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介紹
在摩爾定(ding)律引導(dao)下,國際半(ban)導(dao)體技術(shu)藍(lan)圖(ITRS)也在不斷更新換代(dai)。隨著(zhu)集成電路產品技術(shu)需求的(de)提升,光刻技術(shu)也不斷地提高(gao)分辨率(lv),以(yi)制(zhi)作更精細(xi)的(de)器(qi)件尺寸。
傳統的光(guang)刻(ke)技(ji)術(shu)中鏡頭和晶圓(yuan)之間(jian)的介質是空(kong)氣(qi),而浸(jin)潤式光(guang)刻(ke)技(ji)術(shu)則是把空(kong)氣(qi)換成了液(ye)體(ti),比如(ru)水,這是利用了光(guang)通過(guo)液(ye)體(ti)后波長縮短(duan)從而提(ti)高分辨率的原理。
隨著浸潤式(shi)光刻技(ji)術的發展和成(cheng)熟度越來(lai)越高,目(mu)前其精度已然達到 28 nm 生產工藝節(jie)點(dian),其各項(xiang)主(zhu)要性能也得到業界認可,如表 1 所(suo)示。
光(guang)刻機由眾多復雜的(de)系統(tong)組成,其中(zhong)自動(dong)聚焦系統(tong)(如圖(tu) 1)保(bao)證了(le)晶圓在曝(pu)(pu)光(guang)時能夠處(chu)于最佳聚焦范(fan)圍內,從(cong)而確保(bao)曝(pu)(pu)光(guang)時聚焦的(de)精度。
浸潤式(shi)光(guang)刻機的自動(dong)聚(ju)焦(jiao)系統掃描(miao)長度可(ke)以達到(dao) 328 mm,而12 寸晶圓直(zhi)徑(jing)為 300 mm,但(dan)由(you)于掃描(miao)結(jie)(jie)果和判斷準則限(xian)制,實際自動(dong)聚(ju)焦(jiao)系統只能(neng)認定(ding) 292 mm 范圍內的結(jie)(jie)果為有效(xiao)數據(ju)。
而晶圓(yuan)的曝光區(qu)域為直徑 294 mm 的圓(yuan)(3mm去邊),如此則存在了一個1 mm 的環形盲區(qu)是自(zi)動聚(ju)焦系統無法偵測(ce)的。
這就(jiu)大(da)大(da)增加了(le)(le)產品的邊緣缺(que)陷風(feng)險, 一旦在(zai)(zai)此(ci)盲(mang)區(qu)內存在(zai)(zai)了(le)(le)顆粒或者(zhe)光刻(ke)膠殘留,就(jiu)會(hui)導致產品邊緣曝光時出(chu)現離焦,從而(er)影響良(liang)率(如圖 2)。
一方面(mian)是(shi)設(she)備本身設(she)計缺陷(xian),即使邊(bian)緣(yuan)存在離(li)焦,它(ta)也無法(fa)報(bao)警預(yu)知,只能通過(guo)后期(qi)產品缺陷(xian)監測 才有可(ke)能看到問題。
另一方面缺少(shao)有效的監(jian)控(kong)手段,低效的人(ren)為(wei)采樣(yang)監(jian)控(kong),可能導致有問題的產品無法發(fa)現,最終影響(xiang)芯片良率。
優化管理方案
如(ru)圖(tu) 3 為典型的(de)缺(que)陷圖(tu),針對問(wen)題(ti),我(wo)們通過大量的(de)實驗收集和數據分析,提(ti)出了(le)以下幾種改善方案,事實證明針對邊緣缺(que)陷問(wen)題(ti)可以做到(dao)有效地監(jian)控管理(li)。
1.1 擴邊法
常規晶圓表面(mian)平坦度(檢測(ce)范圍為 147 mm 以內,通過擴邊(bian)(bian)將平坦度的(de)計測(ce)掃描范圍擴大至149mm,結果發現(xian)邊(bian)(bian)緣出現(xian)明顯(xian)差異,如圖所(suo)示。
在正常狀態下(xia),如圖(tu) 4(a),平坦度最(zui)大值為 60.8 nm,而當我們擴(kuo)邊(bian)以(yi)后(hou),如圖(tu) 4(b),發現邊(bian)緣出現了紅色點,最(zui)大值達(da)到 154 nm,而經(jing)過清掃后(hou)邊(bian)緣結果變好,如圖(tu) 4(c)。
這說明邊(bian)緣(yuan)位(wei)置一旦有顆粒或光刻膠殘留時,僅靠(kao)常(chang)規檢(jian)驗方(fang)式可能帶(dai)來“誤(wu)判”。因此(ci)需要通過擴邊(bian)加大計測范圍,給予工程師更準(zhun)確的依據。
1.2 平移法
前面我們(men)提(ti)到過浸(jin)潤式(shi)光刻(ke)機的(de)自動(dong)聚焦系統 在設計(ji)上改變(bian)了(le)原(yuan)有的(de)矩陣排布,可以在做位置校準的(de)同(tong)時一并(bing)進行自動(dong)聚焦測(ce)量(liang),縮(suo)短了(le)晶圓作(zuo)業時間。
1.2.1 在線監控
順著這樣(yang)的(de)設計(ji)思路,我(wo)們嘗試建立新的(de)監(jian)控方(fang)法,將原本的(de)位置(zhi)對準標記向左(zuo)或向右任意一(yi)個方(fang)向移動(dong) 1 mm。
這(zhe)樣的(de)話自動(dong)聚焦系統也會相應的(de)向左或向右移動(dong)了(le)(le) 1mm,如此就間接的(de)擴大(da)了(le)(le)邊(bian)緣(yuan)的(de)監控范圍(wei)(146 mm → 147 mm),從而可(ke)以做到時時監控到 147 mm 邊(bian)緣(yuan)離焦情(qing)況。
當然兩邊都要監(jian) 控(kong)的(de)話可(ke)以建兩個(ge)方向的(de)監(jian)控(kong)機制。如(ru)圖 5 所示,實驗(yan)顯示在新(xin)的(de)監(jian)控(kong)試(shi)驗(yan)下,也是可(ke)以有效地發現邊緣離焦現象(xiang)。
1.2.2 最佳聚焦法
如果說前面提(ti)到的(de)方法(fa)是線上監(jian)控(kong)的(de)話,那么最(zui)佳聚焦法(fa)是設備技術人員用來(lai)監(jian)控(kong)機(ji)臺性能的(de)手段。
因此(ci)我們嘗試微調最佳聚焦計測法的條件,將邊緣曝(pu)光(guang)區(qu)域里的標(biao)記向(xiang)外(wai)移動 1 mm,如圖(tu) 6 所示。
這就類似前面提到(dao)的移動(dong)校準標(biao)記(ji)一樣,這樣就能(neng)使(shi)得自動(dong)聚焦系統也(ye)向同(tong)方向移動(dong),達到(dao)監控(kong)更邊 緣的效果。
一方(fang)(fang)面(mian)最佳聚(ju)(ju)焦(jiao)計測法(fa)(fa)更(geng)貼合產(chan)品的(de)聚(ju)(ju)焦(jiao)情況,另(ling)一方(fang)(fang)面(mian)該方(fang)(fang)法(fa)(fa)的(de)更(geng)改(gai)更(geng)方(fang)(fang)便。如圖 7 所(suo)示(shi),通過實驗(yan)收取數(shu)據驗(yan)證此方(fang)(fang)法(fa)(fa)同樣可以有效地(di)監控(kong)到邊緣(yuan)的(de)情況。
1.3 密集法
該方(fang)法是(shi)將每(mei)個(ge)自動聚焦系統的掃(sao)描(miao)間(jian)距變(bian)小,比如(ru)原來(lai)每(mei)個(ge)傳感器監控范圍為(wei) 4 mm,只能監控到 146 mm,現在掃(sao)描(miao)范圍改成原來(lai)的一半即(ji)2mm,如(ru)圖 8 所(suo)示。
這(zhe)樣設(she)計正好兼(jian)顧(gu)了 147 mm 的曝光邊緣帶(dai)。該方法在軟件(jian)端就可(ke)以設(she)定,無需硬件(jian)改動,這(zhe)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(ci)跑產(chan)品時(shi)都會形成對應的聚(ju)焦圖像,如圖 9 所示。
一般情(qing)況下產品的對準標識(shi)不在晶圓(yuan)中心(xin),這就(jiu)類(lei)似于(yu)平(ping)移法一樣,產品的條(tiao)件已經提(ti)供了(le)平(ping)移的設定,那么(me)我們可以定期監控邊(bian)緣情(qing)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(cha)分,可以得到邊緣聚(ju)焦情 況的長期變(bian)化趨(qu)勢(shi),如圖 10 所(suo)示。
清掃方案升級
有效地監控可以提(ti)前(qian)發現問題(ti)(ti),將隱患降至(zhi)最(zui)低,避免大批(pi)量(liang)的(de)產品(pin)受到影響。而一旦提(ti)前(qian)發現問題(ti)(ti),接下(xia)來就需(xu)要進行(xing)曝(pu)光臺邊緣清(qing)理。
曝光臺清掃(sao)(sao)分為自(zi)動(dong)清掃(sao)(sao)和手(shou)動(dong)清掃(sao)(sao)兩種(zhong),經過長期的(de)(de)清掃(sao)(sao)經驗積累,針對不同的(de)(de)污(wu)染源,我們(men)制定了不同的(de)(de)手(shou)動(dong)清理(li)方案,如表2 所(suo)示。
同時針(zhen)對(dui)(dui)清掃(sao)工具,我(wo)們和廠商(shang)研究討論,對(dui)(dui)傳統的(de)清掃(sao)材質進行了升級改進,降低(di)了曝光臺的(de)損壞率,延(yan)長了關鍵部品的(de)壽命,節省了成(cheng)本,改造前后對(dui)(dui)比如(ru)表 3 所示(shi),新(xin)舊磨石(shi)如(ru)圖(tu) 11 所示(shi)。
在這里,我們通過開發了(le)小程序,如圖 12 所(suo)示, 將機臺原(yuan)來(lai)的自動(dong)清(qing)掃功(gong)能(所(suo)謂(wei)原(yuan)來(lai)的自動(dong)清(qing)掃還是需要人(ren)為借機后操作(zuo))做了(le)一定更改(gai)。
變(bian)成了定(ding)期(qi)自動觸發清(qing)掃(sao)(sao)曝光臺(tai)(tai),當(dang)然也可以設定(ding)條(tiao)件觸發,避免(mian)機臺(tai)(tai)正在曝光時候進行(xing)清(qing)掃(sao)(sao)。
總結
以(yi)上四種管理方案(an)的(de)提出(chu),改善(shan)了(le)最初無法(fa)監控(kong)(kong)的(de)狀況(kuang),而且四種方法(fa)可以(yi)交替使用,比(bi)對法(fa)我們可以(yi)作為每日(ri)監控(kong)(kong)的(de)窗(chuang)口,從而及時判(pan)斷線上產品(pin)的(de)情況(kuang);
監(jian)控(kong)平移(yi)法(fa)可以作為(wei)線上監(jian)控(kong)手段,如果監(jian)控(kong)專用(yong)的晶圓緊(jin)張(zhang),我們可以選(xuan)擇(ze)最佳聚焦計測(ce)平移(yi)法(fa)、擴(kuo)邊法(fa)以及密(mi)集法(fa)進(jin)行(xing)交替使用(yong)。
這(zhe)些監控(kong)手(shou)段(duan)極大地改善了(le)(le)浸潤式(shi)光(guang)刻(ke)機因(yin)晶圓邊緣缺陷(xian)缺少管理而影響良(liang)率(lv)的(de)現狀,有效地對設備本身缺陷(xian)進行了(le)(le)彌補(bu),減(jian)少了(le)(le)更多的(de)產品遭受(shou)離焦影響。
即延長了設備零部件的(de)使用(yong)壽(shou)命,為公司節省(sheng)了人力物力,也大(da)大(da)提升(sheng)了大(da)宗產品良率。
后續針(zhen)對邊(bian)緣缺(que)陷問題,我們(men)對現(xian)有(you)的清掃曝光臺的方(fang)案進行了(le)歸(gui)納(na)總(zong)結,針(zhen)對不同的污染(ran)源制定(ding)了(le)相應(ying)的應(ying)對方(fang)案。
同時(shi),和廠商一(yi)起對清掃工(gong)具進行(xing)了改造(zao)升級(ji),降低(di)了曝(pu)光臺的損耗率,延長了部 品的壽(shou)命。
另(ling)外,通過增加定時(shi)自(zi)動清(qing)掃程序,降低了大規(gui)模清(qing)掃風險。有效的監控(kong)可(ke)以幫助我們為后續(xu)動作(zuo)的判斷提供(gong)保(bao)障,確保(bao)我們能夠在短時(shi) 間(jian)內做出正確的決定。