硅片翹曲對(duì)光刻條寬均勻性的分析

1 硅片翹曲測(cè)試

　　在集成電路制造中，光刻質(zhì)量的好壞是影響產(chǎn)品成品率的主要因素之一，條寬均勻性是衡量光刻質(zhì)量的兩大指標(biāo)之一。隨著集成電路特征尺寸的縮小，步進(jìn)光刻機(jī)在生產(chǎn)中得到了普遍的應(yīng)用，硅片的翹曲對(duì)條寬均勻性的影響不容忽視。

　　由于受單晶拋光工藝的限制及生產(chǎn)過程的影響，硅片總是存在著翹曲等不平整的現(xiàn)象。為了調(diào)查硅片的翹曲情況，下面以硅片在步進(jìn)光刻機(jī)曝光臺(tái)上的最終聚焦值來表征其翹曲情況。
下面分別列出翹曲嚴(yán)重的硅片（硅片1）和較平整的硅片（硅片2）在曝光臺(tái)上的最終聚焦測(cè)試值。其數(shù)據(jù)采自96mm×96mm面積、點(diǎn)距為8mm的測(cè)試值，共計(jì)有13×13個(gè)數(shù)據(jù)，焦距極差為10.5mm。

　　硅片1：

-4.2 -1.7 -0.1 2.1 3.2 2.9 2.2 2.6 2.7 0.5 1.0 0.2 0.7
-2.0 2.7 1.6 2.4 1.2 0.4 -0.1 0.1 2.8 1.2 2.5 1.0 1.2
0.1 4.4 0.2 0.0 -0.7 -1.3 -1.4 -1.5 0.5 -0.7 1.9 1.7 0.2
2.1 2.9 -0.9 -0.9 -1.7 -2.2 -2.2 -2.3 -0.7 -1.7 0.2 2.5 1.0
2.7 1.9 -1.3 -1.8 -2.2 -2.4 -2.8 -2.8 -1.0 -2.5 -0.4 1.3 1.7
2.7 1.6 -2.0 -1.9 -2.6 -3.0 -3.0 -3.3 -1.2 -2.5 -0.7 0.9 2.4
3.2 1.0 -2.1 -1.9 -2.7 -3.6 -3.8 -3.6 -1.7 -3.0 -0.7 1.6 2.6
2.9 2.0 -1.6 -1.5 -2.3 -3.8 -4.1 -4.0 -1.8 -3.0 -0.7 1.0 2.3
3.0 1.7 -0.6 -1.2 -2.2 -3.3 -3.9 -4.0 -2.6 -1.9 0.2 2.3 1.7
3.0 5.2 -0.1 0.5 -0.2 -1.3 -2.2 -1.7 0.2 -1.8 2.0 3.8 1.5
1.0 4.5 1.7 1.0 0.2 -0.8 -1.3 -1.4 0.3 -0.5 3.3 1.9 -0.3
-2.7 2.1 2.0 3.5 2.4 1.0 1.2 1.4 3.3 2.7 1.8 -0.5 -2.5
-5.3 -3.6 -0.8 1.4 2.6 3.4 3.6 3.2 2.9 -0.5 -3.0 -0.6 -1.6

　　硅片2：

1.1 0.8 0.3 0.4 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.5 0.8 0.9 1.4
0.5 0.2 0.1 -0.1 -0.1 0.2 0.5 0.3 0.3 0.1 0.0 0.5 0.6
-0.1 -0.2 -0.2 -0.4 -0.3 -0.1 -0.1 0.2 -0.1 -0.3 -0.4 0.1 0.5
-0.2 -0.3 -0.4 -0.2 -0.2 -0.1 -0.1 0.0 -0.1 -0.1 -0.4 -0.2 0.0
-0.4 -0.3 -0.4 -0.2 0.0 -0.3 0.0 0.1 0.0 -0.4 -0.4 -0.5 -0.4
-0.5 -0.4 -0.5 -0.2 0.0 0.1 -0.1 0.0 -0.2 -0.7 -0.7 -0.6 -0.3
-0.5 -0.4 -0.3 -0.3 0.1 0.2 0.4 0.0 -0.4 -0.5 -0.7 -0.7 -0.8
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.3 0.2 0.3 0.0 -0.3 -0.5 -0.8 -0.6
-0.5 -0.3 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.1 -0.1 0.0 -0.4 -0.3 -0.5 -0.3
-0.2 -0.1 -0.3 -0.2 0.0 0.1 0.0 0.1 0.1 -0.1 -0.3 -0.3 -0.3
0.1 -0.1 0.0 0.0 0.1 0.0 0.2 0.2 0.2 0.0 -0.1 -0.2 -0.3
0.4 -0.1 0.2 0.1 0.1 0.3 0.4 0.5 0.2 0.2 0.1 0.2 0.3
0.7 0.4 0.5 0.4 0.6 0.7 0.7 0.5 0.6 0.5 0.5 0.5 0.8

　　從數(shù)據(jù)中可以看出，硅片1與硅片2的翹曲情況有明顯差別。下面將結(jié)合光刻膠及步進(jìn)光刻機(jī)的聚焦曝光原理來分析不同翹曲度的硅片對(duì)光刻條寬均勻性的影響。

　　2 正性光刻膠的條寬特性

　　通過在步進(jìn)光刻機(jī)PAS5000/55上FEM（focus exposure matrix）試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用AZ603-14cp正性光刻膠在500nm的SiO2襯底上曝0.8mm的密集條時(shí)，其條寬與焦距能量存在如下關(guān)系，用圖1來表示。圖中可以清楚地看出條寬與焦距能量之間的變化關(guān)系。在同一焦距下，增加曝光能量則條寬增大；在相同曝光能量下，若在最佳焦距上，條寬最大，如向兩邊偏離最佳焦距則條寬逐漸都變小，直至超出條寬允許的范圍。

　　3 硅片翹曲對(duì)條寬均勻性影響

　　步進(jìn)光刻機(jī)的曝光方式顧名思義是對(duì)一個(gè)接一個(gè)曝光場(chǎng)進(jìn)行曝光的，在每個(gè)場(chǎng)曝光前，設(shè)備將進(jìn)行一次聚焦，位置大約在一曝光場(chǎng)的中心位置。如果在一個(gè)曝光場(chǎng)內(nèi)其它地方的聚焦與中心的有變化，則此曝光場(chǎng)內(nèi)的條寬就會(huì)存在差異，即存在條寬均勻性問題。

　　假定一個(gè)曝光場(chǎng)的大小為16mm×16mm，則對(duì)硅片1，可以分解成如下形式（圖2），每一個(gè)框代表一個(gè)曝光場(chǎng)。

　　框中心位置（中心的數(shù)字位置）是這個(gè)曝光場(chǎng)的聚焦位置，設(shè)備會(huì)在曝光之前自動(dòng)把中心焦距（對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)數(shù)字表示的）調(diào)整為零。由于硅片的翹曲，同一曝光場(chǎng)的其余點(diǎn)和中心位置點(diǎn)或多或少會(huì)存在著焦距不為零的情況。

　　分析上面的數(shù)據(jù)，能夠得到每個(gè)曝光場(chǎng)內(nèi)與中心相比的最大焦距差DF。硅片1的每個(gè)曝光場(chǎng)內(nèi)的DF如下：

+ + + + + + + + + + + + +
+ 6.9 + 3.1 + -2.8 + -2.7 + 1.9 + -1.6 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 4.3 + 1.3 + -1.5 + -2.8 + -3.6 + 3.0 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 3.7 + 0.8 + -0.8 + -2.3 + -2.1 + -1.8 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 4.1 + 1.2 + -1.6 + -2.3 + -3.2 + 1.8 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 5.9 + 2.7 + 2.6 + 2.3 + -5.1 + 4.1 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 7.4 + 4.3 + -2.6 + 2.8 + 5.7 + -3.8 +
+ + + + + + + + + + + + +

　　對(duì)比條寬與焦距、曝光能量關(guān)系圖，可以看出，除B2，C2，D2，D3及E3五個(gè)曝光場(chǎng)外，其余曝光場(chǎng)內(nèi)的DF都超出了光刻膠的景深范圍，由此可見，硅片1不可以用來生產(chǎn)0.8mm尺寸的集成電路。
而對(duì)于硅片2，同樣方法得到每個(gè)曝光場(chǎng)內(nèi)與中心相比的最大焦距差DF如下：

+ + + + + + + + + + + + +
+ -0.9 + -0.5 + 0.5 + -0.4 + -0.6 + 0.9 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 0.2 + -0.3 + 0.2 + -0.2 + 0.3 + -0.7 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 0.2 + -0.3 + 0.4 + 0.4 + -0.7 + -0.3 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ -0.1 + -0.4 + 0.4 + 0.7 + 0.4 + -0.5 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ 0.4 + -0.3 + 0.3 + 0.2 + -0.3 + 0.2 +
+ + + + + + + + + + + + +
+ -0.8 + -0.5 + -0.4 + 0.3 + -0.4 + -0.7 +
+ + + + + + + + + + + + +

　　硅片2的DF在-0.9～0.9mm內(nèi)，對(duì)比條寬與焦距、曝光能量關(guān)系圖，可以看出，此片可以用來生產(chǎn)0.8mm尺寸的集成電路。在DF為-0.9mm的曝光場(chǎng)內(nèi)，其條寬最小為0.767mm。從條寬與焦距、曝光能量關(guān)系圖可看出，硅片內(nèi)每個(gè)曝光場(chǎng)的DF絕對(duì)值越小，則硅片內(nèi)條寬均勻性越好。
對(duì)于步進(jìn)光刻機(jī)，分辨率（R）可以用公式1表達(dá)
R=k1×λ/NA （1）
　　其中，k1是一個(gè)主要由光刻膠決定的因子，λ是曝光波長(zhǎng)，NA是棱鏡的數(shù)值孔徑。景深（DOF）可用公式2表達(dá)為
DOF=k2×λ/NA2
　　其中，k2是一個(gè)因子。

　　從公式1和2可以看出，分辨率、景深、曝光波長(zhǎng)及數(shù)值孔徑之間存在著內(nèi)在聯(lián)系。條寬越小，要求的分辨率越高，景深越小，故條寬尺寸越小，對(duì)硅片的平整度要求越高。

　　4 結(jié)束語

　　通過以上分析，可以看出硅片翹曲度對(duì)條寬均勻性的影響是巨大的，尤其是突變的比緩變的翹曲對(duì)條寬的均勻性有害得多。而小尺寸的集成電路，由于工藝的景深本身變小，故對(duì)硅片的要求也就更高。
超出工藝景深的硅片翹曲會(huì)導(dǎo)致曝光場(chǎng)邊緣的大量管芯失效，從而極大地影響成品率。故而對(duì)于特定的工藝產(chǎn)品，需對(duì)材料片的采購、生產(chǎn)中外延及高溫氧化等易造成硅片翹曲的過程加以控制。