硅片翘曲对光刻条宽均匀性的分析

1 硅片翘曲测试

　　在集成电路制造中，光刻质量的好坏是影响产品成品率的主要因素之一，条宽均匀性是衡量光刻质量的两大指标之一。随着集成电路特征尺寸的缩小，步进光刻机在生产中得到了普遍的应用，硅片的翘曲对条宽均匀性的影响不容忽视。

　　由于受单晶抛光工艺的限制及生产过程的影响，硅片总是存在着翘曲等不平整的现象。为了调查硅片的翘曲情况，下面以硅片在步进光刻机曝光台上的最终聚焦值来表征其翘曲情况。
下面分别列出翘曲严重的硅片（硅片1）和较平整的硅片（硅片2）在曝光台上的最终聚焦测试值。其数据采自96mm×96mm面积、点距为8mm的测试值，共计有13×13个数据，焦距极差为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

　　从数据中可以看出，硅片1与硅片2的翘曲情况有明显差别。下面将结合光刻胶及步进光刻机的聚焦曝光原理来分析不同翘曲度的硅片对光刻条宽均匀性的影响。

　　2 正性光刻胶的条宽特性

　　通过在步进光刻机PAS5000/55上FEM（focus exposure matrix）试验，发现用AZ603-14cp正性光刻胶在500nm的SiO2衬底上曝0.8mm的密集条时，其条宽与焦距能量存在如下关系，用图1来表示。图中可以清楚地看出条宽与焦距能量之间的变化关系。在同一焦距下，增加曝光能量则条宽增大；在相同曝光能量下，若在最佳焦距上，条宽最大，如向两边偏离最佳焦距则条宽逐渐都变小，直至超出条宽允许的范围。

　　3 硅片翘曲对条宽均匀性影响

　　步进光刻机的曝光方式顾名思义是对一个接一个曝光场进行曝光的，在每个场曝光前，设备将进行一次聚焦，位置大约在一曝光场的中心位置。如果在一个曝光场内其它地方的聚焦与中心的有变化，则此曝光场内的条宽就会存在差异，即存在条宽均匀性问题。

　　假定一个曝光场的大小为16mm×16mm，则对硅片1，可以分解成如下形式（图2），每一个框代表一个曝光场。

　　框中心位置（中心的数字位置）是这个曝光场的聚焦位置，设备会在曝光之前自动把中心焦距（对应标号数字表示的）调整为零。由于硅片的翘曲，同一曝光场的其余点和中心位置点或多或少会存在着焦距不为零的情况。

　　分析上面的数据，能够得到每个曝光场内与中心相比的最大焦距差DF。硅片1的每个曝光场内的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 +
+ + + + + + + + + + + + +

　　对比条宽与焦距、曝光能量关系图，可以看出，除B2，C2，D2，D3及E3五个曝光场外，其余曝光场内的DF都超出了光刻胶的景深范围，由此可见，硅片1不可以用来生产0.8mm尺寸的集成电路。
而对于硅片2，同样方法得到每个曝光场内与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内，对比条宽与焦距、曝光能量关系图，可以看出，此片可以用来生产0.8mm尺寸的集成电路。在DF为-0.9mm的曝光场内，其条宽最小为0.767mm。从条宽与焦距、曝光能量关系图可看出，硅片内每个曝光场的DF绝对值越小，则硅片内条宽均匀性越好。
对于步进光刻机，分辨率（R）可以用公式1表达
R=k1×λ/NA （1）
　　其中，k1是一个主要由光刻胶决定的因子，λ是曝光波长，NA是棱镜的数值孔径。景深（DOF）可用公式2表达为
DOF=k2×λ/NA2
　　其中，k2是一个因子。

　　从公式1和2可以看出，分辨率、景深、曝光波长及数值孔径之间存在着内在联系。条宽越小，要求的分辨率越高，景深越小，故条宽尺寸越小，对硅片的平整度要求越高。

　　4 结束语

　　通过以上分析，可以看出硅片翘曲度对条宽均匀性的影响是巨大的，尤其是突变的比缓变的翘曲对条宽的均匀性有害得多。而小尺寸的集成电路，由于工艺的景深本身变小，故对硅片的要求也就更高。
超出工艺景深的硅片翘曲会导致曝光场边缘的大量管芯失效，从而极大地影响成品率。故而对于特定的工艺产品，需对材料片的采购、生产中外延及高温氧化等易造成硅片翘曲的过程加以控制。