硅片翹曲對光刻條寬均勻性的分析

1 硅片翹曲測試

　　在集成電路制造中，光刻質量的好壞是影響產品成品率的主要因素之一，條寬均勻性是衡量光刻質量的兩大指標之一。隨著集成電路特征尺寸的縮小，步進光刻機在生產中得到了普遍的應用，硅片的翹曲對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過程的影響，硅片總是存在著翹曲等不平整的現象。為了調查硅片的翹曲情況，下面以硅片在步進光刻機曝光臺上的最終聚焦值來表征其翹曲情況。
下面分別列出翹曲嚴重的硅片（硅片1）和較平整的硅片（硅片2）在曝光臺上的最終聚焦測試值。其數據采自96mm×96mm面積、點距為8mm的測試值，共計有13×13個數據，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

　　從數據中可以看出，硅片1與硅片2的翹曲情況有明顯差別。下面將結合光刻膠及步進光刻機的聚焦曝光原理來分析不同翹曲度的硅片對光刻條寬均勻性的影響。

　　2 正性光刻膠的條寬特性

　　通過在步進光刻機PAS5000/55上FEM（focus exposure matrix）試驗，發現用AZ603-14cp正性光刻膠在500nm的SiO2襯底上曝0.8mm的密集條時，其條寬與焦距能量存在如下關系，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 硅片翹曲對條寬均勻性影響

　　步進光刻機的曝光方式顧名思義是對一個接一個曝光場進行曝光的，在每個場曝光前，設備將進行一次聚焦，位置大約在一曝光場的中心位置。如果在一個曝光場內其它地方的聚焦與中心的有變化，則此曝光場內的條寬就會存在差異，即存在條寬均勻性問題。

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

　　框中心位置（中心的數字位置）是這個曝光場的聚焦位置，設備會在曝光之前自動把中心焦距（對應標號數字表示的）調整為零。由于硅片的翹曲，同一曝光場的其余點和中心位置點或多或少會存在著焦距不為零的情況。

　　分析上面的數據，能夠得到每個曝光場內與中心相比的最大焦距差DF。硅片1的每個曝光場內的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 +
+ + + + + + + + + + + + +

　　對比條寬與焦距、曝光能量關系圖，可以看出，除B2，C2，D2，D3及E3五個曝光場外，其余曝光場內的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0.8mm尺寸的集成電路。
而對于硅片2，同樣方法得到每個曝光場內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，對比條寬與焦距、曝光能量關系圖，可以看出，此片可以用來生產0.8mm尺寸的集成電路。在DF為-0.9mm的曝光場內，其條寬最小為0.767mm。從條寬與焦距、曝光能量關系圖可看出，硅片內每個曝光場的DF絕對值越小，則硅片內條寬均勻性越好。
對于步進光刻機，分辨率（R）可以用公式1表達
R=k1×λ/NA （1）
　　其中，k1是一個主要由光刻膠決定的因子，λ是曝光波長，NA是棱鏡的數值孔徑。景深（DOF）可用公式2表達為
DOF=k2×λ/NA2
　　其中，k2是一個因子。

　　從公式1和2可以看出，分辨率、景深、曝光波長及數值孔徑之間存在著內在聯系。條寬越小，要求的分辨率越高，景深越小，故條寬尺寸越小，對硅片的平整度要求越高。

　　4 結束語

　　通過以上分析，可以看出硅片翹曲度對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，故對硅片的要求也就更高。
超出工藝景深的硅片翹曲會導致曝光場邊緣的大量管芯失效，從而極大地影響成品率。故而對于特定的工藝產品，需對材料片的采購、生產中外延及高溫氧化等易造成硅片翹曲的過程加以控制。