介紹

在摩爾定律引導下，國際半導體技術藍圖（ITRS）也在不斷更新換代。隨著集成電路產品技術需求的提升，光刻技術也不斷地提高分辨率，以制作更精細的器件尺寸。

傳統的光刻技術中鏡頭和晶圓之間的介質是空氣，而浸潤式光刻技術則是把空氣換成了液體，比如水，這是利用了光通過液體后波長縮短從而提高分辨率的原理。

隨著浸潤式光刻技術的發展和成熟度越來越高，目前其精度已然達到 28 nm 生產工藝節點，其各項主要性能也得到業界認可，如表 1 所示。

光刻機由眾多復雜的系統組成，其中自動聚焦系統（如圖 1）保證了晶圓在曝光時能夠處于最佳聚焦范圍內，從而確保曝光時聚焦的精度。

浸潤式光刻機的自動聚焦系統掃描長度可以達到 328 mm，而12 寸晶圓直徑為 300 mm，但由于掃描結果和判斷準則限制，實際自動聚焦系統只能認定 292 mm 范圍內的結果為有效數據。

而晶圓的曝光區域為直徑 294 mm 的圓（3mm去邊），如此則存在了一個1 mm 的環形盲區是自動聚焦系統無法偵測的。

這就大大增加了產品的邊緣缺陷風險， 一旦在此盲區內存在了顆粒或者光刻膠殘留，就會導致產品邊緣曝光時出現離焦，從而影響良率（如圖 2）。

一方面是設備本身設計缺陷，即使邊緣存在離焦，它也無法報警預知，只能通過后期產品缺陷監測 才有可能看到問題。

另一方面缺少有效的監控手段，低效的人為采樣監控，可能導致有問題的產品無法發現，最終影響芯片良率。

優化管理方案

如圖 3 為典型的缺陷圖，針對問題，我們通過大量的實驗收集和數據分析，提出了以下幾種改善方案，事實證明針對邊緣缺陷問題可以做到有效地監控管理。

1.1 擴邊法

常規晶圓表面平坦度（檢測范圍為 147 mm 以內，通過擴邊將平坦度的計測掃描范圍擴大至149mm，結果發現邊緣出現明顯差異，如圖所示。

在正常狀態下，如圖 4（a），平坦度最大值為 60.8 nm，而當我們擴邊以后，如圖 4（b），發現邊緣出現了紅色點，最大值達到 154 nm，而經過清掃后邊緣結果變好，如圖 4（c）。

這說明邊緣位置一旦有顆粒或光刻膠殘留時，僅靠常規檢驗方式可能帶來“誤判”。因此需要通過擴邊加大計測范圍，給予工程師更準確的依據。

1.2 平移法

前面我們提到過浸潤式光刻機的自動聚焦系統 在設計上改變了原有的矩陣排布，可以在做位置校準的同時一并進行自動聚焦測量，縮短了晶圓作業時間。

1.2.1 在線監控

順著這樣的設計思路，我們嘗試建立新的監控方法，將原本的位置對準標記向左或向右任意一個方向移動 1 mm。

這樣的話自動聚焦系統也會相應的向左或向右移動了 1mm，如此就間接的擴大了邊緣的監控范圍（146 mm → 147 mm），從而可以做到時時監控到 147 mm 邊緣離焦情況。

當然兩邊都要監 控的話可以建兩個方向的監控機制。如圖 5 所示，實驗顯示在新的監控試驗下，也是可以有效地發現邊緣離焦現象。

1.2.2 最佳聚焦法

如果說前面提到的方法是線上監控的話，那么最佳聚焦法是設備技術人員用來監控機臺性能的手段。

因此我們嘗試微調最佳聚焦計測法的條件，將邊緣曝光區域里的標記向外移動 1 mm，如圖 6 所示。

這就類似前面提到的移動校準標記一樣，這樣就能使得自動聚焦系統也向同方向移動，達到監控更邊 緣的效果。

一方面最佳聚焦計測法更貼合產品的聚焦情況，另一方面該方法的更改更方便。如圖 7 所示，通過實驗收取數據驗證此方法同樣可以有效地監控到邊緣的情況。

1.3 密集法

該方法是將每個自動聚焦系統的掃描間距變小，比如原來每個傳感器監控范圍為 4 mm，只能監控到 146 mm，現在掃描范圍改成原來的一半即2mm，如圖 8 所示。

這樣設計正好兼顧了 147 mm 的曝光邊緣帶。該方法在軟件端就可以設定，無需硬件改動，這樣就能夠得到147 mm處的聚焦數據。

但是這種方法會增加晶圓作業時間，降低產能。

1.4 比對法

浸潤式光刻機在每次跑產品時都會形成對應的聚焦圖像，如圖 9 所示。

一般情況下產品的對準標識不在晶圓中心，這就類似于平移法一樣，產品的條件已經提供了平移的設定，那么我們可以定期監控邊緣情況即可。

通過選定某一天的數據作為基準數據，之后每日監控并與基準數據做差分，可以得到邊緣聚焦情 況的長期變化趨勢，如圖 10 所示。

清掃方案升級

有效地監控可以提前發現問題，將隱患降至最低，避免大批量的產品受到影響。而一旦提前發現問題，接下來就需要進行曝光臺邊緣清理。

曝光臺清掃分為自動清掃和手動清掃兩種，經過長期的清掃經驗積累，針對不同的污染源，我們制定了不同的手動清理方案，如表2 所示。

同時針對清掃工具，我們和廠商研究討論，對傳統的清掃材質進行了升級改進，降低了曝光臺的損壞率，延長了關鍵部品的壽命，節省了成本，改造前后對比如表 3 所示，新舊磨石如圖 11 所示。

在這里，我們通過開發了小程序，如圖 12 所示， 將機臺原來的自動清掃功能（所謂原來的自動清掃還是需要人為借機后操作）做了一定更改。

變成了定期自動觸發清掃曝光臺，當然也可以設定條件觸發，避免機臺正在曝光時候進行清掃。

總結

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

監控平移法可以作為線上監控手段，如果監控專用的晶圓緊張，我們可以選擇最佳聚焦計測平移法、擴邊法以及密集法進行交替使用。

這些監控手段極大地改善了浸潤式光刻機因晶圓邊緣缺陷缺少管理而影響良率的現狀，有效地對設備本身缺陷進行了彌補，減少了更多的產品遭受離焦影響。

即延長了設備零部件的使用壽命，為公司節省了人力物力，也大大提升了大宗產品良率。

后續針對邊緣缺陷問題，我們對現有的清掃曝光臺的方案進行了歸納總結，針對不同的污染源制定了相應的應對方案。

同時，和廠商一起對清掃工具進行了改造升級，降低了曝光臺的損耗率，延長了部 品的壽命。

另外，通過增加定時自動清掃程序，降低了大規模清掃風險。有效的監控可以幫助我們為后續動作的判斷提供保障，確保我們能夠在短時 間內做出正確的決定。