150 m m 圓片在光刻機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)135°曝光的方法

申 強(qiáng)，趙 磊，劉 磊，曹 鑫

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所， 江蘇南京 210016)

光刻是整個(gè)半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)中重要的工藝步驟，在整個(gè)生產(chǎn)流程中，同一片圓片一般需要經(jīng)過(guò)多次曝光工藝，形成多個(gè)曝光層，層與層之間必須滿足精確的位置關(guān)系，即套刻精度。光刻工藝的初始階段，會(huì)在第一層曝光時(shí)留下標(biāo)記，作為后續(xù)曝光層定位的依據(jù)。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是光刻機(jī)重要組成部分，其決定了所能達(dá)到的套刻精度。NIKON i12D光刻機(jī)圓片對(duì)準(zhǔn)分為搜尋對(duì)準(zhǔn)（search alignment）和全局對(duì)準(zhǔn)（enhanced global alignment），可以理解為前者是粗對(duì)準(zhǔn)，后者是精對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的掃描范圍只有數(shù)百微米[1]，因此，將圓片精準(zhǔn)地傳送至承片臺(tái)上，是圓片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的前提和保障。

1 Notch 定位原理

NIKON i12D Type3 型光刻機(jī)的Notch 定位分為圓片找中心和圓片Notch 定位兩個(gè)步驟。機(jī)械手從片架取出圓片到達(dá)指定位置后，沿著Y 方向，穿過(guò)找中心傳感器下方后，將圓片放置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上（如圖1 所示）。通過(guò)讀取反射回傳感器上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，機(jī)臺(tái)能夠確定當(dāng)前圓片的圓心位置，并進(jìn)行相應(yīng)的位置補(bǔ)償，以確保圓片被放置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上時(shí)能夠隨其同心旋轉(zhuǎn)。圓片找中心的原理在相關(guān)論文中已有詳細(xì)說(shuō)明[2]，此處不再做過(guò)多論述。

圖1 原機(jī) Notch 定位結(jié)構(gòu)

Notch 定位采用的是反射式傳感器，圓片隨旋轉(zhuǎn)臺(tái)同心旋轉(zhuǎn)時(shí)，上方傳感器發(fā)出的激光打在圓片的表面，沿原路返回，被傳感器接收。在圓片的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)圓邊經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，激光被有效反射，因此信號(hào)處理板能夠接收到明顯的光信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成高電平信號(hào)。而當(dāng)Notch 經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，激光直接穿透，沒(méi)有光返回，信號(hào)處理板接收不到光信號(hào)，形成低電平信號(hào)（如圖2 所示）。通過(guò)兩個(gè)傳感器的共同作用，進(jìn)而有效進(jìn)行Notch 定位。

圖2 Notch 定位原理示意圖及模擬信號(hào)

2 搜尋對(duì)準(zhǔn)原理

Notch 定位后，圓片被傳送至承片臺(tái)上，完成二次預(yù)對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)行標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)分為搜尋對(duì)準(zhǔn)和全局對(duì)準(zhǔn)，前者是后者的前提和保證。一般對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)搜尋對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，M1和M2（如圖3 所示），根據(jù)程序內(nèi)編寫的標(biāo)記位置，搜索并確定M1的X1和Y1實(shí)際坐標(biāo)，M2的 Y2實(shí)際坐標(biāo)。通過(guò) Y1和 Y2可以計(jì)算出圓片當(dāng)前位置相對(duì)于承片臺(tái)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)X1/Y1/Y2的結(jié)果，機(jī)臺(tái)會(huì)計(jì)算出當(dāng)前圓片的縮放比例、圓片正交性和圓片旋轉(zhuǎn)，若數(shù)值不超限，機(jī)臺(tái)會(huì)自動(dòng)修正并進(jìn)行全局對(duì)準(zhǔn)，若數(shù)值超限，機(jī)臺(tái)會(huì)報(bào)警，要求重新進(jìn)行搜尋對(duì)準(zhǔn)。

圖3 圓片搜尋對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記示意圖

圓片完成所有的工藝步驟后，需要通過(guò)劃片將完整的圓片切割成單個(gè)芯片，應(yīng)用較為廣泛的是砂輪劃片機(jī)和激光劃片機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，圓片的晶向會(huì)與芯片的排布方向近乎平行，那么劃片過(guò)程中只需沿著平行和垂直晶向的方向切割，劃片完好率高。但由于購(gòu)買的一批次150 mm Notch GaN圓片，晶向與Notch 定義的圓片坐標(biāo)系存在大約45°的夾角（如圖4 所示），即劃片槽與晶向之間存在45°夾角。實(shí)踐證明，此類圓片進(jìn)行劃片工藝時(shí)，崩邊問(wèn)題明顯，部分芯片管芯被破壞，劃片完好率明顯下降。為解決此問(wèn)題，需要在NIKON i12D光刻機(jī)上進(jìn)行光刻工藝時(shí)，將圓片旋轉(zhuǎn)45°，使曝光Cell 與晶向平行。

圖4 圓片晶向及劃片方向示意圖

3 Notch 旋轉(zhuǎn) 135°方法

圓片Notch 定位取決于兩個(gè)Notch 定位傳感器，原機(jī)的兩個(gè)傳感器位于機(jī)臺(tái)的正前方（見圖1），考慮將該傳感器以旋轉(zhuǎn)臺(tái)圓心為中心，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)135°左右放置，那么Notch 就會(huì)處于工藝需求的位置。為了保證光刻機(jī)良好的工作狀態(tài)，需要定期對(duì)機(jī)臺(tái)做測(cè)試，為了減少圓片差異對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，一般會(huì)選出幾片狀態(tài)較好的圓片，稱之為參考片。但由于參考片長(zhǎng)期反復(fù)的使用，表面活性變差，容易產(chǎn)生掉膠現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果?？梢酝ㄟ^(guò)在圓片表面長(zhǎng)一層100 nm 的SiN 介質(zhì)，有效解決掉膠問(wèn)題。但由于該層介質(zhì)為墨藍(lán)色，嚴(yán)重降低了圓片表面的反光性，Notch 定位傳感器從上方發(fā)光打在圓片表面后，只能接收到較少的反射光，即使將傳感器放大器的閾值降到很低，其工作的重復(fù)性也較差。同時(shí)，將Notch 定位傳感器改制于135°位置處，其模塊會(huì)與側(cè)邊的傳輸手臂產(chǎn)生干涉，因此采用圓片背面Notch 定位的方法（如圖5 所示）。

圖5 改造后Notch 定位結(jié)構(gòu)

4 Notch 旋轉(zhuǎn) 135°硬件改制

4.1 原機(jī)平臺(tái)改制

將Notch 定位模塊安置于原機(jī)平臺(tái)上，位置必須準(zhǔn)確。工作時(shí)，圓片與旋轉(zhuǎn)臺(tái)同心，并隨之旋轉(zhuǎn)，我們所需要的Notch 135°實(shí)際上就是以坐標(biāo)系的X 正向?yàn)榛鶞?zhǔn)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的圓心為參考，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，那么Notch 實(shí)際上就旋轉(zhuǎn)了135°（見圖5）。150 mm 的圓片，半徑是75 mm，所設(shè)計(jì)加工的各模塊也有一定的寬度，因此將偏移量設(shè)為60 mm。預(yù)留的兩個(gè)螺紋孔用于固定角度調(diào)節(jié)塊，角度調(diào)節(jié)塊設(shè)計(jì)成U 型槽，方便于Notch 旋轉(zhuǎn)角度的細(xì)調(diào)，暫且將角度方向的偏移量設(shè)為17 mm（如圖6 所示）。

圖6 原機(jī)平臺(tái)改制示意圖

4.2 設(shè)計(jì)、加工焦距調(diào)節(jié)塊

圓片Notch 定位傳感器采用的是KEYENCE雙數(shù)顯光纖發(fā)光器FU-21R，理論焦距范圍為15 mm±2 mm，連接了KEYENCE FS-V21R 放大器。實(shí)踐證明，對(duì)不同材質(zhì)的圓片，Si 和GaN，采用背面Notch 定位的方式，當(dāng)焦平面處于15 mm左右時(shí)，能夠從放大器上看見明顯的反射信號(hào)。焦距調(diào)節(jié)塊如圖 7 所示，U 型槽 2 用于 Notch 定位傳感器高度的調(diào)節(jié)，以確保工作時(shí)圓片背面處于最佳焦平面。

圖7 焦距調(diào)節(jié)塊示意圖

4.3 設(shè)計(jì)、加工傳感器間距調(diào)節(jié)塊和徑向調(diào)節(jié)塊

兩個(gè)Notch 定位傳感器之間的距離對(duì)Notch定位結(jié)果有很大影響。實(shí)踐證明，即使將兩個(gè)傳感器按照原機(jī)的間距定位，也未必能夠?qū)崿F(xiàn)Notch 的正確定位。在新的模塊上，必須要保證兩個(gè)傳感器之間的間距可以調(diào)節(jié)，因此設(shè)計(jì)了U 型槽4（如圖8 所示），傳感器從下往上插入后，從側(cè)邊用頂絲固定。圓片隨旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，Notch 定位傳感器的最佳位置是，所發(fā)出的激光打在圓片背面時(shí)，近乎與圓邊相切。因此，這就對(duì)傳感器相對(duì)于圓片的徑向位置提出了較高的要求。原機(jī)平臺(tái)改制的60 mm只是粗略的位置，還必須微調(diào)U 型槽1 達(dá)到要求的理想位置（如圖9 所示）。

圖8 傳感器間距調(diào)節(jié)塊示意

圖9 徑向調(diào)節(jié)塊示意圖

4.4 設(shè)計(jì)、加工角度調(diào)節(jié)塊

150 mm GaN 圓片的曝光工藝，標(biāo)記是在某型號(hào)掃描光刻機(jī)上曝光完成的[3]。該機(jī)臺(tái)較先進(jìn)，能夠在參數(shù)內(nèi)設(shè)置Notch 旋轉(zhuǎn)的角度。因此，一層標(biāo)記曝光完成后，相對(duì)于Notch，標(biāo)記能夠精準(zhǔn)地沿著圓片的圓心旋轉(zhuǎn)135°。在i12D 機(jī)臺(tái)上執(zhí)行后續(xù)的曝光工藝時(shí)，Notch 必須同樣精準(zhǔn)地旋轉(zhuǎn)135°，一方面是在執(zhí)行Y1的搜尋對(duì)準(zhǔn)時(shí)，能夠在ITV 內(nèi)直接看見標(biāo)記，或者只需要手動(dòng)移動(dòng)較少的距離就能看見標(biāo)記；另一方面，執(zhí)行Y2對(duì)準(zhǔn)時(shí)，由于機(jī)臺(tái)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的能力只有±15 000 μrad 左右，若Notch 角度偏轉(zhuǎn)較大，即使通過(guò)手動(dòng)干預(yù)在ITV上看見了Y2的標(biāo)記，也會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)超限導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)。如圖10 所示，角度調(diào)節(jié)塊上預(yù)留了用于旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)的U 型槽3。

圖10 角度調(diào)節(jié)塊示意圖

5 位置、信號(hào)調(diào)節(jié)

Si 和GaN 圓片處于焦平面時(shí)，可以觀察到從Si/GaN 圓片背面反射回的信號(hào)可高達(dá)300 左右，為保留較大的冗余量，將放大器閾值設(shè)定為80。將4 個(gè)模塊進(jìn)行組裝（如圖11 所示），固定于原機(jī)平臺(tái)上。選用帶有標(biāo)記的圓片傳片找標(biāo)記，首先根據(jù)Notch 定位效果，對(duì)兩傳感器之間的距離、傳感器相對(duì)于圓片的徑向位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保能夠完成Notch 定位。再根據(jù)ITV 內(nèi)標(biāo)記的位置狀態(tài)，調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)塊，直至圓片傳送至承片臺(tái)上進(jìn)行搜尋對(duì)準(zhǔn)時(shí)，在ITV 上標(biāo)記可直接看見，并且標(biāo)記橫平豎直，Y2標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)時(shí)不超限。

圖11 Notch 定位模塊示意圖

6 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改造后的成功率與穩(wěn)定性，對(duì)執(zhí)行圓片傳輸進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。選用一片已有標(biāo)記的150 mm GaN 圓片，測(cè)試次數(shù)設(shè)置為20 次，執(zhí)行測(cè)試后得圖12 所示的數(shù)據(jù)。i12D 要求的測(cè)試指標(biāo)是：離散（X）＜5 μm，離散（Y）＜5 μm，離散（Y 旋轉(zhuǎn)）＜5 μm。測(cè)試結(jié)果雖略高于指標(biāo)，在手動(dòng)干預(yù)的條件下，能夠滿足生產(chǎn)需求。使用改造后的機(jī)臺(tái)，完成150 mm GaN 圓片的所有曝光工藝，最后進(jìn)行劃片工藝。劃片結(jié)果表明，芯片崩邊的現(xiàn)象得到顯著改善，劃片完好率明顯提升。

圖12 圓片傳輸重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)所購(gòu)的150 mm GaN 圓片的晶向，通過(guò)對(duì) NIKON i12D（type3）型光刻機(jī) Notch 定位傳感器模塊的改制，實(shí)現(xiàn)了芯片排布方式與圓片晶向平行，有效降低了劃片過(guò)程中由于芯片崩邊而引起的報(bào)廢概率，顯著提升了產(chǎn)品完好率。事實(shí)上，本文所設(shè)計(jì)的模塊，在不與機(jī)臺(tái)內(nèi)部其他硬件干涉的前提下，可實(shí)現(xiàn)Notch 任意角度的旋轉(zhuǎn)，成本低廉，結(jié)果可靠。