數(shù)擬詳細(xì)工藝試驗與模擬仿真分析

Kirk 曝光方法在光刻機(jī)雜散光測試中的應(yīng)用研究

結(jié)合 Kirk 的測試原理，基于實際的光刻機(jī)應(yīng)用工況，通過工藝試驗、計算仿真等手段建立有效的數(shù)據(jù)模型，有助于準(zhǔn)確地把握雜散光的影響規(guī)律。經(jīng)分析表明，雜散光對不同尺寸圖形的影響具有特定的規(guī)律，可以通過工藝曝光方法進(jìn)行準(zhǔn)確測量和表征，所測得的圖形尺寸與雜散光測試劑量之間的關(guān)系在小尺寸段符合線性規(guī)律，在大尺寸段符合指數(shù)規(guī)律，基于這一特征規(guī)律進(jìn)一步指導(dǎo)與優(yōu)化了雜散光的測試方案，從而實現(xiàn)更準(zhǔn)確、更高效地監(jiān)控光刻機(jī)雜散光性能的目的。

中圖分類號：TN405 文章編號：1674-2583（2020）04-0028-04

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2020.04.009

Kirk曝光方法在光刻機(jī)雜散光測試中的應(yīng)用研究。集成電路應(yīng)用， 2020， 37（04）：28-31.

Study on the Application of Kirk Eposure Method in the Scanner Stray Light Test

ZHANG Jiajin

Abstract — Combined with Kirk‘s test principle， based on the actual application conditions of the lithography scanner， the effective data model is established by means of process test， calculation and simulation， which is helpful to accurately grasp the influence law of stray light. The analysis shows that the influence of stray light on different size patterns have specific rules， which can be accurately measured and characterized by the process exposure method. The relationship between the measured pattern size and stray light test dose conforms to the linear rule in the small size segment and the exponential rule in the large size segment. Based on this characteristic law， the test scheme of stray light is further guided and optimized， so as to realize the purpose of monitoring the stray light performance of lithography scanner more accurately and efficiently.

Index Terms — IC manufacturing， lithography， exposure method， Kirk， stray light.

引言

光刻技術(shù)的發(fā)展速度是驚人的，其驅(qū)動力來源于人們對于高性能芯片的執(zhí)著追求，在這一發(fā)展背景下，光刻技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備光刻機(jī)起了至關(guān)重要的作用，通過設(shè)備系統(tǒng)的不斷研制改進(jìn)，持續(xù)提升光刻分辨率，使得集成電路的技術(shù)節(jié)點不斷往前推進(jìn)。

光刻機(jī)從干式發(fā)展到浸沒式，從 DUV 發(fā)展到EUV，線條分辨率從百納米一直縮小至幾納米，在這一演變過程中，曝光系統(tǒng)的雜散光性能逐步成為每一代光刻機(jī)成像控制的重要對象。對于高 NA 光刻機(jī)的雜散光性能一般需控制在 1.5% 之內(nèi)，并且需要能夠得到準(zhǔn)確的測量。

雜散光在光刻曝光過程中會影響成像對比度，從而影響成像分辨率以及工藝窗口，直接導(dǎo)致能量閾度大幅度降低，無法保證成像線寬的均勻性。正是由于雜散光對于成像結(jié)果的突出影響，該性能必須得到有效、準(zhǔn)確的測試，才能評估該設(shè)備狀態(tài)是否會影響生產(chǎn)良率。對于光刻機(jī)的雜散光性能可以通過工藝曝光的方法進(jìn)行測試，該方法基于 Kirk 的原理，也是目前普遍認(rèn)可比較成熟的辦法。相比于快速引入和發(fā)展的傳感器測量技術(shù)，這種通過工藝曝光方法進(jìn)行雜散光測試的應(yīng)用研究還比較有限。

本文將通過檢測不同尺寸光刻膠圖形的變化，研究分析雜散光的分布特征和影響規(guī)律，從而指導(dǎo)與優(yōu)化現(xiàn)有的雜散光測試方案，進(jìn)而幫助光刻工藝工程師更直觀有效地監(jiān)控光刻機(jī)雜散光性能。

1 基于 Kirk 曝光方法的工藝試驗

Kirk 工藝試驗采用光刻工藝中大劑量曝光的方式，把硅片面應(yīng)該成像的掩模圖形使用大劑量曝光去除，理論上硅片面成像圖形幾何中心的雜散光能量達(dá)到光刻膠去除的臨界值時，硅片面的光刻膠成像圖形將被直接顯影去除，該劑量可用于計算當(dāng)前圖形結(jié)構(gòu)下的雜散光結(jié)果。

該測試需要使用專門設(shè)計的圖形掩模版，掩模版（1 倍縮放）上包含兩個圖形區(qū)域，一個是方形圖形區(qū)，區(qū)域內(nèi)設(shè)定邊長尺寸從 1～100 μm 的 20 多個方形圖形，這些圖形由不透光的鉻層覆蓋；另一個是空白透光區(qū)，區(qū)域內(nèi)包含了毫米級別的矩形空白透光圖形。

Kirk 工藝試驗的具體實施流程包含三步：（1）按標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝條件對空白透光區(qū)進(jìn)行曝光，得到該光刻工藝條件下光刻膠的能量閾值 E0 結(jié)果。（2）使用 50～180 倍 E0 劑量條件對方形圖形區(qū)進(jìn)行曝光，利用顯微鏡確定各劑量下殘余的最小方形圖形，并記錄對應(yīng)方形圖形的邊長尺寸。（3）模型擬合劑量與殘留方形圖形尺寸的關(guān)系，得到所需尺寸結(jié)構(gòu)下的擬合劑量值 Eclear，并按如下公式計算雜散光 Stray Light（劑量百分比）結(jié)果。

SL（%）＝E0 / EClear ×100%

我們在 ArF 光源的實驗光刻機(jī)上開展Kirk工藝試驗，通過實際測試結(jié)果評估該光刻機(jī)成像系統(tǒng)的雜散光性能。一般而言，曝光視場中心的雜散光最強(qiáng)，因而本次測試選擇視場中心點進(jìn)行測試，按照標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝菜單配置測試片涂膠、曝光（NA 0.75）、顯影的參數(shù)，并通過上述流程的實施獲得光刻膠的能量閾值 E0＝11.5 mj 以及顯微鏡下的測量數(shù)據(jù)。

接著進(jìn)行擬合計算，按指數(shù)、對數(shù)和線性方式分別擬合，同時計算 5 μm 方形圖形的雜散光結(jié)果，圖形邊長尺寸已取對數(shù)，擬合結(jié)果。

從擬合結(jié)果看，指數(shù)擬合的擬合度較差，對應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果可信度偏低，該測試結(jié)果可以去除，而對數(shù)擬合和線性擬合的 R2 均滿足了 0.95 的要求，在當(dāng)前情況下，對于 Kirk 工藝試驗數(shù)據(jù)的處理分析而言，兩種擬合方式并存將增加測試結(jié)果的不確定性，為了提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)一步判斷何種方式擬合更為準(zhǔn)確。

2 詳細(xì)工藝試驗與模擬仿真分析

2.1 詳細(xì)工藝試驗

為了評估和判斷 Kirk 工藝試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確擬合方式，我們需要提高測試劑量的密度，這樣就可以得到更為準(zhǔn)確的各尺寸圖形結(jié)構(gòu)下的雜散光結(jié)果，通過詳細(xì)工藝試驗獲得測量數(shù)據(jù)所示，并同時計算各尺寸圖形的雜散光結(jié)果。

由于測量數(shù)據(jù)密度的增加，整體分布規(guī)律基本顯現(xiàn)，可以認(rèn)為整體分布規(guī)律符合指數(shù)形式（與第一節(jié)線性擬合關(guān)系相當(dāng)）。對圖 3 數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，獲得 5 μm 方形圖形的去除劑量為 948.1 mj，對應(yīng)雜散光結(jié)果為 1.21%，而 5 μm 方形圖形實際準(zhǔn)確的去除劑量由詳細(xì)工藝試驗可得為 880 mj，對應(yīng)的雜散光結(jié)果為 1.30%，擬合結(jié)果與實際結(jié)果仍有一定的偏差，可以認(rèn)為僅僅按照指數(shù)擬合也很難取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，對于測試結(jié)果的分布規(guī)律我們需要借助模擬仿真進(jìn)一步分析。

2.2 模擬仿真原理

雜散光通常按其影響距離范圍可分為短程雜散光、中程雜散光、遠(yuǎn)程雜散光。一般認(rèn)為，短程雜散光影響距離小于 1 μm，中程雜散光影響距離覆蓋 100 μm 左右，而遠(yuǎn)程雜散光則會產(chǎn)生全局性的影響，可以近似為均勻的背景能量。由于短程雜散光僅僅產(chǎn)生局部小范圍的影響，對當(dāng)前工況的仿真結(jié)果干擾有限，所以在本次雜散光的模擬仿真中僅包含中遠(yuǎn)程雜散光的影響。

本次模擬仿真主要研究物面掩模測試區(qū)內(nèi)不透光圖形在像硅片面成像區(qū)域形成的雜散光能量分布情況，由于平面兩個維度方向上的雜散光影響相同，模擬過程我們可以先考慮 x 方向一個維度的雜散光影響。設(shè)定掩模圖形（1 倍縮放）為方形圖形，沿 x 坐標(biāo)該圖形的邊長為 w，半寬度為 w/2，以寬度中點為原點，則物面掩模透過率函數(shù) T（x）可表達(dá)為式。

該函數(shù)分布也可以理解為物面中程雜散光光源的有效分布。這些物面雜散光點光源對應(yīng)的像硅片面的光強(qiáng)能量分布符合高斯點擴(kuò)散函數(shù)，在像面同樣以成像圖形中心為原點，在物面原點處的雜散光點光源對應(yīng)的像硅片面光強(qiáng)能量分布可為式

其中，x 是離開像面原點的距離，A 為振幅參數(shù)，R 為范圍參數(shù)。進(jìn)一步可以認(rèn)為像硅片面圖形成像區(qū)域的中程雜散光能量分布是物面中程雜散光光源的有效分布與物面雜散光點光源對應(yīng)的像硅片面光強(qiáng)能量分布的卷積，則像面任意位置x處的能量可以用卷積式表示。

s 為物面雜散光點光源離開坐標(biāo)原點的距離。

基于以上的分析并結(jié)合實際應(yīng)用工況，我們把物平面上的雜散光光源有效區(qū)域分為四個雜光區(qū)，并且定義產(chǎn)生影響的中程雜散光邊界線垂直于坐標(biāo)軸，首先考慮 x 正向雜光區(qū)范圍內(nèi)的中程雜散光對像面圖形的正半?yún)^(qū)域影響。同時也加入背景長程雜散光的影響，則受 x 正向雜光區(qū)影響并沿 x 軸形成的雜散光能量分布（光強(qiáng)百分比）可表示為式。

其中，C 為常量，表示長程雜散光的背景能量，（Sx ， Sy） 為物面中程雜散光點光源坐標(biāo)位置，且產(chǎn)生影響的中程雜散光邊界線定義為距離 x 軸上的測量點 100μm，x 范圍為 0～w/2，即圖形的正半?yún)^(qū)域。

通過模擬仿真不同寬度尺寸圖形在像硅片面成像區(qū)域的雜光分布情況，可以進(jìn)一步得到各尺寸成像圖形中心的雜散光結(jié)果（光強(qiáng)百分比）如式。

式中，w 代表了圖形的尺寸，同時成像圖形中心的光強(qiáng)應(yīng)該包含了四個雜光區(qū)的影響。由于圖形中心雜散光能量最弱，因此當(dāng)該能量大于能量閾值 E0，該圖形則被認(rèn)為完全去除。該模擬仿真結(jié)果可與 Kirk 工藝試驗結(jié)果進(jìn)行對照分析。

2.3 模擬仿真分析

本次模擬仿真中，根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用工況，取振幅參數(shù) A＝0.0509，范圍參數(shù) R＝1.1517，常量 C＝0.007。根據(jù)式，評估局部區(qū)域雜散光對像面圖形正半?yún)^(qū)域的影響，模擬可得 5μm/10μm 方形圖形在成像區(qū)域沿 x 軸形成的雜散光能量分布（光強(qiáng)百分比）。

根據(jù)式，模擬 1～20 μm 圖形的雜散光結(jié)果（光強(qiáng)百分比），并與工藝試驗結(jié)果共同繪制。

通過分析詳細(xì)工藝試驗結(jié)果并參照仿真結(jié)果，我們可以得到以下結(jié)論。

（1）精細(xì)化的詳細(xì)測試能夠得到各尺寸圖形結(jié)構(gòu)下較為準(zhǔn)確的雜散光結(jié)果，從測試結(jié)果的整體趨勢看，隨著能量遞增，被去除圖形的尺寸不斷增大，尺寸增量相比能量增量在不斷地遞增。

（2）結(jié)合模擬仿真進(jìn)一步分析，可以看到不同尺寸圖形結(jié)構(gòu)下的雜散光模擬結(jié)果與實測結(jié)果的趨勢基本匹配，對于 4 μm 以下圖形，雜散光結(jié)果隨圖形尺寸增加反比例遞減，對于 4 μm 以上圖形，雜散光結(jié)果變化趨勢逐步變緩。根據(jù)這一趨勢變化特征，我們對實測結(jié)果進(jìn)行分段擬合，小尺寸段按線性擬合，大尺寸段按指數(shù)擬合，擬合誤差相比整體指數(shù)擬合明顯提升。

（3）從測試結(jié)果及變化趨勢，可以進(jìn)一步推斷，在該實驗光刻機(jī)的曝光系統(tǒng)中，中短程雜散光對 4 μm 以下圖形影響占主導(dǎo)，雜光影響隨圖形尺寸變化逐步遞減；另一方面，隨著圖形尺寸的增大，遠(yuǎn)程背景雜散光的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)，當(dāng)圖形尺寸大于 20 μm 以后，雜光影響將基本不變。

3 雜散光測試方案優(yōu)化

當(dāng)前的 Kirk 工藝試驗流程可以根據(jù)上述總結(jié)的變化規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容主要包括劑量的步距設(shè)定和測量圖形設(shè)計。

在當(dāng)前的實驗光刻機(jī)曝光系統(tǒng)中，劑量步距設(shè)定與圖形尺寸相關(guān)，2～4 μm 圖形去除劑量的遞增系數(shù)約為 182 mj/μm（約 15E0），因此，可以將劑量遞增步距設(shè)為 15E0。同樣對于 5 μm 以上大尺寸圖形去除劑量的遞增系數(shù)約 56 mj/μm，按 30E0 劑量遞增步距核算，則圖形可設(shè)計為 6 μm 尺寸遞增變化。

基于劑量步距的精確優(yōu)化，掩模版上對應(yīng)的測試圖形設(shè)計分為小尺寸圖形區(qū)和大尺寸圖形區(qū)，在實際測試中兩個圖形測試區(qū)分別代表了雜散光對圖形的不同影響規(guī)律，即小尺寸圖形區(qū)對應(yīng)線性規(guī)律，而大尺寸圖形區(qū)對應(yīng)指數(shù)規(guī)律。小尺寸圖形區(qū)的主要圖形為 2 μm、3 μm、4 μm 整數(shù)尺寸的圖形，而大尺寸圖形區(qū)的主要圖形為 5 μm、11 μm、17μm 整數(shù)尺寸的圖形。除了主要圖形外，測量圖形設(shè)計中還包含了輔助圖形，傳統(tǒng)測試方法中我們只關(guān)注了殘余圖形而忽略了去除圖形，因此測試結(jié)果并非實際能量對應(yīng)的最小尺寸的殘余圖形，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)擬合的誤差，因此在主圖形附近增加了判斷去除圖形情況的輔助圖形。輔助圖形尺寸的設(shè)定與最終的測試誤差相關(guān)，本例中的輔助圖形尺寸設(shè)定可保證雜散光的最終測量結(jié)果偏差小于 0.05%。具體圖形設(shè)計。

在實際測試中，根據(jù)不同評估需要可以選擇不同圖形區(qū)圖形進(jìn)行工藝試驗。以小尺寸圖形區(qū)的測試為例，首先必須分別測得 E0 和 Estart，Estart 為曝光起始能量，記錄 2 μm 尺寸附近的去除圖形和殘余圖形，然后按劑量步距曝光，同樣記錄每組圖形的去除圖形和殘余圖形，去除圖形和殘余圖形必須同時被測得，否則需重新設(shè)定劑量步距，最后提取殘留圖形尺寸用于數(shù)據(jù)擬合，測試記錄。

通過以上優(yōu)化就可以更準(zhǔn)確地獲得曝光系統(tǒng)中雜散光的性能狀態(tài)，同時測量圖形的精簡也提升了測量的針對性，提高了測試效率。

4 結(jié)論

在光刻機(jī)的曝光系統(tǒng)中，雜散光對不同尺寸圖形的影響具有特定的規(guī)律，可以通過工藝曝光方法進(jìn)行準(zhǔn)確測量和表征。本文基于 Kirk 測試原理，進(jìn)行了詳細(xì)工藝試驗和仿真模擬分析，進(jìn)一步明確了雜散光對測試圖形的影響規(guī)律，分析表明所測得的圖形尺寸與雜散光測試劑量之間的關(guān)系在小尺寸段符合線性規(guī)律，在大尺寸段符合指數(shù)規(guī)律，基于這一特征規(guī)律，也反饋指導(dǎo)我們優(yōu)化了現(xiàn)有的 Kirk 工藝試驗方案，有效提升了曝光系統(tǒng)雜散光測試效率和測試準(zhǔn)確性。
責(zé)任編輯:pj