溝槽晶圓調(diào)焦調(diào)平測量工藝適應性分析

藍科，陳雪影，劉逍

（上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海 201203）

投影曝光光刻機在大規(guī)模半導體集成電路生產(chǎn)制造中具有不可或缺的作用，而高精度的曝光物鏡及光學顯微測量系統(tǒng)是先進曝光光刻機中的重要組成基礎。超高精度的光學成像系統(tǒng)一般具有工作距小、數(shù)值孔徑（NA）大、景深小等特點，因此待曝光或待檢測晶圓的離焦、傾斜將嚴重影響工藝效果。FLS基于三角測量原理對晶圓表面垂向位置進行測量，并保證晶圓上表面始終處于最佳檢測及曝光位置。

現(xiàn)階段投影曝光光刻機調(diào)焦調(diào)平傳感器通常采用兩種測試方案：基于掃描反射鏡光斑調(diào)制方案和線陣CCD方案。這兩種FLS方案主體結(jié)構均由投影光路及探測光路組成，利用晶圓表面反射光對其垂向位置的敏感性來測量晶圓上表面的位置。此測量方法的準確性及靈敏度與反射表面密切相關，當反射光無法通過探測光路進行收集時，就會導致系統(tǒng)的失檢。

一直以來，針對結(jié)構不平整、表面非均勻的溝槽晶圓垂向位置測量始終是FLS領域的重點問題之一，因此如何提高FLS測試此類表面的工藝適應性成為光刻機領域的重要研究方向。在后道封裝光刻機生產(chǎn)過程中，常遇到具有溝槽結(jié)構的晶圓，其表面具有縱橫溝槽，當照明光斑處于溝槽位置時，反射光斑將無法通過探測光路被收集，從而造成系統(tǒng)無法工作。本文將對基于線陣CCD的FLS系統(tǒng)應用于溝槽晶圓垂向位置測量的工藝適應性進行分析，并提出了幾種可提高工藝適應性的方法。

1 調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)

FLS工作原理如圖1所示，主要由光源、投影狹縫、投影光路、探測光路、線陣CCD相機組成。光源均勻照明投影狹縫，透過狹縫的光斑經(jīng)投影光路投影于待測晶圓表面，晶圓表面的反射光經(jīng)探測光路收集，并最終聚焦于線陣CCD相機靶面。

圖1 調(diào)焦調(diào)平傳感器

待測表面的垂向位置與反射光斑在相機靶面的位置一一對應，如圖2(a)所示，光斑位置偏移量L可由探測光路放大倍率及光斑在相機靶面的像素位置偏移計算得到，由此可根據(jù)光斑偏移L和照明角度計算出待測表面垂向位置偏移量d，兩者關系可以由表達式(1)給出：

由此得出待測表面垂向位置變化與光斑位置偏移的敏感度與照明角度緊密相關，以較大的照明角度（一般70～85°）入射可以獲得較高的檢測靈敏度。透過狹縫的照明光以大角度投影于待測表面，并形成并列分布的亮斑，待測表面的反射光斑進入探測光路，并由探測成像光路對光斑進行放大。在探測成像光路后方設置柱面鏡進行聚焦，壓縮非測量方向的長度，如圖2(b)所示，并最終聚焦于線陣相機靶面，捕獲光斑的位置信息。

圖2 FLS測量原理示意圖

2 溝槽晶圓測試

2.1 溝槽晶圓調(diào)焦調(diào)平

溝槽晶圓為表面存在溝槽結(jié)構的晶圓，晶圓表面涂覆光刻膠，溝槽晶圓的調(diào)焦調(diào)平是保證后道封裝光刻工藝高質(zhì)量進行的基礎。圖3所示為FLS工作過程中，溝槽晶圓表面光斑的實物拍圖，共有兩組測量光斑，每組光斑代表一套FLS測量組件（其中箭頭所示為溝槽邊緣光刻膠分布不均勻造成的背景光散射）。圖3灰色圓圈標記內(nèi)所示的1-1、1-2、1-3為第一組光斑，第一組三個光斑中1-1及1-3均掉入溝槽，僅剩一個可探測光斑，單獨一個光斑時，無法通過算法軟件確定為一組中的哪一個，因此無法進行垂向位置測量；第二組3個光斑2-1、2-2、2-3的中心區(qū)域處于溝槽范圍，此時每個光斑均丟失了中心區(qū)域的信息，造成探測光路收集的能量不足，存在失檢或誤檢的可能。此兩種情況，探測光路將無法捕獲或識別反射光斑的位置。

圖3 溝槽晶圓失檢測試示意圖

為了提高FLS對此類溝槽晶圓的工藝適應性，根據(jù)照明光斑與溝槽之間的關系，設計了幾種不同尺寸的照明狹縫，保證整個調(diào)焦調(diào)平測量過程中，F(xiàn)LS傳感器能夠始終正常運行。圖4所示為設計的照明狹縫布局，中間3個灰色狹縫為整機初始所采用的布局方式，為了分析光斑布局對工藝適應性的影響，新設計了邊緣兩個深灰色狹縫，5個狹縫間距分別為9mm、10mm、6.2mm、9mm，狹縫長度為3mm，狹縫寬度W設計了39μm、200μm、350μm三種尺寸。在實際應用場景中，根據(jù)光機結(jié)構布局，光斑長軸與溝槽的角度大約為45°，結(jié)合所設計的狹縫，對調(diào)焦調(diào)平的工藝適應性進行實驗分析。

圖4 狹縫尺寸

2.2 光斑個數(shù)

基于上述可能發(fā)生的失檢現(xiàn)象，新增加兩個子光斑，避免多個測量光斑均處于失檢狀態(tài)，當檢出光斑的數(shù)量大于2個，根據(jù)這兩個光斑的間距可判斷出該光斑對應的序號，由此即可計算出實際待測表面的垂向位置。此投影照明方案中，狹縫與相機靶面共軛，硅片表面的光斑在邊緣視場會存在彌散，因此同樣寬度的狹縫在硅片面上的亮斑寬度不一致。圖5所示為5個狹縫寬度為39μm時的測試結(jié)果，盡管存在多個處于溝槽范圍內(nèi)的光斑未被識別，但仍能有效地識別兩個測量光斑。由圖5(b)測量信號得出，若僅以中間三個光斑進行垂向位置測量，將僅能捕獲一個光斑，處于此狀態(tài)時將會發(fā)生失檢。而結(jié)合新增的兩個光斑后，第一個光斑同樣可以被識別，此時，結(jié)合存在的2個光斑仍可進行位置識別，結(jié)果表明，增加光斑的個數(shù)可以提高FLS測量溝槽晶圓的工藝適應性。

圖5 增加光斑個數(shù)

2.3 光斑寬度

增加表面溝槽寬度，減小掉入溝槽部分的反射光對整個光斑的影響，即光斑掉入溝槽后，仍能以圖像算法較為準確地獲取剩余光斑位置信息。圖6所示為寬度39μm、200μm、350μm狹縫FLS反射光斑信號曲線。對比三種狹縫標記板的信號，狹縫2及狹縫4對應的位置為三種寬度光斑均掉入溝槽的情況下，39μm寬狹縫光斑信號幾乎接近于零，無法被探測，而寬度為200μm及350μm的狹縫，光信號仍能保持在20%～30%的信號強度，仍可以被軟件算法識別。

圖6 不同寬度狹縫的FLS信號

當FLS光斑覆蓋不同反射率的表面過渡區(qū)域時，探測光斑質(zhì)心發(fā)生偏移，引入測量誤差，如圖7所示，一般被稱為“黑白臉”膜系結(jié)構。兩個不同膜系反射率分別為Ra和Rb，F(xiàn)LS入射角為θ，照射在兩不同膜系上的寬度分別為La和Lb，則光斑質(zhì)心偏移量見公式（1），轉(zhuǎn)換到垂向測量誤差上，見公式（2），測量誤差正比于光斑寬度。設表面反射率為0.8（FSG）和0.852（Cu）、θ=76°、La=Lb，則光斑寬度每增大1mm，引入垂向測量誤差1μm。

圖7 黑白臉工藝影響簡化模型

假設后道封裝光刻機投影物鏡焦深為±2.3μm，“黑白臉”工藝誤差控制在焦深的1/10范圍內(nèi)，計算得到光斑寬度需≤230μm。從光斑位置角度分析，光斑寬度越大，光斑落在不同膜系上的概率越大。因此綜合考慮溝槽晶圓工藝和“黑白臉”工藝，光斑寬度需選擇一個綜合較優(yōu)的寬度范圍。

2.4 光斑長度

長條形光斑通過柱面鏡將非測量方向的信號進行壓縮聚焦，使進入線陣CCD靶面的光斑接近點狀。因此，在探測光路的有效視場范圍內(nèi)，增加條形光斑的長度，使整個光斑掉入溝槽范圍內(nèi)的能量占比降低，減小溝槽對測量光斑的影響。圖8所示為狹縫寬度為350μm，長度分別為1mm和3mm的測試信號，結(jié)果表明，狹縫長度為3mm的測量信號明顯優(yōu)于狹縫長度為1mm的信號，且狹縫長度增加，掉入溝槽部分的光斑信號可以得到有效提高。

圖8 不同長度狹縫的FLS信號

此光路受限于光路本身的聚焦能力及成像NA，無法將整個光斑會聚于探測器的感光元件，因此，反射光能量存在遺漏，導致僅能接收長條光斑的部分能量，也因此提高探測光的NA，優(yōu)化聚焦光路的效果，結(jié)合光斑長度的增加，可以進一步提高檢測溝槽晶圓的工藝適應性。

3 仿真模型

在實驗測試過程中，容易忽略光斑與溝槽晶圓處于某些特殊位置而造成FLS檢測失敗，根據(jù)實際測試場景，基于MATLAB建立溝槽晶圓與反射光斑之間的模型關系，在溝槽晶圓全表面仿真計算不同情況下的反射光斑信息。

圖9所示長度分別(a)0.5mm、(b)1mm、(c)3mm，寬度為39μm的單個光斑在結(jié)構周期為5mm、溝槽寬度為0.5mm的溝槽晶圓表面滑動，掉入溝槽部分的光斑認為反射光為零，記錄光斑中心處于溝槽不同位置時的反射率。由圖9所展示的結(jié)果，光斑長度為0.5mm時，存在光斑完全掉入溝槽的情況，此時，存在光斑完全失檢狀態(tài)；當光斑長度為1mm時，仍存在反射率低于0.2的位置，光斑位置難以檢出；當光斑長度為3mm時，最低反射率位置的能量仍接近0.6，仍可識別反射光斑的位置。

圖9 不同長度為光斑在溝槽晶圓表面滑動仿真結(jié)果

基于光斑長度為1mm的基礎上，對寬度為39μm、200μm、350μm光斑的信號進行仿真計算。圖10所示為幾種寬度光斑時，理想反射面與溝槽晶圓反射信號對比，以三個光斑滑動仿真，中間光斑處于溝槽外，外側(cè)兩個光斑掉入溝槽，可以看出，隨著光斑寬度增加，掉入溝槽部分的光斑仍有大于30%的反射峰值，仍可被檢測識別。

圖10 不同寬度光斑在溝槽晶圓表面滑動仿真結(jié)果

4 結(jié)語

基于上述的實驗與仿真結(jié)果，提高溝槽晶圓的調(diào)焦調(diào)平工藝適應性主要表現(xiàn)在兩方面。

（1）消除測試光斑同時落入溝槽的可能性，增加子光斑的個數(shù)，保證對整個待測面任意位置的掃描測量過程中，有效測量光斑的個數(shù)始終大于2個，根據(jù)2個光斑可實現(xiàn)垂向位置測量。

（2）減小掉入溝槽部分光斑對測試信號的影響，適當增加光斑的寬度或長度，并提高探測光路的NA，確保同一子光斑落入溝槽的部分能量明顯小于能被正常收集的能量，F(xiàn)LS根據(jù)剩余部分光斑仍然能以較高精度進行垂向位置測量。