不同设备上按(图6)的矩阵进行二次曝光，一般选九个曝光像场(如图6)中所标序号，分别读取x，y方向套刻精度，并按公式(5)公式(6)计算出每台设备x，y方向的套刻精度Rx和Ry：由于每台设备已调整在机器指标范围内，所以对于同一类型光刻机匹配时，套刻精度的离散度相对较小，亦即d值相对较小，基本上没有调整的余地，而均值误差I王I或I歹I各台设备之间会有一定的偏差，这主要是各台设备中用于对位的传感器物理位置的偏差引起，当然还有其它方面的一些因素造成。但通过软件校正方式适当加入传感器基准位置的偏置嘲舶皂达到平均误差值的尽量匹配。4线宽控制的匹配线宽控制是光刻质量的关键，光刻机特睦影响成像线宽的因素主要包括以下几个方面●曝光系统的光强均匀性●曝光剂量的控制●版台系统对线宽的影响●光刻机调焦特'陛对线宽的影响●硅片找平系统特陛对线宽的影响在利用I线光刻制造亚微米设计尺寸的半导体器件时，获得稳定的线宽控制(CD)是非常重要的。多台光刻机匹配使用时，为了求得线宽控制的均一性，对上述各种影响线宽的因素进行最佳匹配是-项比较冗长和烦琐的调整工作。这时能借助设备自身配备的分析软件对标准片曝光后进行各项数据分析，从而得出各项校正系数，进而获得较佳的匹配效果。5硅片预对位的匹配硅片进行第二次曝光前，必须通过预对位标记的定位确定硅片的x，y坐标系统和工作台的坐标系统之间的关系，以便套刻对位，求出硅片上每个曝光在工作台坐标系统中精确的曝光点位置。对于同一台设备来说，预对位的重复性一般来说是较好的，但对不同设备混合使用，由于各台设备中预对位传感器位置的差异及预对位机械结构定位的差异，假如有N台曝光设备，则有N(N-1)／2种可能的设备组合，大大增加了预对位重复性的难度，这就必须进行预对位匹配的调整。用标准硅片在参照机上做第一次曝光，然后在其它匹配机上作第二次曝光的预对位，按照(图7)所示求出预对位时工作台坐标系统的x、y偏差值以及旋转的偏差值。校正方法有两种如果偏差值在软件允许补偿的范围内则用软件方法校正如果偏差值超出软件补偿范围则调整预对位机械结构位置，然后再用软件方法再次校正，以便保证所有硅片能进入预对位标记的扫描范围之内。6小结光刻机的匹配调整是-项非常复杂的工作，在进行调整时，以下几点准则应当遵循：●匹配使用的光刻机，首先应该是各单台光刻机调整到设备本身的最佳状态，各项技术指标必须在设备规定的范围之内。●设备进行匹配调整时，凡是能通过软件修正量的改变能实现的尽量使用软件方式来调整，因为软件调整是可改变的，可恢复的。而机器硬件调整的可恢复性比较差，特别是有严格精度要求的，基本上没有硬件调整的余地。●关键图层通常参照分辨率，但是特性尺寸方面的非关键层次并不意味着套刻指标方面也是非关键的。套刻的三个基本组成部分是对准标记检测能力，工作台定位精度和重复精度，以及用于曝光套刻工艺的两台设备间镜头畸变的差别。随着工艺中金属层的增加，对于测量对位标记的误差不断加大，这样光学曝光像场畸变就成为影响套刻的三个基本组成部分中最关键的因素。●在光刻机匹配使用时，对相应的光刻工艺，比如显影时间、光刻胶厚度、光刻胶类型等引起足够的重视。●随着超大规模集成电路图形密度的增大，邻近效应已成为光学刻的关键问题之-。例如在乎整硅片上对0．51xm图形采用0．54NA和传统的单层I线抗蚀工艺时，密集图形和孤立图形间的线宽差异大约为0．081xm，在本文论述中各种误差进行匹配调整时必须充分认识到这种线宽误差对整体匹配的影响。本文重点讨论了同类型光刻机的匹配调整。在实际应用中，GCA85005E光刻机之间的匹配使用，NIKON光刻机NSRl505G6D、NSRl505i6A、NSR2005i9C之间的匹配使用都得到了论证和应用，充分发挥了设备的潜能和提高了生产效率。随着光刻技术的不断发展，光学光刻已从传统的G线、I线到，发展到远紫外，197nm以及157nm，设备的占用成本越来越高，而随着集成电路设计尺寸的继续缩小，更为严格的套刻指标和巨额的设备成本，混合匹配使用将成为一种必然的需要。各种混合匹配，以及光学光刻之后下一代光刻系统的混合匹配是需要不断研究的新课题。